DE102005018321A1

DE102005018321A1 - Capacitive micropower generator for multi-frequency vibration sources

Info

Publication number: DE102005018321A1
Application number: DE200510018321
Authority: DE
Inventors: Gerald Dr. Eckstein; Ingo KÜHNE; Robert Weinke
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2006-11-02
Also published as: WO2006111465A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere ein Mikrosystem, mit einer Einrichtung zur Energieumwandlung. DOLLAR A Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Einrichtung zur Energieumwandlung mindestens eine elektrisch geladene, mechanisch schwingfähige Kondensatoranordnung zur Umwandlung von mechanischer Vibrationsenergie in elektrische Energie und/oder umgekehrt aufweist.The present invention relates to a device, in particular a microsystem, with a device for energy conversion. DOLLAR A The device is characterized in that the means for energy conversion at least one electrically charged, mechanically oscillatable capacitor arrangement for converting mechanical vibration energy into electrical energy and / or vice versa.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.The The present invention relates to a device according to the preamble of the main claim.

Es besteht zunehmender Bedarf an Mikrosystemen in den Bereichen Sensorik, Aktorik sowie in der Datenkommunikation. Derartige Mikrosysteme müssen mit Energie zum Betrieb versorgt werden. Dabei sollen die Mikrosysteme möglichst unabhängig, d.h. autark, sein.It There is an increasing demand for microsystems in the areas of sensor technology, Actuators as well as in data communication. Such microsystems must come with Energy to be supplied to the operation. It should be the microsystems preferably independently, i.e. be self-sufficient.

Es sind herkömmliche autarke Systeme bekannt, die lediglich mittels solarer Energiewandlung betrieben werden. Nachteilig ist dabei, dass alle Anwendungsgebiete, bei denen keine Sonnenenergie nutzbar gemacht werden kann, ausgeschlossen sind. Des Weiteren ergeben sich bei der Nutzung von Sonnenenergie mittels Solarzellen Schwierigkeiten bei der Miniaturisierung und Integrierung in CMOS-Technologie.It are conventional self-sufficient systems known that operated only by means of solar energy conversion become. The disadvantage here is that all fields of application in which no solar energy can be harnessed, excluded are. Furthermore, arise in the use of solar energy using solar cells difficulties in miniaturization and Integration in CMOS technology.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde für eine Vorrichtung, insbesondere für ein Mikrosystem, eine Energieumwandlung auf einfache, wirksame und kostengünstige Weise bereit zu stellen. Die Vorrichtung soll in herkömmliche Halbleitertechnologien integrierbar und im Wesentlichen wartungsfrei sein. Weitere Forderungen sind ein kabelloser Betrieb sowie eine optimale Miniaturisierung der Vorrichtung. Die Vorrichtung soll insbesondere als Sensor, als Aktuator und/oder zur Datenübertragung und/oder als Energiequelle bzw. Generator und/oder als Signalgeber verwendbar sein.Of the Invention is the object of a device, in particular for a Microsystem, an energy conversion in a simple, effective and cost-effective way to provide. The device is intended to be integrated into conventional semiconductor technologies and be essentially maintenance free. Other demands are a wireless operation as well as an optimal miniaturization of the Contraption. The device is intended in particular as a sensor, as an actuator and / or for data transmission and / or as an energy source or generator and / or as a signal generator be usable.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und eine Verwendung gemäß dem Nebenanspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.The The object is achieved by a device according to the main claim and a Use according to the additional claim solved. Further advantageous embodiments can be found in the subclaims.

Die Lösung für die Energieumwandlung liegt darin, aus Vibrationen, welche in der Umgebung der Vorrichtung, insbesondere des Mikrosystems, vorhanden sind, elektrische Energie und/oder umgekehrt elektrische Energie in mechanische Energie zu wandeln. Mechanische Energie können Vibrationen und/oder Druckschwankungen sein. Eine Energieumwandlung kann aus/in mehreren Frequenzbändern der Vibration mittels parallel angeordneten variablen Kondensatoranordnungen erfolgen.The solution for the Energy conversion is due to vibrations that occur in the environment the device, in particular the microsystem, are present, electrical energy and / or vice versa electrical energy into mechanical To transform energy. Mechanical energy can cause vibration and / or pressure fluctuations be. An energy conversion may consist of / in several frequency bands of the Vibration by means of parallel variable capacitor arrangements respectively.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Kondensatoranordnung als Feder-Masse-System mit einer Resonanzfrequenz derart bereit gestellt, so dass eine dazugehörige Spektrallinie eines Frequenzbandes einer Vibration wirksam nutzbar ist. Diese Spektrallinie ist durch die Frequenz der Vibration bestimmt, die der Resonanzfrequenz der dazugehörigen Kondensatoranordnung entspricht. Diese schwingt damit in Resonanz.According to one advantageous embodiment is a capacitor arrangement as a spring-mass system provided with a resonance frequency such that a associated Spectral line of a frequency band of a vibration effectively usable is. This spectral line is determined by the frequency of the vibration, that of the resonant frequency of the associated capacitor array equivalent. This resonates with it.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Mehrzahl von Kondensatoranordnungen als Feder-Masse-Systeme mit jeweils einer Resonanzfrequenz derart bereit gestellt sind, so dass mindestens eine dazugehörige Spektrallinie eines Vibrationsspektrums wirksam nutzbar ist. Gemäß einer Ausführungsform weisen mehrere oder alle Kondensatoranordnungen dieselbe Resonanzfrequenz auf, so dass die Vorrichtung besonders empfindlich für diese Resonanzfrequenz(en) ist/sind. Gemäß einer anderen Ausführungsform weisen alle Kondensatoranordnungen verschiedene Resonanzfrequenzen auf, so dass auf diese Weise eine Vielzahl von Vibrationsfrequenzen genutzt werden kann. Damit ist die Vorrichtung hinsichtlich deren Empfindlichkeit vielseitiger beziehungsweise mehrfrequent nutzbar.According to one Further advantageous embodiment, a plurality of capacitor arrangements as spring-mass systems each having a resonant frequency such are provided, so that at least one associated spectral line a vibration spectrum is effectively usable. According to one embodiment If several or all capacitor arrangements have the same resonant frequency on, making the device especially sensitive to this Resonant frequency (s) is / are. According to another embodiment all capacitor arrangements have different resonance frequencies, so that used in this way a variety of vibration frequencies can be. This is the device in terms of their sensitivity more versatile or multi-frequency usable.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist/sind die Kondensatoranordnung(en) zur Einstellung der Resonanzfrequenz(en), insbesondere hinsichtlich Masse und/oder Federsteifigkeit, variabel. Einerseits sind die Kondensatoranordnungen als Ganzes durch andere Kondensatoranordnungen mit anderen Resonanzfrequenzen ersetzbar, so dass auf diese Weise die Resonanzfrequenzen verändert und den jeweiligen Vibrationsfrequenzen angepasst werden können. Eine Modulbauweise ist vorteilhaft. Andererseits kann die Anpassung beziehungsweise die Veränderung der Resonanzfrequenz direkt an einer Kondensatoranordnung durch Veränderung deren wirksamen Masse und/oder Federsteifigkeit erzeugt werden. Dazu kann die Kondensatoranordnung diskrete Massebereiche aufweisen, die fixiert werden, so dass lediglich die unfixierte Masse schwingt. Ebenso kann eine Kondensatoranordnung Bereiche mit unterschiedlichen Federsteifigkeiten aufweisen, die gezielt zur Bereitstellung unterschiedlicher Resonanzfrequenzen ausgewählt und aktiviert werden können.According to one Another advantageous embodiment is / are the capacitor arrangement (s) for adjusting the resonant frequency (s), in particular with regard to Mass and / or spring stiffness, variable. On the one hand, the capacitor arrangements are as Whole by other capacitor arrangements with other resonance frequencies replaceable, so that in this way the resonance frequencies changed and can be adapted to the respective vibration frequencies. A Modular design is advantageous. On the other hand, the adaptation or the change the resonant frequency directly to a capacitor arrangement change their effective mass and / or spring stiffness are generated. For this purpose, the capacitor arrangement can have discrete mass areas, which are fixed so that only the unfixed mass swings. Likewise, a capacitor arrangement regions with different Have spring stiffness targeted to provide different Resonant frequencies selected and can be activated.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist mindestens eine Kondensatoranordnung eine Kammstruktur auf. Dabei bildet jede Elektrode einen Kamm, wobei die Kämme derart ineinander greifen, dass parallel geschaltete Kondensatorbereiche erzeugt werden.According to one further advantageous embodiment has at least one capacitor arrangement a comb structure on. Each electrode forms a comb, wherein the combs mesh with each other in such a way that parallel connected capacitor areas be generated.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind mehrere Kondensatoranordnungen zueinander elektrisch parallel geschaltet und/oder zueinander parallel angeordnet. Im ersten Fall liegt auf einfache Weise immer dieselbe elektrische Spannung an den Kondensatoranordnungen an. Im zweiten Fall schwingen die Kondensatoranordnungen in denselben Richtungen, so dass sich die Schwingungen der Kondensatoranordnungen nicht gegenseitig stören. In den Schwingungsrichtungen erfolgen Beschleunigungen der Kondensatoranordnungen.According to a further advantageous embodiment, a plurality of capacitor arrangements are connected in parallel to one another electrically in parallel with one another and / or arranged parallel to one another. In the first case, the same electrical voltage is always applied to the capacitor arrangements in a simple manner. In the second case, the capacitor arrangements swing in the same directions, so that the Schwingun conditions of the capacitor arrangements do not interfere with each other. Accelerations of the capacitor arrangements take place in the oscillation directions.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kondensatoranordnungen in Oberflächen- oder Volumen-Mikromechanik ausgebildet. Dabei sind die Kondensatoranordnungen horizontal – in-plane – in einer Ebene auf einer Waferoberfläche oder vertikal – out-of-plane – in einem Volumenbereich eines Wafers angeordnet beziehungsweise erzeugt.According to one Further advantageous embodiment are the capacitor arrangements in surface or volume micromechanics educated. The capacitor arrangements are horizontal - in-plane - in one Plane on a wafer surface or vertically - out-of-plane - in one Volume range of a wafer arranged or generated.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kondensatoranordnung(en) an die umgebenden Vibrationen zu sätzlich über einen weiteren mechanischen Resonanzkörper mechanisch angekoppelt. Dieser kann beispielsweise ein Schutzkörper bzw. eine Schutzkappe für die Vorrichtung sein. Auf diese Weise ist die Vibrationsenergie wirksam mit den Kondensatoranordnung(en) gekoppelt.According to one Further advantageous embodiment, the capacitor arrangement (s) to the surrounding vibrations in addition to a further mechanical sound mechanically coupled. This can, for example, a protective body or a protective cap for be the device. In this way is the vibration energy effectively coupled to the capacitor array (s).

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine elektrische Spannung zur elektrischen Ladung einer Kondensatoranordnung mittels unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Austrittsarbeiten erzeugt.According to one Another advantageous embodiment is an electrical voltage for the electrical charge of a capacitor arrangement by means of different Generates materials with different work functions.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine elektrische Spannung zur elektrischen Ladung einer Kondensatoranordnung mittels eines Dielektrikums und/oder mittels einer Spannungsquelle erzeugt.According to one Another advantageous embodiment is an electrical voltage for the electrical charge of a capacitor arrangement by means of a Dielectric and / or generated by means of a voltage source.

Der Einrichtung zur Energiewandlung kann bei einer Vorrichtung, insbesondere einem Mikrosystem, vorteilhaft als Sensor, als Aktuator, für die Datenkommunikation und/oder als Energiequelle beziehungsweise Generator und/oder als Signalgeber verwendet werden.Of the Device for energy conversion can in a device, in particular a microsystem, advantageously as a sensor, as an actuator, for data communication and / or as an energy source or generator and / or as Signalers are used.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der 1 näher beschrieben. Dabei zeigtThe invention is based on an embodiment in conjunction with the 1 described in more detail. It shows

1 ein Ausführungsbeispiel verschiedener Kondensatoranordnungen auf einem Wafer. 1 an embodiment of various capacitor arrangements on a wafer.

1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel mit verschiedenen Kondensatoranordnungen auf einem Wafer. Eine Waferelektrode weist beispielsweise Silizium oder SOI auf. Gegenelektroden weisen beispielsweise passiviertes Silizium mit beispielsweise Platin, Titan, Platintitan oder Paladium beschichtet auf. Die 1 zeigt eine Einrichtung zur Energieumwandlung, die als kapazitiver Mikro-Power-Generator mit integrierter Vorspannung verwendet wird, dem es möglich ist Vibrationsenergie bei vier verschiedenen Frequenzbändern zu wandeln. Um jedes Feder-Masse-System auf die gewünschte Fre quenz einzustellen, müssen jeweils die technischen Parameter wie Masse und Federsteifigkeit individuell gewählt werden. Aufgrund des Feder-Masse-Systems kann die Einrichtung zur Energieumwandlung statt als Generator ebenso als Sensor und/oder ebenso als Aktuator eingesetzt werden. Eine Verwendung in der Datenkommunikation und/oder als Signalgeber ist ebenso möglich. Die Kammstruktur erleichtert die einfache und wirksame Erzeugung einer großen Kondensatorfläche. 1 schematically shows an embodiment with different capacitor arrangements on a wafer. A wafer electrode has, for example, silicon or SOI. Counter electrodes have, for example, passivated silicon coated with, for example, platinum, titanium, platinum titanium or palladium. The 1 shows a device for energy conversion, which is used as a capacitive micro-power generator with integrated bias, which it is possible to convert vibration energy at four different frequency bands. In order to set each spring-mass system to the desired frequency, the technical parameters such as mass and spring stiffness must be selected individually. Due to the spring-mass system, the device for energy conversion instead of a generator can also be used as a sensor and / or also as an actuator. Use in data communication and / or as a signal generator is also possible. The comb structure facilitates easy and efficient generation of a large capacitor area.

Der kapazitive Mikro-Power-Generator für mehrfrequente Vibrationsquellen, in 1 in-plane dargestellt, ermöglicht die Energieversorgung von autarken Mikrosystemen unter Ausnutzung von Vibrationen, welche in der Umgebung des Systems vorhanden sind. Der Vorteil des Generators liegt darin begründet, dass er aus mehreren Frequenzbändern des Vibrationsspektrums Energie wandeln kann.The capacitive micro-power generator for multi-frequency vibration sources, in 1 Shown in-plane, it enables the power supply of self-sufficient micro-systems taking advantage of vibrations that are present in the environment of the system. The advantage of the generator lies in the fact that it can convert energy from several frequency bands of the vibration spectrum.

Der Generator stellt im Wesentlichen mehrere Feder-Masse-Systeme dar, welche in der Lage sind, mechanische Energie in elektrische Energie zu wandeln. Die zu wandelnde mechanische Energie erhält der Generator, indem er an die umgebenden Vibrationen, die man nutzen möchte, angekoppelt wird. Diese elektrische Änderung entspricht einem Gewinn an elektrischer Energie. Hierzu müssen die einzelnen Kondenstoranordnungen geladen werden. Dies kann sowohl durch das Ausnutzen unterschiedlicher Austrittsarbeiten verschiedener Materialien, als auch durch ein Elektret (Dielektrikum) und/oder durch eine Spannungsquelle oder ähnliches geschehen. Eine besonders wirksame Energiewandlung ist möglich, wenn das Feder-Masse-System in Resonanz betrieben wird. Daraus folgt, dass man lediglich ein typisches Frequenzband oder vielmehr eine typische Spektrallinie der Vibration ausnutzen kann. Da typische Vibrationen mehrere dieser Frequenzbänder enthalten, kann zwar lediglich ein kleiner Teil der mechanischen Vibrationen tatsächlich gewandelt werden. Dieser Mikro-Power-Generator besteht jedoch aus mehreren variablen Kondensatoranordnungen, die auf ein jeweiliges Frequenzband der Vibration ausgelegt sind. Somit ist es möglich mechanische Energie besonders wirksam wandeln zu können. Der kapazitive Mikro-Power-Generator für mehrfrequente Vibrationsquellen kann in Bulk-Mikromechanik oder Oberflächen-Mikromechanik realisiert werden. Sowohl in-plane als auch out-of-plane Kondensatoranordnungen sind umsetzbar.Of the Generator essentially represents a plurality of spring-mass systems, which are able to convert mechanical energy into electrical energy. The generator receives the mechanical energy to be converted by is coupled to the surrounding vibrations that you want to use. These electrical change corresponds to a gain in electrical energy. For this, the individual Kondenstoranordnungen be charged. This can both by taking advantage of different work functions different Materials, as well as by an electret (dielectric) and / or by a voltage source or the like happen. A particularly effective energy conversion is possible if the spring-mass system is operated in resonance. It follows that you only have one typical frequency band or rather a typical spectral line the vibration can exploit. Because typical vibrations are several of these Contain frequency bands, Although only a small part of the mechanical vibrations indeed be converted. However, this micro-power generator is made a plurality of variable capacitor arrays responsive to a respective one of Frequency band of vibration are designed. Thus it is possible mechanical energy to be able to convert particularly effectively. The capacitive micro-power generator for multi-frequency vibration sources can be in bulk micromechanics or surface micromechanics will be realized. Both in-plane and out-of-plane capacitor arrangements are feasible.

Bevorzugte Vibrations- bzw. Resonanzfrequenzen liegen im Bereich zwischen 1000 Hz bis 5000 Hz. Andere Bereiche sind ebenso möglich. Für die Erzeugung eines elektrischen Impulses ist insbesondere eine Leistung im Bereich von ca. 50 μW bis ca. 200 μW notwendig. Andere Bereiche sind ebenso möglich.Preferred vibration or resonance frequencies are in the range between 1000 Hz to 5000 Hz. Other ranges are also possible. For the generation of an electrical pulse in particular a power in the range of about 50 μW to about 200 μW is necessary. Other areas are as well possible.

Claims

Device, in particular a microsystem, with a device for energy conversion, characterized in that the means for energy conversion at least one electrically charged, mechanically oscillatable capacitor arrangement for converting mechanical energy into electrical energy and / or vice versa.

Device according to claim 1, characterized in that that a capacitor arrangement as a spring-mass system with a Resonance frequency is provided so that an associated spectral line a frequency band of a vibration is effectively usable.

Device according to claim 1, characterized in that that several capacitor arrangements as spring-mass systems with are each provided a resonant frequency such that at least an associated one Spectral line of a vibration spectrum is effectively used.

Device according to Claim 2 or 3, characterized that the capacitor arrangement (s) for adjusting the resonant frequency (s), in particular in terms of mass and / or spring stiffness, is variable / are.

Device according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that at least one capacitor arrangement has a comb structure.

Device according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that a plurality of capacitor arrangements to each other electrically connected in parallel and / or arranged parallel to each other are.

Device according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the capacitor arrangements in surface or Bulk micromachining are formed.

Device according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that the capacitor arrangement (s) on the surrounding vibrations in addition to a further mechanical resonance body are mechanically coupled.

Device according to one or more of claims 1 to 8, characterized in that an electrical voltage to the electric Charging a capacitor arrangement by means of different materials is produced with different work functions.

Device according to one or more of claims 1 to 9, characterized in that an electrical voltage to the electrical Charging a capacitor arrangement by means of a dielectric and / or is generated by means of a voltage source.

Device according to one or more of claims 1 to 10, characterized in that the means for energy conversion as a sensor, as an actuator, for the data communication and / or as an energy source and / or as a signal generator is trained.