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CN114902526A - 来自微小源的能量生成 - Google Patents

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CN114902526A CN202080091530.5A CN202080091530A CN114902526A CN 114902526 A CN114902526 A CN 114902526A CN 202080091530 A CN202080091530 A CN 202080091530A CN 114902526 A CN114902526 A CN 114902526A
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Celtro LLC
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Abstract

本发明公开了一种用于收集纳库仑范围及以下的微小电荷的装置，该装置包括由n个电容器和2n个开关(n∈N)构建的至少一个电容器堆叠、该电容器堆叠外部的至少一个另外电容器作为缓冲电容、至少两个附加开关和DC输入源。n个电容器专用于由DC输入源一个接一个地依序充电，其中电容器堆叠中的2n个开关将n个电容器依序地耦合到DC输入源。至少一个另外电容器专用于一次性地从电容器堆叠的n个电容器充电。此外，本发明公开了一种用于小电荷收集的方法，该方法包括以下步骤：通过选择性地闭合开关将电容器一个接一个地耦合到DC输入源来依序地给至少一个电容器堆叠的n个电容器充电；和将电容器堆叠的n个电容器放电到电容器堆叠外部的至少一个另外电容器中(n∈N)。附加地，公开了使用根据本发明的装置或方法从具有几毫伏电位的源收集电荷的用途。

Description

来自微小源的能量生成
技术领域
本发明公开了一种用于收集纳库仑范围及以下的微小电荷的装置，所述装置包括由n个电容器和2n个开关(n∈N)构建的至少一个电容器堆叠、所述电容器堆叠外部的至少一个另外电容器(further capacitor)作为缓冲电容、至少两个附加开关和DC输入源。n个电容器专用于由DC输入源一个接一个地依序充电，其中电容器堆叠中的2n个开关将n个电容器依序地耦合到DC输入源。至少一个另外电容器专用于一次性地从电容器堆叠的n个电容器充电。此外，本发明公开了一种用于小电荷收集的方法，所述方法包括以下步骤：通过选择性地闭合开关将电容器一个接一个地耦合到DC输入源来依序地给至少一个电容器堆叠的n个电容器充电；和将电容器堆叠的n个电容器放电到电容器堆叠外部的至少一个另外电容器中(n∈N)。附加地，公开了使用根据本发明的装置或方法从具有几毫伏电位的源收集电荷的用途。
背景技术
由于便携式电子设备(例如手机、手持计算装置、无线传感器、远程监控应用、医疗装置等等)的快速小型化，可靠电源的可用性仍然是一个重要的技术问题。电池经常被用作电源，但它们总是带来再充电或更换的需要。在越来越多的应用中，电池的再充电或更换在经济上和逻辑上是不切实际的、费力的或潜在危险的。
例如，电池用作起搏器中的电源供应。如果电池的使用寿命结束，则必须再充电，或甚至由新电池更换。传统的再充电系统使用例如磁感应(US 3867950 A1)或太阳能电池(US 2009326597 AA)。这些系统的缺点是必须使用患者体外的附加技术装置来给起搏器充电，这仍然需要检查起搏器的性能状态，并在必要时由技术人员或患者执行电池充电程序。该程序通常对患者不利。
另一个方面是人们越来越感兴趣的所谓的物联网(Internet of Things,IoT)。IoT描述了相互关联的提供有唯一标识符的计算装置、机械机器和数字机器、物体、动物或人的系统，此类唯一标识符能够在无需人人交互或人机交互的情况下在网络上传输数据。当然，这些唯一标识符需要无线电源供应，如果不需要由外部电源(例如电源输出口)再充电或甚至不需要更换电源供应，则这是非常理想的。
因此，为这样的应用提供不需要由外部电源(如电源输出口)再充电或更换的电源供应将具有很高的经济利益。这将使此类应用独立于外部电源。此外，在电池再充电或更换不方便或甚至对用户有潜在危险的情况下，如在心脏起搏器的情况下，可以向更高的安全性迈出重要一步。
发明内容
因此，本发明的目的是克服现有技术的上述缺点并提供一种可以用作电源并且不必由外部电源再充电或更换的装置。
因此，本发明提供了一种从电能源(例如从周围环境)收集可以为便携式电子设备提供电源的量的小电荷的装置和方法，其中电能源的小电压水平本身太低而不能用作用于任何类型便携式电子设备的电源。本发明把如生物电信号、无线电信号、热源或振动的电能源作为目标，这意味着电能电压水平在几毫伏的范围内。
本发明提供了一种用于电荷收集的装置，所述装置包括：
·由n个电容器和2n个开关构建的至少一个电容器堆叠；
·至少一个电容器堆叠外部的至少一个另外电容器作为缓冲电容器；
·至少一个电容器堆叠外部的至少两个附加开关；
·DC输入源；
·CMOS逻辑器件；
其中，至少一个电容器堆叠的2n个开关将n个电容器选择性地耦合到DC输入源；
其中，至少一个电容器堆叠的n个电容器专用于由DC输入源一个接一个地依序充电；
其中，至少一个电容器堆叠外部的至少一个另外电容器专用于一次性地从电容器堆叠的n个电容器充电；并且
其中，n∈N。
此外，本发明提供了一种用于电荷收集的方法，利用由n个电容器和2n个开关构建的至少一个电容器堆叠、电容器堆叠外部的至少一个另外电容器作为缓冲电容器、至少两个附加开关和DC输入源，所述方法包括以下步骤：
·通过选择性地闭合开关将电容器一个接一个地耦合到DC输入源来给电容器堆叠的n个电容器依序充电；
·将电容器堆叠的n个电容器放电到电容器堆叠外部的至少一个另外电容器中；
其中，n∈N。
附加地，公开了使用根据本发明的装置或根据本发明的方法从具有几毫伏电位的源收集电荷的用途。
详细描述
根据本发明的装置包括至少一个DC输入源。DC输入源具有几毫伏的电位。优选地，DC输入源的电位在1mV和100mV之间，更优选在1mV和50mV之间，最优选在1mV和10mV之间。
具有该范围内的电位的合适能量源例如是生物电信号、无线电信号、热源或振动。在本发明的一个实施方案中，来自神经电位的生物电信号被用作DC输入。神经细胞的生物电信号典型地具有60mV的电位、和20至200kOhm的内阻。
在本发明的优选实施方案中，该装置专用于收集纳库仑范围及以下的小电荷。
此外，根据本发明的装置包括至少一个电容器堆叠，其中该电容器堆叠由n个电容器和2n个开关构建，其中n∈N。电容器堆叠可以包括可被构造性容纳的尽可能多的电容器。在本发明的一个实施方案中，n在2和20之间，更优选在2和14之间。电容器堆叠的n个电容器专用于由DC输入源一个接一个地依序充电。
以每个电容器由DC输入源一个接一个地依序充电的方式，电容器堆叠的2n个开关选择性地将n个电容器耦合到DC输入源。开关的控制和排序从微电子学常见的常用CMOS逻辑器件生成。
至少一个另外电容器位于电容器堆叠外部，用作缓冲电容器。根据本发明，至少一个另外电容器专用于一次性地从至少一个电容器堆叠的n个电容器充电。在本发明的优选实施方案中，该装置包括电容器堆叠外部的一个另外电容器作为缓冲电容器。在本发明的另一优选实施方案中，该装置包括电容器堆叠外部的两个另外电容器作为缓冲电容器。
此外，该装置包括电容器堆叠外部的至少两个附加开关。在本发明的优选实施方案中，该装置包括电容器堆叠外部的两个附加开关。附加开关专用于选择性地将电容器堆叠耦合到电容器堆叠外部的至少一个另外电容器或耦合到另外电容器堆叠。
在另一优选实施方案中，该装置包括电容器堆叠外部的四个附加开关。优选地，如果该装置包括至少一个电容器堆叠外部的第一另外电容器和至少一个电容器堆叠外部的第二另外电容器，则该装置包括至少一个电容器堆叠外部的四个附加开关。在该实施方案中，两个附加开关专用于选择性地将至少一个电容器堆叠连接到电容器堆叠外部的第一另外电容器，并且另外两个附加开关专用于选择性地将至少一个电容器堆叠连接到电容器堆叠外部的第二另外电容器。
相应地，在一个优选实施方案中，根据本发明的装置包括电容器堆叠外部的两个另外电容器作为至少一个电容器堆叠外部的缓冲电容器、以及至少一个电容器堆叠外部的四个附加开关。
从作为堆叠的物理构造来看，电容器堆叠的n个电容器全部电串联地连接。此外，在本发明的一个实施方案中，至少一个电容器堆叠包括至少三个导电板，其中导电板具有顶侧和底侧，并且其中至少一个导电板的顶侧是第一电容器的一部分，所述至少一个导电板的底侧是相邻的另外电容器的一部分。此外，电容器堆叠以构建电容器的方式在导电板之间包括绝缘材料。
在本发明的优选实施方案中，具有n个电容器的电容器堆叠包括m＝n+1个导电板。根据本发明，第一导体n＝1构建在第一导电板(m＝1)的底侧与第二导电板(m＝2)的顶侧之间。相邻导体(n＝2)构建在第二导电板(m＝2)的底侧与第三导电板(m＝3)的顶侧之间，以此类推。
根据本发明构建的电容器的电容非常广泛，范围从1nF降到1fF甚至更低。该电容取决于板的几何特征和板之间采用的介电材料。
根据本发明，以具有n个电容器的电容器堆叠布置导体具有以下优点：意味着板m＝2至m＝n的内部导电板对堆叠的外部不形成寄生电容或仅形成非常小的寄生电容。寄生电容在本领域中是众所周知的。寄生电容产生在电容器与周围环境的界面处，并且是不需要的，因为在电容器的每个充电周期都不得不给寄生电容充电。这个过程降低了电容器的充电效率，并因此降低了电容器的结束充电电压。相应地，在现有技术中，每个电容器都有两个与周围环境的界面，因此有两个产生寄生电容的界面。
根据本发明的电容器堆叠能够提供n个电容器，其中只有第一个和最后一个电容器具有与周围环境的实质性界面。因此，有利地，仅在这两个界面处会形成寄生电容。相应地，增加了电容器堆叠的n个电容器的充电效率以及结束充电电压。
此外，在本发明的优选实施方案中，所有电容器都电串联地连接。
在本发明的一个优选实施方案中，该装置是集成电路，其中开关被实施为晶体管，并且电容器由来自集成电路技术的导电板实施。
优选地，导电板由选自包括金属或多晶硅或来自集成电路技术的任何其他导电材料的组的材料制成。合适的金属是铜和铝和钨。
在本发明的一个实施方案中，绝缘材料选自包括SiO2、SiN和Hf2O及其堆叠物的组。
如上所述，如果电容器堆叠要存储所施加的电荷，则电容器堆叠在内部几乎是完美的，因为场被很好地限制在内部。不幸的是，在第一个和最后一个导电板处仍然会形成一些寄生电容。为了不损失存储在那些外部寄生电容中的能量，根据本发明，可以应用电感器来执行谐振电路配置中的中间存储。
相应地，在本发明的一个实施方案中，该装置附加地包括电感器。
优选地，小电感器被单片集成在集成电路中。根据本发明，开关频率被选择得足够高，使得寄生电容器和电感的谐振频率等于电容器堆叠的总充电/放电周期时间的倒数。此外，电容器堆叠的充电/放电时序应被调整为近似正弦曲线。
当100个绕组将缠绕在25mm2大小的典型芯片周围时，集成电路中的实际电感值将在1-10μH范围内。对于典型的电容器堆叠，寄生电容器值将在1-10pF之间的范围内。对于此设置发现，谐振频率将在10-200MHz之间。因此，电容器堆叠中的电容的充电频率将不得不高2n倍。
在另一优选实施方案中，该装置包括多个电容器堆叠，其中每个电容器堆叠都专用于给另一个电容器堆叠充电，并且一个电容器堆叠专用于给该电容器堆叠外部的至少一个另外电容器充电。因此，可以实现根据本发明的依序小电荷收集的级联。
多个电容器堆叠优选地由电容器堆叠外部的开关连接，最优选地总是两个电容器堆叠由电容器堆叠外部的两个开关连接。在本发明的一个实施方案中，该装置包括x个电容器堆叠和2x个电容器堆叠外部的开关。在本发明的一个实施方案中，该装置包括1至20个电容器堆叠，优选5至15个，最优选13至15个，因为这是在当前半导体生产技术的能力范围内的。
然而，另外电容器堆叠的充电频率比第一电容器堆叠的充电频率慢n倍(n是第一电容器堆叠中的电容器的数量)。原则上，第一电容器堆叠的n个电容器由DC输入源一个接一个地充电。之后，第一电容器堆叠的n个电容器立即被放电到另外电容器堆叠的一个电容器。在另外电容器堆叠由k个电容器构建的情况下，则需要k个充电周期来给另外电容器堆叠的k个电容器一个接一个地充电。如果另外电容器堆叠的所有电容器都被充电，则它们立即被放电到电容器堆叠外部的另外电容器。总的来说，整个放电发生的频率比第一电容器堆叠的充电频率低k·n倍。第二堆叠的最大电压是DC输入源的馈电电压的k·n倍。例如，在DC输入源处为10mV、并且在各电容器堆叠上均有10个电容器的情况下，作为输出最大可以实现1V。
根据本发明，每个另外电容器堆叠专用于由来自另一个电容器堆叠的正电压或负电压馈电。因此，连接电容器堆叠的电容器堆叠外部的开关必须相应地排序。如果第一电容器堆叠提供正电荷或负电荷，则第二电容器堆叠的充电必须相应地进行。
如果来自神经电位的生物电信号被用作小电荷的源，则根据本发明的装置提供与神经细胞接触的针或针床作为DC输入源。因此，根据本发明的装置能够从组织中的多个细胞收集低电荷。根据本发明，针床的针彼此绝缘并通过焊接凸点连接到后侧。集成电路理想地在同一位置处具有焊接凸点，使得可以从针到集成电路上的输入形成连接。该输入用作根据本发明的DC输入源。
相应地，在本发明的优选实施方案中，DC输入源是与神经细胞接触的针或针床，其中针床的针彼此绝缘并通过焊接凸点连接到后侧。如上所述，针床的一根或多根针通过焊接凸点连接到电容器堆叠。
由于半导体电路技术是可容易地扩展的，根据本发明的装置可以容易地增加到针床的针数。优选地，针床具有2-2000根针，更优选50-1500根针，并且最优选100-1000根针。在本发明的优选实施方案中，根据本发明，集成电路设有与针床的针数相同数量的装置。
因此，在本发明的另一优选实施方案中，DC输入源为与神经细胞接触的针床，其中针床的每根针都通过焊接凸点连接到电容器堆叠。
在本发明的实施方案中，开关的排序从微电子学常见的常用CMOS逻辑器件生成。为了使CMOS逻辑器件起作用，需要几百毫伏的电压。典型的现有半导体技术在1伏左右或略低于1伏下运行。由于根据本发明的装置在源处从几毫伏开始收集能量，因此该电压太低而不能运行CMOS逻辑器件。
然而，在收集和级联之后，可以获得1伏域的电压，这足以运行CMOS逻辑器件。出于这个原因，需要一个启动电路，以确保该逻辑可以被供电，并且开关被运行以执行从微小源收集能量。
为此，提出经由线圈的磁耦合。外线圈用交流电激励，从而产生交变磁场。通过该场，启动能量被传输到集成电路上的线圈，该线圈使启动能量复收。
在本发明的优选实施方案中，该装置附加地包括线圈，该线圈专用于通过与另一个线圈的磁耦合来接收启动能量。
本发明的另一方面涉及一种用于收集电荷的方法，特别是用于收集纳库仑范围及以下的小电荷。根据本发明的优点和有利的实施方案也适用于根据本发明的方法，反之亦然。
此外，本发明提供了一种用于电荷收集的方法，该方法利用由n个电容器和2n个开关构建的至少一个电容器堆叠、所述电容器堆叠外部的至少一个另外电容器作为缓冲电容器、至少两个附加开关和DC输入源，该方法包括以下步骤：
·通过选择性地闭合开关将电容器一个接一个地耦合到DC输入源
来给电容器堆叠的n个电容器依序充电；
·将电容器堆叠的n个电容器放电到电容器堆叠外部的至少一个另外电容器中；
其中，n∈N。
在本发明的优选实施方案中，纳库仑范围及以下的小电荷被收集。
在本发明的方法的优选实施方案中，电容器堆叠的n个电容器在n个充电周期中一个接一个地依序充电，并且电容器堆叠的n个电容器在第n+1个周期中立即被放电到电容器堆叠外部的至少一个另外电容器中。
从根本上说，电容器堆叠的电容器可以按任何顺序充电。然而，为了减少在与周围环境的界面处产生的寄生电容的再充电，提出了以下充电方案。根据本发明的优选实施方案，电容器堆叠的n个电容器在n个充电周期中一个接一个地依序充电，其中第一电容器被充电，之后，第一电容器附近的电容器被充电，之后，之前充电的电容器附近的电容器被充电，直到所有n个电容器都被充电。
如果电容器堆叠的所有电容器都被充电，则该电容器堆叠的电容器立即全部放电到电容器堆叠外部的至少一个另外电容器中。这通过选择性地闭合电容器堆叠的开关和电容器堆叠外部的开关来进行。
在本发明的另一实施方案中，可以进行对电容器堆叠的双极性充电。从根本上说，电容器堆叠的各电容器均可以被充电至正电压或负电压，这取决于电容器的哪个板接地。如已经描述的，电容器堆叠中的电容器按顺序负载。当一个板接地时，另一个板被充电到输入电压的一部分。这意味着，当前接地板上方的电容器堆叠中的电容器被推至正电压，而当前接地板下方的板被推至负电压。因此，通过以适当的方式闭合电容器堆叠内部的开关，电容器堆叠的电容器可以被充电至正电压或负电压，从而选择电容器堆叠中的各电容器的接地板。
如果进行电容器堆叠的双极性充电，则优选地电容器堆叠外部的两个另外电容器被用作缓冲电容器。在本发明的该实施方案中，至少一个电容器堆叠首先用正电压充电，并且在电容器堆叠中的所有电容器都被充电之后，电容器堆叠的所有电容器都被放电到电容器堆叠外部的第一另外电容器中。之后，电容器堆叠的电容器用负电压充电，并且在电容器堆叠中的所有电容器都被充电之后，电容器堆叠的所有电容器都被放电到电容器堆叠外部的第二另外电容器中。
由于在与周围环境的界面处产生的寄生电容也不得不在各充电程序被充电，因此总是给相邻电容器充电而不是在电容器堆叠中的电容器之间“跳来跳去”是最有利的。因此，如果进行电容器堆叠的双极性充电，则电容器堆叠的电容器被依序充电，n个电容器被放电到电容器堆叠外部的第一另外电容器中，之后，电容器堆叠的n个电容器以相反的顺序被依序充电，并且在n个电容被充电之后，n个电容器被放电到电容器堆叠外部的第二另外电容器中。
因此，在本发明的优选实施方案中，在电容器堆叠的n个电容器被依序充电之后，n个电容器被放电到电容器堆叠外部的第一另外电容器中，之后，电容器堆叠的n个电容器以相反的顺序被依序充电，并且在n个电容器被充电后，n个电容器被放电到电容器堆叠外部的第二另外电容器中。
根据本发明，电容器堆叠的n个电容器可以立即被放电到另外电容器堆叠的一个电容器中。
第二电容器堆叠的充电顺序源自第一堆叠并与第一堆叠的时序耦合。代替将第一电容器堆叠放电到缓冲电容中，第一电容器堆叠被放电到形成第二电容器堆叠的电容器中的一个中。从根本上说，该电容器中的一个可以是第二电容器堆叠的电容器中的任一个，但实际上第二电容器堆叠的充电应遵循已经描述的相同方法。这意味着电容器堆叠的电容器的充电应通过给相邻电容器充电来进行。由于第二电容器堆叠也被负载有一些对外部的寄生电容，因此如描述地依序地给第二堆叠充电将使流入寄生电容的电荷在各步骤均保持最小。
放电电路的实施方案之一是双极性设置。这允许根据顺序用负电荷和正电荷给第二电容器堆叠充电。当负电荷被转移到第二电容器堆叠时，必须小心，晶体管开关被操作以使该堆叠上的电荷以相反的极性添加，使得该电荷在第二电容器堆叠上累积而不是被减去。
并行化根据本发明的依序电荷收集，能量收集成倍增加，因此装置的输出功率增加。
附图说明
本发明通过13幅附图和三个实施例进一步描述。
图1示出了电容器堆叠的电容器；
图2显示了具有对地的寄生电容的通用MIM电容；
图3A和图3B显示了包括电感器的电容器堆叠；
图4显示了作为DC输入源的针床；
图5显示了包括附加线圈的装置；
图6示出了包括两个电容器堆叠的装置；
图7显示了用于电容器堆叠的3个电容器的充电和放电的电路；
图8显示了用于电容器堆叠的n个电容器的充电和放电的电路(A)、以及开关的时序(B)；
图9显示了用于用负电压给电容器堆叠的3个电容器充电、和给它们放电的电路；
图10显示了用于用负电压或正电压给电容器堆叠的3个电容器充电、和给它们放电的电路；
图11显示了在用负电压和正电压给电容器堆叠的3个电容器充电和给它们放电期间的开关的时序(A)和电容的电压的简化时序(B)；
图12显示了用于用正电压给电容器充电的具有集成晶体管的电路(A)、和用于用正电压或负电压给电容器充电的具有集成晶体管的电路(B)；
图13显示了电容器堆叠的双极性放电。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的电容器堆叠的结构。M1到Mn+1是由绝缘材料层I1到In分开的导电板。由此，第一电容器C1由导电板M1的底侧、绝缘材料层I1和导电板M2的顶侧构建。相邻电容器C2由导电板M2的底侧、绝缘材料层I2和导电板M3的顶侧构建。其他电容器以相同方式构建直至由导电板Mn的底侧、绝缘层In和导电板Mn+1的顶侧构建的电容器Cn。由此，通过使用根据本发明的电容器堆叠，仅导电板M1的顶侧和导电板Mn+1的底侧具有将产生寄生电容的与周围环境的实质性界面。
图2示出了根据现有技术的MIM电容器的结构。导电板M2和M1由绝缘材料层I1分开，从而形成电容器C1。导电板M2的顶侧具有与周围空气的界面，从而产生寄生电容CA。此外，导电板M1的底侧具有与绝缘体1和衬底2的界面。在MIM电容器的情况下，绝缘体1由SiO2制成，并且衬底2由硅制成。同样，在该界面处，产生寄生电容CS。根据现有技术，在每个电容器处都产生两个降低电容器充电效率的寄生电容。
通过使用根据本发明的电容器堆叠的设计，增加了充电效率。电容器堆叠由n个电容器构建，其中电容器堆叠包括至少三个导电板，其中至少一个导电板是第一电容器的一部分，该导电板的底侧是相邻第二电容器的一部分。通过使用该设计，针对电容器堆叠中的每个电容器，不再产生因与周围环境的界面而形成的寄生电容。取而代之的是，产生两个实质性寄生电容，即一个在电容器堆叠的顶部导电板与周围环境的界面上产生，而另一个在电容器堆叠的底部导电板与周围环境的界面处产生。
为了不损失存储在由电容器堆叠与周围环境构建的寄生电容器中的能量，在一个实施方案中，本发明包括电感器，如图3(A)和图3(B)所示。图3(A)示出了具有典型分层设计的电容器堆叠，其中M1到Mn+1是导电板，I1到In是绝缘材料层。连接到电容器堆叠的是电感器3。图3(B)示出了在一个寄生电容器4和电感器3作为电路一部分时从作为一个整体的电容器堆叠产生的寄生电容。
在本发明的一个实施方案中，与神经细胞接触的针或针床被用作DC输入源。图4显示了由多个针10形成的针床，多个针10由针支撑件11固定。每根针10通过凸点12连接到电容器堆叠。在使用集成电路的情况下，电容器堆叠被布置在微芯片13上。根据本发明的设计能够从多个神经细胞采收能量。
为了确保装置的CMOS逻辑器件可以工作，需要启动电路以给CMOS逻辑器件供电。因此，在本发明的一个实施方案(图5中示出的)中，该装置附加地包括线圈22，该线圈22专用于通过与另一个外部线圈21的磁耦合来接收启动能量，由此外部线圈21连接到AC电压源20。线圈22以CMOS逻辑器件可以用磁场上的能量供电、从而为启动提供能量的方式连接到装置的其他部件23。
图6显示了本发明的实施方案，其中该装置包括两个电容器堆叠31、32。电容器堆叠的电路如灰色框30、33所示。第一电容器堆叠31由针10从神经细胞源UB收集的小电荷充电，其中神经组织具有电阻R。电容器堆叠的电容器根据本发明充电，直至电容器堆叠31的所有电容器都被充电。第一电容器堆叠31通过开关E1和E2连接到第二电容器堆叠32以及第二电容器堆叠的电路33。如果E1和E2闭合，则电容器堆叠32的一个电容器立即由电容器堆叠31的电容器充电。在接下来的步骤中，电容器堆叠31的电容器再次由源UB充电，并且在电容器堆叠31的所有电容器都被充电之后，通过以适当方式闭合开关E1和E2，电容器堆叠31的所有电容器立即被放电到电容器堆叠32的另外电容器中。重复该充电方案直至电容器堆叠32的所有电容器都被充电。接下来，通过闭合开关E3和E4，电容器堆叠32的所有电容器立即被放电到电容器堆叠外部的另外电容器34中。输出电压被示为UE。优选地，通过总是给相邻电容器充电，电容器堆叠的电容器一个接一个地被充电。自然，如果该装置包括多于两个的电容器堆叠，例如多达20个电容器堆叠，则根据本发明的装置的充电和放电方案以类似方式使用。
图7示出了装置的一个实施方案的电路。在该实施方案中，该装置包括一个电容器堆叠、电容器堆叠外部的两个附加开关E1和E2、电容器堆叠外部的一个另外电容器CA和DC输入源UB，该电容器堆叠由三个电容器C1、C2、C3以及开关LB1、LB2、LB3、LM1、LM2和LM3构建。作为DC输入源UB，使用从神经细胞收集小电荷的针10，神经组织的电阻被示为R。电容器全部根据本发明堆叠并依序充电。电容器C1通过同时闭合开关LB1和LM1来充电。然后，开关打开，C2通过闭合开关LB2和LM2来充电。在第三个周期中，开关LB3和LM3闭合以给电容器C3充电。通过闭合E1和E2实现了将电容器堆叠的泵升电压放电到一个另外电容器CA中。因此，电容器CA由电容器堆叠(C1、C2、C3)的电容器一次性充电，并用作缓冲电容器。图3的电路需要比电容器堆叠中的电容器多一个的周期，这意味着在该特定情况下，需要用于C1、C2和C3的充电的3个周期、以及将堆叠放电到电容器CA中的一个附加周期。出口标有附图标记41。
该电路可以以相同的方式用于电容器堆叠中的任何数量的电容器。电容器堆叠中的各附加电容器均必须与两个附加负载开关相辅相成。这也意味着对于电容器堆叠中的各附加电容器，均必须引入附加的负载周期。对于具有表示为C1、C2、C3直至Cn的n个电容器的电容器堆叠，适当的电路显示在图8(A)中。开关的时序示于图8(B)中。该图显示了开关的取决于时间t的状态。开关的闭合状态以方框示出。电容器堆叠中的所有电容器的一个充电周期用附图标记50标记，该充电周期包括将所有电容器放电到电容器堆叠外部的另外电容器中。可以看出，首先开关LB1和LM1闭合以给电容器C1充电。接下来，LB1和LM1打开、并且LM2和LB2闭合以给C2充电，依此类推，直至LBn和LMn闭合以给电容器Cn充电。之后，开关E1和E2闭合以将电容器堆叠的所有电容器立即放电到电容器堆叠外部的另外电容器中。该放电附加地标记有附图标记51。
根据本发明的装置还能够生成负读出电压。因此，使用根据图9的电路。所示装置在电容器堆叠中包括三个电容器(C1、C2、C3)。所有附图标记对应于图8所示电路中已使用的附图标记。为了生成负电压，电容器堆叠的电容器的充电顺序被颠倒。这意味着在这种情况下，首先C3被充电，接下来C2被充电，之后C1被充电。为此，顶板通过闭合E1连接到地。在一个板接地、另一个板被充电到输入电压的一部分的情况下，电容器堆叠中的电容被依序充电。这意味着当前接地板上方的电容器堆叠中的电容被推至正电压，而当前接地板下方的电容被推至负电压。如已经描述的，优选地，电容器堆叠的电容器一个接一个地被充电，其中总是相邻电容器被充电。
来自电容器堆叠的顶部导电板和底部导电板的寄生电容(对装置的寄生电容贡献最大)也不得不在各充电周期中被充电。出于这个原因，总是负载电容器堆叠中的相邻电容器是最有利的。因此，结合正电压和负电压的生成是最有利的。合适的电路示于图10中。在给电容器堆叠的三个电容器C1、C2和C3以此顺序依序充电之后，开关EP1和EP2同时闭合，以将电容器堆叠的电容器放电到电容器堆叠外部的另外电容器44。通过这样做，电容器44被充电到正电压。然后，电容器堆叠的电容器的依序充电被颠倒，这意味着首先C3被充电，接下来C2被充电，之后C1被充电。通过同时闭合开关EN1和EN2，电容器堆叠的电容器被放电到电容器堆叠外部的另外电容器45中，有效地将电容器45充电到负电压。正出口标有附图标记42，负出口标有附图标记43。
在图11(A)中示出了图10所示电路中的开关的时序，并示出了电压的时序(图11(B))。在正充电周期60期间，通过依序闭合LB1、LM1-LB2、LM2-LB3、LM3，电容以C1-C2-C3的顺序充电，然后是放电周期，其中开关EP1和EP2同时闭合。在此之后，通过依序闭合LB3、LM3-LB2、LM2-LB1、LM1，负充电周期以相反的顺序：C3-C2-C1执行，然后通过同时闭合开关EN1和EN2，电容器堆叠的电容器被放电到电容器45中。
图11(B)示出了电压的时序。应该注意的是，这是为了阐述原理而在很大程度上简化的草图。来自图10的电压电位V1到V4被描绘，并与电容器堆叠中的导电板对应。该表现图形假设了电路充电在多次迭代后稳定，使得所有电容器都被充电到满量并且假设了没有输出电流正在分别卸载输出电容器44或45。可以看出，整个电容器堆叠振荡并将来自充电源64的电压扩增了电容器堆叠中的电容器数量的倍数。质量电位由线65示出，电容器44中放掉的电压量用附图标记62标记，而电容器45中放掉的电压量用附图标记63标记。
图7显示了如何使用金属-绝缘体堆叠来构造紧凑型电容器堆叠。鉴于要考虑MOS晶体管的二极管效应，用集成晶体管实施开关元件需要考虑半导体材料中的扩散。图12(A)和图12(B)显示了当用集成晶体管实施开关元件时、用于来自图7的电容器堆叠的充电的部分电路。可以看到规律性，以及将电容器堆叠扩展到n个电容器的能力。电容器堆叠生成正电压以及负电压，这取决于是顶板还是底板接地。有两种机制来确保未选择的晶体管不会打开。
图12(A)采用了堆叠中最正电位与最负电位之间的栅极电压。此外，当使用体技术时，(N型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管的)所有p衬底都必须连接到电路中的最负电压，否则源/体或漏/体二极管动作可能会干扰功能性。对于绝缘体上硅(SOI)技术和全耗尽型绝缘体上硅(FDSOI)技术，由于没有体二极管，因此不存在这种限制。
在图12(B)中，正电压和负电压都在使用。这里NMOS晶体管的栅极在0和正电源之间切换，而PMOS晶体管的栅极在0和负电源之间切换。这样，到电容器堆叠的非选定路径在未连接的情况下总是打开的。选定路径将正电源放到NLn和NMn，而PLn和PMn接收负电源电压。
放电从电容器堆叠的顶板和底板发生，在此可以发现各个电容器电压的总和。正电压或负电压的放电取决于是顶部导电板还是底部导电板接地。合适的放电电路描绘在图13中。
在底部导电板通过PM1接地的情况下，电容器堆叠的顶部导电板通过PE1连接到电容器堆叠外部的缓冲电容器CP。PM1和PE1在它们的栅极连接到负电源(VNN)时都被激活。为了阻断通过这些晶体管的路径，栅极都被拉到正电源(VPP)。
为了读出负电压，顶部导电板通过NM2接地，底部导电板通过NE2连接到电容器堆叠外部的缓冲电容器CN。两个NMOS晶体管在它们的栅极电压被拉到正电源VPP时都被激活。为了阻断，两个栅极电位都被拉到负电源(VNN)。
实施例1
根据本发明的装置连接到10mV的输入电压源，该装置具有一个包括9个电容器的电容器堆叠。电压源的内阻为100kOhm。电容器堆叠的每个电容器都具有100pF的电容，并被充电至90％。用于充电一个电容器的周期时间为25μs。9个电容器的堆叠通常需要250μs的周期时间(9个充电周期+1个25μs的放电周期)。10mV的输入生成81mV的输出。这是被应用于采收生物电能的一种设置。
实施例2
包括两个电容器堆叠的根据本发明的装置连接到10mV的输入电压源。各电容器堆叠均包括10个具有100pF电容的电容器。根据本发明，电容器堆叠的电容器一个接一个地被充电至100％，这是最大效率。因此，第一堆叠的每个电容器都被充电到10mV。在第一电容器堆叠的所有电容器都被充电之后，第一电容器堆叠的所有电容器都被放电到第二电容器堆叠的顶部电容器中。因此，第二电容器堆叠的顶部电容器被充电到100mV。接下来，第一电容器堆叠的电容器一个接一个地再次各自被充电到10mV。随后，第一电容器堆叠的所有电容器都被放电到第二电容器堆叠的另外电容器中，由此第二电容器堆叠的另外电容器是第二电容器堆叠的之前充电的电容器的相邻电容器。重复该方案直至第二电容器堆叠的所有电容器都被充电。之后，第二电容器堆叠的所有电容器都被放电到电容器堆叠外部的缓冲电容器中。通过这种方法，实现了1V的最大输出。该实施例显示了一种实施方案，其中电荷收集的级联生成了比初始输入源提供的电压显著更高的电压。
实施例3
使用与实施例2中描述的相同的装置，第一和第二电容器堆叠中的各电容器的充电效率均为50％。使用10mV的输入电压源，实现了250mV的输出电压。当缩短充电时间以使电容器被不完全充电时提供该实施方案。
附图标记列表
C1,C2,C3,…,Cn 电容器
I1,I2,I3,…In 绝缘材料
M1,M2,M3,…,Mn,Mn+1 导电板
CA,CS 电容
1 绝缘体
2 衬底
3 电感器
4 电容器
10 针
11 针支撑件
12 凸点
13 微芯片
20 AC电压源
21 外部线圈
22 线圈
23 装置的部件
UB 电压源
R 电阻
30,32 电容器堆叠的电路
31,32 电容器堆叠
UE 输出电压
LB1,LB2,LB3,…,LBn 开关
LM1,LM2,LM3,…,LMn 开关
E1,E2 开关
41 出口
50 充电周期
51 放电到另外电容器中
EN1,EN2,EP1,EP2 开关
42 正出口
43 负出口
44,45 电容器
60 正充电周期
61 负充电周期
62,63 放掉的电压
64 充电源的电压
65 质量电位
L1,L2,L3,…,Ln 晶体管
NL1,NL2,NL3,…,NLn 晶体管
NM1,NM2,NM3,…,NMn 晶体管
PL1,PL2,PL3,…,PLn 晶体管
L1N,L2N,L3N,…,LnN 晶体管
PM1,PM2,PM3,…,PMn 晶体管
PE1,NE1 晶体管
IN_Bio 电压源
CS_Top 顶板电位
CS_Bottom 底板电位
VPP 正电源
VNN 负电源
VP_Plus 正输出电压
VN_Minus 负输出电压

Claims (15)

1.一种用于电荷收集的装置，所述装置包括：
·由n个电容器和2n个开关构建的至少一个电容器堆叠；
·所述至少一个电容器堆叠外部的至少一个另外电容器作为缓冲电容器；
·所述至少一个电容器堆叠外部的至少两个附加开关；
·DC输入源；
·CMOS逻辑器件；
其中，所述至少一个电容器堆叠的2n个开关将所述n个电容器选择性地耦合到所述DC输入源；
其中，所述至少一个电容器堆叠的n个电容器专用于由所述DC输入源一个接一个地依序充电；
其中，所述至少一个电容器堆叠外部的至少一个另外电容器专用于一次性地从所述电容器堆叠的n个电容器充电；并且
其中，n∈N。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电容器堆叠包括至少三个导电板，其中，所述导电板具有顶侧和底侧；并且
其中，至少一个导电板的顶侧是电容器的一部分，所述至少一个导电板的底侧是相邻电容器的一部分。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置是集成电路，其中，开关被实施为晶体管，电容器由来自集成电路技术的导电板实施。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括：所述电容器堆叠外部的两个另外电容器作为所述至少一个电容器堆叠外部的缓冲电容器；以及所述至少一个电容器堆叠外部的四个附加开关。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置附加地包括电感器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括多个电容器堆叠，其中，每个电容器堆叠专用于给另一个电容器堆叠充电，并且一个电容器堆叠专用于给所述电容器堆叠外部的至少一个另外电容器充电。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述DC输入源是与神经细胞接触的针或针床，其中，所述针床的针彼此绝缘并通过焊接凸点连接到后侧。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述DC输入源为与神经细胞接触的针床，其中，所述针床的每根针通过焊接凸点连接到电容器堆叠。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置附加地包括线圈，所述线圈专用于通过与另一个线圈的磁耦合来接收启动能量。
10.一种用于电荷收集的方法，利用由n个电容器和2n个开关构建的至少一个电容器堆叠、所述电容器堆叠外部的至少一个另外电容器作为缓冲电容器、至少两个附加开关和DC输入源，所述方法包括以下步骤：
·通过选择性地闭合开关将电容器一个接一个地耦合到DC输入源来给电容器堆叠的n个电容器依序充电；
·将电容器堆叠的n个电容器放电到电容器堆叠外部的至少一个另外电容器中；
其中，n∈N。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述电容器堆叠的n个电容器在n个充电周期中一个接一个地依序充电，并且所述电容器堆叠的n个电容器在第n+1个周期中立即被放电到所述电容器堆叠外部的至少一个另外电容器中。
12.根据权利要求10-11中任一项所述的方法，其特征在于，所述电容器堆叠的n个电容器在n个充电周期中一个接一个地依序充电，其中，第一电容器被充电，之后，所述第一电容器附近的电容器被充电，之后，之前充电的电容器附近的电容器被充电，直到所有n个电容器都被充电。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述电容器堆叠的n个电容器被依序充电之后，所述n个电容器被放电到所述电容器堆叠外部的第一另外电容器中，之后，所述电容器堆叠的n个电容器以相反的顺序被依序充电，并且在所述n个电容器被充电后，所述n个电容器被放电到所述电容器堆叠外部的第二另外电容器中。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的方法，其特征在于，所述电容器堆叠的n个电容器立即被放电到另外电容器堆叠的一个电容器中。
15.根据权利要求1-9中任一项所述的装置或根据权利要求10-14中任一项所述的方法，其特征在于，来自神经电位的生物电信号被用作DC输入。
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