[發明專利]能量收集裝置和傳感器及其制造和使用方法

在審

• 申請號: 201780080103.5
• 申請日: 2017-12-21
• 公開（公告）號: CN110300724A
• 公開（公告）日: 2019-10-01
• 發明（設計）人: 保羅·蒂巴杜;普拉地·庫馬爾
• 申請（專利權）人: 阿肯色大學董事會
• 主分類號: B81B3/00
• 分類號: B81B3/00;F03G7/08;H01L41/113;H02N2/18
• 代理公司: 北京柏杉松知識產權代理事務所(普通合伙) 11413
• 代理人: 謝攀;劉繼富

本發明提供了能量收集裝置和傳感器及其制造和使用方法。所述能量收集裝置可包括：設置在基板上的膜，其中所述膜包含二維(2D)材料和一個或多個波紋；以及以電、磁和/或機械的方式耦接至所述膜和/或所述基板的部件，使得所述部件構造為用于收集來自所述膜的能量。所述傳感器可包括：設置在基板上的膜，其中所述膜包含二維材料和一個或多個波紋；以及以電、磁和/或機械的方式耦接至所述膜和/或所述基板的部件，使得所述部件構造為用于檢測來自所述膜的信號。

本專利申請要求于2016年12月22日提交的美國臨時專利申請No.62/438,327的優先權和權益，該美國臨時專利申請據此全文以引用方式并入本文。

技術領域

本發明所公開的技術整體涉及能量收集裝置和傳感器及其制造和使用方法。

背景技術

振動能量收集是捕獲來自外部振動源(例如車輛、機器、建筑物和人體運動)的振動能量的實踐。然后，所捕獲的能量可用于各種應用。在某些振動能量收集方法中，一個板固定在一端，當它被激發時，將在兩個末端之間上下振動。通過在兩個末端之間彎曲和振蕩，在板表面上形成的應變/應力可用于產生能量。即使在機械安靜的環境中，原子尺度的振動也普遍存在。這是由于材料保持在絕對零度以上的某個溫度，這種振動被稱為熱振動。正是關于這些及其他考慮事項，介紹了下面描述的各種實施例。

發明內容

根據本發明所公開的裝置和方法的目的，如本文所體現和廣泛描述的，本發明所公開的主題涉及能量收集裝置和傳感器及其制造和使用方法。

能量收集裝置和傳感器可包括膜，該膜包含設置在基板上的二維(2D)材料，其中膜包含一個或多個波紋。二維材料可例如包括石墨烯、MoS₂、MoSe₂、WS₂、WSe₂、ReS₂、ReSe₂或其組合。在某些實例中，二維材料可包括石墨烯。膜可例如具有0.3納米(nm)至3.0nm的平均厚度。膜可例如具有0.1微米至100微米的平均橫向尺寸。在一些實例中，膜可具有0.0N/m至10.0N/m的單位長度張力。所述一個或多個波紋可例如具有1nm至100nm的平均長度。在一些實例中，所述一個或多個波紋可具有0.1nm至2.0nm的平均高度。

基板可例如包含銅、硅、藍寶石或其組合。在一些實例中，基板可包含網格，該網格包含一個或多個開孔。

能量收集裝置進一步包括以電、磁和/或機械的方式耦接至膜和/或基板的部件，使得該部件構造為用于收集來自膜的能量。

在一些實例中，基板導熱并且膜與基板熱接觸，其中基板的熱能被轉換為膜的振動，使得膜具有振動能量，并且部件構造為用于將膜的振動能量轉換為電能、磁能和/或機械能，從而收集來自膜的能量。在一些實例中，熱能可包括環境熱能。在一些實例中，膜可具有振動能量，并且部件構造為用于將膜的振動能量轉換為電能、磁能和/或機械能，從而收集來自膜的能量。在一些實例中，振動能量包括環境振動能量。振動能量可例如包括具有0.1毫赫(mHz)至10千兆赫(GHz)的頻率的振動。

在一些實例中，能量收集裝置可構造為使得所述一個或多個波紋中的每個可產生1皮瓦(pW)至100pW的功率。在一些實例中，能量收集裝置可具有1W/m²至100,000W/m²的功率密度。

在一些實例中，膜可具有電荷，并且部件包括設置在膜的周圍并且電耦接至膜的電容器，其中電容器構造為用于將荷電膜的振動能量轉換為交流電流，從而收集來自膜的能量。在一些實例中，裝置可進一步包括二極管橋式電路以將交流電流轉換為直流電流。裝置可例如進一步包括電耦接至二極管橋的電容器，使得直流可對電容器充電，從而存儲由荷電膜的振動能量產生的電荷。