DE102010040243A1 - Piezobasierter Generator mit mechanischem Energiespeicher und direktmechanischer Breitbandanregung - Google Patents

Abstract

Autarkes Energieerzeugungssystem, insbesondere ausgebildet als integriertes miniaturisiertes Energieerzeugungssystem basierend auf MEMS-Technologie, umfassend einen piezoelektrischen Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie, mit mindestens einem piezoelektrischen Element, in das eine aus der Umgebung abgreifbare mechanische Kraft (insbesondere linear translatorische Bewegung) derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Optional wird eine integrierte Schaltung (ASIC) zum Energiemanagement der vom piezoelektrischen Energiewandler bereitgestellten Energie verwendet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischer Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung eines piezoelektrischen Energiewandlers. Ferner betrifft die Erfindung eine Integrierte Schaltung (Chip) zum Energiemanagement, umfassend einen piezoelektrischer Energiewandler.
• Viele neue Anwendungen, insbesondere in der industriellen Automatisierung, erfordern eine ausgefeilte Sensorik und/oder Aktorik. Oftmals ist diese lokal verteilt oder dezentral angebracht, was dazu führt, dass eine elektrische Energieversorgung aufwendig und teuer ist (z. B. durch Verlegen von elektrischen Zuführungen). Bei einigen Anwendungen ist eine physische Anbindung solcher dezentralen Aktor- bzw. Sensorknoten gänzlich unmöglich, so dass diese völlig autark betrieben werden müssen. Solche Systeme müssen sich selbst mit elektrischer Energie versorgen.
• Es ist bekannt, solche dezentralen Sensor- oder Aktorsysteme mit Batterien zur Stromversorgung auszustatten. Die Batterie begrenzt aber die Einsatz- bzw. Lebensdauer des Systems. Solche batteriebetriebenen dezentralen Systeme erfordern weiterhin einen beträchtlichen Wartungsaufwand, da die Batterien von Zeit zu Zeit gewechselt werden müssen. Ist kein Batteriewechsel möglich, fallen solche Systeme aus.
• Weiterhin sind Systeme bekannt, die über eine Solarzelle mit Energie versorgt werden. Im Bereich der Industrieautomatisierung und den damit oft einhergehenden deutlich reduzierten Lichtbudgets ist der Einsatz dieser Systeme aber begrenzt.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Energiewandler und ein Verfahren für eine autarke Energieversorgung für dezentrale Systeme, insbesondere im industriellen Umfeld, bereitzustellen.
• Die Aufgabe wird gelöst durch einen piezoelektrischer Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit mindestens einem piezoelektrischen Element, in das eine durch mechanische Umgebungsenergie hervorgerufene mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, wobei das piezoelektrische Element zur Schwingungsanregung keine zusätzliche Funktionsmasse aufweist und wobei das piezoelektrische Element eine elektrisch passive Trägerschicht aufweist. Die mechanischen Schwingungen werden dazu benutzt, elektrische Energie zu gewinnen. Die gewonnene Energie wird einem Verbraucher (z. B. dezentrale Aktoren oder Sensoren) zur Verfügung gestellt. Dies ermöglicht den autarken. Betrieb dieser dezentralen Systeme, d. h. ohne Verkabelung oder Batteriebetrieb. Diese Systeme können somit prinzipiell wartungsfrei betrieben werden.
• Der piezoelektrische Energiewandler kann in beliebig dynamisch verformbaren Umgebungen eingesetzt werden. Z. B. bei Förderbändern, an deren Umkehrpunkten das elastische Förderband verformt wird oder in der Industrieautomatisierung (z. B. Roboter), wo es sehr viele bewegliche Teile gibt, die z. B. durch mechanisch verformbare Gummimanschetten geschützt sind. Aber auch ein Reifenlatsch ist als mechanisch verformbare Umgebung verwendbar. Diese in einer industriellen Umgebung sowieso schon vorhandenen mechanischen Bewegungen, also vorliegenden kinetischen Energien oder mechanische Kräfte, die auch in definierten und bekannten Bewegungsrichtungen vorliegen, lassen sich somit durch die vorliegende Erfindung zur Gewinnung von elektrischer Energie „ernten”. Der Energiewandler in der Anordnung wird somit mit kinetischer mechanischer Energie versorgt, die eine schon vorhandene Infrastruktur bereitstellt.
• Das piezoelektrische Element besteht aus mindestens einer piezoelektrische Schicht und Elektrodenschichten. Die Elektrodenschichten können dabei aus verschiedensten Metallen beziehungsweise Metall-Legierungen bestehen. Beispiele für das Elektrodenmaterial sind Platin, Titan und eine Platin/Titan-Legierung. Denkbar sind auch nicht-metallische, elektrisch leitende Materialien. Die piezoelektrische Schicht kann ebenfalls aus unterschiedlichsten Materialen bestehen. Beispiele hierfür sind piezoelektrische keramische Materialen wie Bleizirkonattitanat (PZT), Zinkoxid (ZnO) und Aluminiumnitrid (AlN). Piezoelektrische organische Materialien wie Polyvinylidendifluorid (PVDF) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) sind ebenfalls denkbar.
• Die Trägerschicht erhöht die mechanische Belastbarkeit des piezoelektrischen Elementes und wirkt bei elektrischer Bedämpfung des Energiewandlers als mechanischer Energiespeicher.
• Durch die Schwingungen des piezoelektrischen Elementes wird über den piezoelektrischen Effekt wird eine periodische Ladungstrennung zwischen den Elektroden erzeugt. Der daraus gewinnbare Ladungsfluss steht dann extern als elektrische Energie zur Verfügung. Über eine elektrische Ankontaktierung an den Elektroden und eine entsprechende Verkabelung wird der elektrische Strom für Verbraucher (z. B. Aktoren oder Sensoren) bereitgestellt.
• Der Energiewandler kann laterale Abmessungen von wenigen mm bis einigen cm aufweisen. Gleiches gilt für laterale Abmessungen der Membran. Die Schichtdicken der Schichten der Membran reichen von wenigen μm bis einigen mm.
• Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element als Piezofahne ausgebildet ist und eine im Wesentlichen dreiecksförmige Grundfläche aufweist. Dies bewirkt eine hohe Effizienz bei der Energiewandlung.
• Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass bei elektrischer Bedämpfung des Energiewandlers die mechanische Energie aus der Trägerschicht in eine Piezoschicht des piezoelektrischen Elements kontinuierlich umverteilt wird. Damit wird die elektrisch passive Trägerschicht ein mechanischer Energiespeicher.
• Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die mechanischen Eigenschaften der Trägerschicht funktionell zur Energieeinkopplung und Energiespeicherung verwendet werden. Die elektrisch passive Trägerschicht wirkt als mechanische Feder und die Eigenschaften der mechanischen Feder unterstützen das Schwingungsverhalten des piezoelektrischen Elements und ermöglichen eine effiziente elektrische Energiegewinnung.
• Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das Einkoppeln der mechanische Kraft durch eine translatorische, insbesondere linear translatorische, Kraftbewegung erfolgt. Aus den primären Bewegungen verformbarer Umgebungen (z. B. Förderband, Gummimanschetten, Reifen) lassen sich leicht linear translatorische Kraftbewegungen ableiten. Nach erfolgter Auslenkung durch die translatorische Kraftbewegung kann das piezoelektrische Element frei in seiner Eigenfrequenz oszillieren.
• Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element periodisch zu Schwingungen angeregt wird. Dadurch ist eine kontinuierliche elektrische Energiegewinnung sichergestellt. Prinzipiell ist aber auch eine nichtperiodische Anregung möglich.
• Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element einen Mehrschichtaufbau mit MEMS-Schichten (d. h. in Micro Electro Mechanical Systems – Technologie) aufweist. Das piezoelektrische Element weist eine Schichtfolge aus Elektrodenschicht, piezoelektrischer Schicht und weiterer Elektrodenschicht auf. Mehrere derartige Schichtfolgen können dabei übereinander gestapelt sein, so dass ein Mehrschichtaufbau mit übereinander gestapelten, alternierend angeordneten Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten resultiert. Bei der Erzeugung des Piezoelements mit Hilfe der MEMS-Technologie ist es über entsprechenden lateralen Zug- bzw. Druckstress in und zwischen den einzelnen Schichten möglich, den Schichtstapel so herzustellen, dass er sich nach Freilegen von Schichten krümmt bzw. leicht aufrollt. Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten kann dabei aus verschiedensten Metallen beziehungsweise Metall-Legierungen bestehen. Beispiele für das Elektrodenmaterial sind Platin, Titan und eine Platin/Titan-Legierung. Denkbar sind auch nicht-metallische, elektrisch leitende Materialien.
• Die MEMS-Technologie eignet sich insbesondere im Hinblick auf eine angestrebte Miniaturisierung des Energiewandlers und des Piezoelementes. Mit dieser Technologie ist ein piezoelektrischer Energiewandler mit sehr kleinen lateralen Abmessungen zugänglich. Darüber hinaus können sehr dünne Schichten ausgebildet werden. So betragen die Schichtdicken der Elektrodenschichten beispielsweise 0,1 μm bis 0,5 μm. Die piezoelektrische Schicht ist wenige μm dick, beispielsweise 1 μm bis 10 μm. Das piezoelektrische Element ist als dünne piezoelektrische Membran bzw. Balken ausgestaltet. Das piezoelektrische Element verfügt über eine sehr geringe Masse. Außerdem kann ein solches piezoelektrische Element leicht zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Bei der Realisierung der Erfindung in MEMS-Technologie eignet sich beispielsweise eine Trägerschicht aus Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid (SiO2) oder Siliziumnitrid (Si3N4). Eine Schichtdicke der Trägerschicht ist aus dem Bereich von 1 μm bis 100 μm ausgewählt.
• Das in MEMS-Technologie realisierte piezoelektrische Element verfügt über eine sehr geringe Masse und geringe Abmessungen und lässt sich in eine vorhandene Umgebungsinfrastruktur (z. B. Förderband, Gummimanschetten, Reifen) leicht einfügen und integrieren.
• Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass der piezoelektrische Energiewandler einen integrierten Schaltkreis (ASIC) zum Energiemanagement und/oder Energieverteilung der vom piezoelektrischen Energiewandler bereitgestellten Energie umfasst. Der Energiewandler und die integrierte Schaltung (ASIC) können somit z. B. zum Energiemanagement einer energieautarken Sensorik und/oder Aktorik verwendet werden. Die integrierte Schaltung (ASIC) zum Energiemanagement der vom piezoelektrischen Energiewandler bereitgestellten Energie ermöglicht eine den jeweiligen Energie-Erfordernissen eines zu versorgenden dezentralen Systems angepasste Energieversorgung. Dadurch kann die für den Verbraucher zur Verfügung stehende Energie angepasst und maximiert werden.
• Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass mehrere piezoelektrischen Energiewandler hintereinander geschaltet sind. Dadurch wird die erzeugte Energiemenge vergrößert. Es können somit auch Systeme versorgt werden, die größere Energiemengen benötigen. Weiterhin kann dadurch das Energieerzeugungssystem bezüglich der benötigten Energie skaliert werden.
• Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung eines piezoelektrischen Energiewandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durch Einwirken eines durch mechanische Umgebungsenergie hervorgerufene mechanische Kraft auf ein piezoelektrisches Element, so dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Der piezoelektrische Energiewandler kann in beliebig dynamisch verformbaren Umgebungen verwendet werden. Z. B. bei Förderbändern, an deren Umkehrpunkten das elastische Förderband verformt wird oder in der Industrieautomatisierung (z. B. Roboter), wo es sehr viele bewegliche Teile gibt, die z. B. durch mechanisch verformbare Gummimanschetten geschützt sind. Aber auch ein Reifenlatsch ist als mechanisch verformbare Umgebung verwendbar. Diese in einer industriellen Umgebung sowieso schon vorhandenen mechanischen Bewegungen (z. B. linear translatorische Kraftbewegungen) lassen sich somit durch die vorliegende Erfindung zur Gewinnung von elektrischer Energie „ernten”. Der erfindungsgemäße Energiewandler wird somit mit kinetischer mechanischer Energie versorgt, die durch eine schon vorhandene Infrastruktur bereitstellt wird.
• Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Integrierte Schaltung (Chip) zum Energiemanagement, umfassend einen piezoelektrischer Energiewandler und einen integrierten Schaltkreis (ASIC) zum bedarfsgerechten Energiemanagement und/oder zur bedarfsgerechten Energieverteilung der vom piezoelektrischen Energiewandler bereitgestellten Energie für elektrische Verbraucher. Die bedarfsgerecht zur Verfügung gestellte Energie ermöglicht einen, den jeweiligen Erfordernissen jeweils angepassten optimalen Energieverbrauch. Dies erhöht die Performance und die Zuverlässigkeit der zu versorgenden dezentralen Systeme (z. B. Aktoren, Sensoren).
• Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
• Dabei zeigen:
• 1 ein beispielhaftes schematisches Übersichtsbild des erfindungsgemäßen Energiewandlers,
• 2 ein beispielhaftes Funktionsbild für eine Auslenkung eines Piezoelementes durch eine periodische Anregung,
• 3 ein erstes beispielhaftes schematisches Prinzipbild des erfindungsgemäßen Energiewandlers,
• 4 ein zweites beispielhaftes schematisches Prinzipbild des erfindungsgemäßen Energiewandlers,
• 5 eine erste beispielhafte Schemadarstellung eines Piezoelementes,
• 6 eine zweite beispielhafte Schemadarstellung eines Piezoelementes,
• 7 ein beispielhaftes schematisches Ausführungsbeispiel eines Piezoelementes,
• 8 eine erste beispielhafte Schemadarstellung des erfindungsgemäßen Energiewandlers in MEMS-Technologie,
• 9 eine zweite beispielhafte Schemadarstellung des erfindungsgemäßen Energiewandlers in MEMS-Technologie,
• 10 ein beispielhaftes Messdiagramm zur Identifizierung von geeigneten Generatorgeometrien,
• 11 eine schematische Darstellung der mechanischen Schichtspannungen im Generator, sowie davon abgeleitete Systemparameter, und
• 12–14 beispielhafte Diagramme die Systemparameter in Abhängigkeit von der Dicke der Piezoschicht und der Trägerschicht darstellen.
• Viele neue Anwendungen, insbesondere in der industriellen Automatisierung oder in der Fahrzeugtechnik, erfordern eine ausgefeilte Sensorik und/oder Aktorik. Oftmals ist diese lokal verteilt, was dazu führt, dass eine elektrische Energieversorgung aufwändig und damit auch teuer ist (z. B. Verlegen von elektrischen Zuführungen). Bei einigen Anwendungen ist eine physische Anbindung solcher dezentralen Systeme gänzlich unmöglich, sodass diese völlig autark betrieben werden müssen. Dies bedeutet, dass sich diese Sensoren selbst mit Energie versorgen müssen, und die gewonnenen Messdaten kabellos übertragen werden.
• In unserer industrialisierten Welt gibt es viele dynamisch verformbare Umgebungen, die zum Ernten von Energie geeignet sind insbesondere in dezentralen Umgebungen. Ein Beispiel sind Förderbänder an deren Umkehrpunkten das elastische Band deutlich verformt wird. Diese mechanischen Verformungen stellen eine Quelle für Deformationsenergie dar, die in elektrische Energie umgewandelt werden kann und so die dezentrale Sensorik und/oder Aktorik mit Strom versorgt. In der Industrieautomatisierung werden weiterhin Roboter eingesetzt, die sehr viele bewegliche Teile besitzen und die meistens durch verformbare Gummimanschetten geschützt sind. Auch diese Gummimanschetten stellen eine Quelle für Deformationsenergie dar. Ein weiteres Beispiel ist in der Automobiltechnik zu finden. Der Mantel vom Autoreifen ist im Einsatz laufend mechanischen Verformungen unterworfen. Diese Verformungen können verwendet werden um elektrische Energie zu gewinnen. Die gewonnene Energie aus der Verformung von Autoreifen kann für Sensoren verwendet werden, die z. B. den Reifendruck oder die Reifentemperatur überwachen. Ein solches System benötigt keine Batterien zur Energieversorgung und ist somit prinzipiell wartungsfrei.
• 1 zeigt ein beispielhaftes schematisches Übersichtsbild des erfindungsgemäßen Energiewandlers EW1 zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie. Der Energiewandlers EW1 hat mindestens ein piezoelektrisches Element PE1, in das eine durch mechanische Umgebungsenergie hervorgerufene mechanische Kraft K1 derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element PE1 zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, wobei das piezoelektrische Element PE1 eine elektrisch passive Trägerschicht TS1 aufweist. Die Trägerschicht TS1 erhöht die mechanische Belastbarkeit des piezoelektrischen Elementes PE1 und wirkt bei elektrischer Bedämpfung des Energiewandlers EW1 als mechanischer Energiespeicher.
• Das piezoelektrische Element PE1 weist in vorteilhafter Weise eine Schichtfolge aus Elektrodenschicht, piezoelektrischer Schicht und weiterer Elektrodenschicht auf. Mehrere derartige Schichtfolgen können dabei übereinander gestapelt sein, so dass ein Mehrschichtaufbau mit übereinander gestapelten, alternierend angeordneten Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten resultiert.
• Eine Auslenkung (Schwingung) des piezoelektrischen Elements PE1, die durch Einwirken einer mechanischen Kraft K1 auf das piezoelektrische Element PE1 hervorgerufen wird, führt zur Ladungsverschiebung bzw. Ladungstrennung im piezoelektrischen Element (piezoelektrischer Effekt). Die beiden Elektrodenschichten und die piezoelektrische Schicht sind dabei derart aneinander angeordnet, dass ein auf der Ladungstrennung hervorgerufener Ladungsfluss zur Gewinnung von elektrischer Energie genutzt werden kann. Im Ergebnis wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt.
• Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten kann aus verschiedensten Metallen beziehungsweise Metall-Legierungen bestehen. Beispiele für das Elektrodenmaterial sind Platin, Titan und eine Platin/Titan-Legierung. Denkbar sind auch nichtmetallische, elektrisch leitende Materialien.
• Optional umfasst der Energiewandler EW1 eine integrierte Schaltung ASIC1 als Energiemanagementsystem und eine elektrische Verbindung EV zwischen dem Energiewandler EW1 und der integrierten Schaltung ASIC1. Die vom Energiewandler EW1 erzeugte primäre elektrische Energie wird über die elektrische Verbindung EV der integrierten Schaltung ASIC1 zur Verfügung gestellt. Die integrierten Schaltung ASIC1 arbeitet als Energiemanagementsystem und bereitet diese primäre Energie auf und stellt sie einem Verbraucher (z. B. Sensor oder Aktor) zur Verfügung. Die integrierte Schaltung ASIC1 ist mit einer Intelligenz ausgestattet, die eine zielgerichtete anwendungsorientierte und skalierbare Energieversorgung des jeweiligen Verbrauchers ermöglicht. Durch hintereinander geschaltete Energiewandler (Generatoren) EW1 lässt sich die erzeugte Energiemenge vergrößern. Es ist somit eine Energieskalierung möglich die es erlaubt jeweils angepasste, bzw. erforderliche Energiemengen zur Verfügung zu stellen.
• 2 zeigt ein beispielhaftes Funktionsbild für eine Auslenkung eines Piezoelementes durch eine periodische Anregung. Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist die direktmechanischen Auslenkung einer Piezobalkenstruktur. 2 zeigt das Prinzip des erfindungsgemäßen Ansatzes. Die Balkenstruktur (Piezoelement) wird mit Hilfe von mechanischer Umgebungsenergie in die Position x₀ ausgelenkt und dann frei gelassen. Der Piezobalken beginnt dann mit seiner Eigenfrequenz 1/T_os zu oszillieren. Unter anderem durch die Extraktion von elektrischer Energie aus dem Generator wird die Schwingung gedämpft. Das System wird nun periodisch mit 1/T_ex angeregt. Möglich ist auch eine nichtperiodische Anregung. Ein Vorteil einer periodischen Anregung liegt in der kontinuierlichen Bereitstellung von elektrischer Energie durch den Energiewandler.
• 3 zeigt ein erstes beispielhaftes schematisches Prinzipbild des erfindungsgemäßen Energiewandlers EW2. 3 zeigt ein Prinzipbild vom Aufbau des erfindungsgemäßen Systems EW2. In das System EW2, bestehend aus einer Piezoschicht PE2 mit mechanischen und elektrischen Eigenschaften und einer Trägerschicht TS2 mit ausschließlich mechanischen Eigenschaften (Feder), wird mit Hilfe von Umgebungskräften eine initiale Energie eingekoppelt. Die Einkopplung erfolgt durch eine mechanische Anregung, die direkt auf die Piezoschicht PE2 wirkt.
• 4 zeigt ein zweites beispielhaftes schematisches Prinzipbild des erfindungsgemäßen Energiewandlers EW3. 4 zeigt ein Beispiel für eine Realisierung des erfindungsgemäßen Generators EW3 als Schichtsystem und angeschlossener Energiemanagementschaltung ASIC2 zum Betrieb einer elektrischen Last. In das elektromechanische System, bestehend aus der aktiven Piezoschicht PE3 und der elektrisch passiven Trägerschicht TS3, wird mit Hilfe von Umgebungskräften (mechanische Anregung) eine initiale Auslenkung und damit verknüpft eine Energie eingekoppelt. Der elektrische Anteil der Energie wird mit einem von der Energiemanagementschaltung ASIC2 abhängigen Wirkungsgrad an eine elektrische Last (z. B. Aktor oder Sensor) geliefert.
• 5 zeigt eine erste beispielhafte Schemadarstellung eines Piezoelementes PE4 für die Verwendung im erfindungsgemäßen Energiewandler. Der obere Teil von 5 zeigt eine Draufsicht auf das Piezoelement PE4. Das in 5 beispielhaft dargestellte Piezoelement PE4 hat eine symmetrische dreieckförmige Grundfläche (gleichschenkliges Dreieck). Die Höhe des Dreiecks hat die Länge a, die Basis des Dreiecks die Länge 2a. A_g bezeichnet den Generatorbereich (cantilever, Balkenstruktur, Piezofahne). Der untere Teil von 5 zeigt schematisch die Schichtstruktur der Balkenstruktur mit einer Piezoschicht PE5 und einer passiven Trägerschicht TS4.
• 6 zeigt eine zweite beispielhafte Schemadarstellung eines Piezoelementes PE6. 6 zeigt eine beispielhafte piezoelektrische Fahne PE6 (bzw. einen piezoelektrischen Biegebalken) mit einer im Wesentlichen dreieckigen Grundfläche. Die mechanische Kraft K2 trifft im Wesentlichen senkrecht auf eine Stirnseite des Piezo-Dreiecks PE6 und bringt die Piezofahne zum Schwingen. Die dreieckige Grundfläche bewirkt eine hohe Effizienz bei der Energiewandlung. Das dreieckige Piezoelement PE6 kann im erfindungsgemäßen Energiewandler in beliebig dynamisch verformbaren Umgebungen eingesetzt werden. Z. B. bei Förderbändern, an deren Umkehrpunkten das elastische Förderband verformt wird oder in der Industrieautomatisierung (z. B. Roboter), wo es sehr viele bewegliche Teile gibt, die z. B. durch verformbare Gummimanschetten geschützt sind. Die durch mechanische Umgebungsenergie (Deformationsenergie) hervorgerufene mechanische Kraft wird derart in das piezoelektrische Element PE6 eingekoppelt, so dass das piezoelektrische Element PE6 zu mechanischen Schwingungen angeregt wird.
• 7 zeigt ein beispielhaftes schematisches Ausführungsbeispiel eines Piezoelementes PE7. Das Beispiel nach 7 zeigt das Piezoelement PE7 als mehrschichtige rechteckige bzw. im Wesentlichen rechteckige Platte. Das Piezoelement PE7 kann prinzipiell auch andere Formen annehmen (z. B. Dreiecksform).
• Das piezoelektrische Element PE7 weist eine Schichtfolge aus Elektrodenschicht ES1, piezoelektrischer Schicht PES und weiterer Elektrodenschicht ES2 auf. Mehrere derartige Schichtfolgen können dabei übereinander gestapelt sein, so dass ein Mehrschichtaufbau mit übereinander gestapelten, alternierend angeordneten Elektrodenschichten ES1, ES2 und piezoelektrischen Schichten PES resultiert. Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten ES1, ES2 kann aus verschiedensten Metallen beziehungsweise Metall-Legierungen bestehen. Beispiele für das Elektrodenmaterial sind Platin, Titan und eine Platin/Titan-Legierung. Denkbar sind auch nicht-metallische, elektrisch leitende Materialien.
• Die piezoelektrische Schicht PES kann ebenfalls aus unterschiedlichsten Materialen bestehen. Beispiele hierfür sind piezoelektrische keramische Materialien wie Bleizirkonattitanat (PZT), Zinkoxid (ZnO) und Aluminiumnitrid (AlN). Piezoelektrische organische Materialien wie Polyvinylidendifluorid (PVDF) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) sind ebenfalls denkbar.
• Die Trägerschicht TS5 erhöht die mechanische Belastbarkeit des piezoelektrischen Elementes PE7 und wirkt bei elektrischer Bedämpfung des Energiewandlers als mechanischer Energiespeicher. Die elektrische Bedämpfung des Energiewandlers kann z. B. über elektrische Druckkontakte bei den Elektroden erfolgen. Bei externer elektrischer Beschaltung dieser Druckkontakte kann die gewonnene elektrische Energie direkt nutzbar gemacht werden (z. B. für angeschlossene elektrische Verbraucher). Die ermöglicht eine autarke Energieversorgung für die Verbraucher.
• Im Hinblick auf die mögliche Miniaturisierung des Energiewandlers EW eignet sich zur Realisierung des piezoelektrischen Elementes PE besonders die MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)-Technologie. Mit dieser Technologie ist ein piezoelektrischer Energiewandler EW mit sehr kleinen lateralen Abmessungen zugänglich. Darüber hinaus können sehr dünne Schichten ausgebildet werden. So betragen die Schichtdicken der Elektrodenschichten ES1, ES2 beispielsweise 0,1 μm bis 0,5 μm. Die piezoelektrische Schicht PES ist wenige μm dick, beispielsweise 1 μm bis 10 μm. Das piezoelektrische Element PE7 ist als dünne piezoelektrische Platte ausgestaltet. Das piezoelektrische Element PE verfügt über eine sehr geringe Masse. Die Trägerschicht TS5 kann aus Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid (SiO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄) hergestellt sein. Eine Schichtdicke der Trägerschicht TS5 ist aus dem Bereich von 1 μm bis 100 μm ausgewählt. Ein miniaturisiert ausgebildeter Energiewandler erhöht das Spektrum von möglichen Anwendungs- und Einsatzmöglichkeiten, insbesondere bei dezentralen Anwendungen, die eine autarke und möglichst wartungsfreie Energieversorgung verlangen. Des Weiteren kann ein handelsübliches Bulk-Material (z. B. mittels Grünfolientechnik hergestellt) mit Dicken im Bereich einiger hundert μm eingesetzt werden.
• 8 zeigt eine erste beispielhafte Schemadarstellung des erfindungsgemäßen Energiewandlers in MEMS-Technologie. Der dreieckige Piezobalken (Cantilever) besteht aus dem Piezoelement PE8 und der passiver Trägerschicht TS6. Weiterhin ist in 8 die elektrische Verschaltung EVS1 des Piezobalkens PE8 in Dünnfilmtechnik dargestellt.
• 9 zeigt eine zweite beispielhafte Schemadarstellung des erfindungsgemäßen Energiewandlers in MEMS-Technologie, dargestellt als REM eine Aufnahme. Auch in 9 ist die elektrische Verschaltung EVS2 des Piezobalkens PE9 in Dünnfilmtechnik dargestellt.
• 10 zeigt ein beispielhaftes Messdiagramm zur Identifizierung von geeigneten Generatorgeometrien unter Randbedingungen wie Leistung, Spannung und Frequenz. Für die Randbedingungen einer an der Last zur Verfügung gestellten Leistung von mindestens 3 μW, einer Spannung von mindestens 1.5 V und einer Resonanzfrequenz von höchstens 10 kHz repräsentiert das Gebiet G1 mögliche Kombinationen von Schichtdicken für ein resistives Interfaceschaltungsschema. Im Falle eines induktiven Schemas sind zusätzlich Geometrien im Gebiet G2 möglich. In 10 ist die Trägerdicke in Richtung x-Achse und die Piezodicke in Richtung y-Achse aufgetragen.
• 11 zeigt eine schematische Darstellung der mechanischen Schichtspannungen im Generator EW4, sowie davon abgeleitete Systemparameter. Bei elektrischer Bedämpfung des Generators EW4 kommt es zu einer kontinuierlichen Umverteilung der mechanischen Energie aus der Trägerschicht in die Piezoschicht. Die Trägerschicht dient damit als mechanischer Energiespeicher. Die Darstellung in 11 zeigt ein Prinzipbild vom Verlauf der mechanischen Spannung im Schichtstapel für den beispielhaften Generator aus 4 zum Zeitpunkt der initialen Auslenkung. Verknüpft mit diesen mechanischen Spannungen sind mechanische Energien in der Piezo- und der Trägerschicht. Weiterhin ist die mechanische Spannung über piezospezifische Materialkonstanten mit einer primären elektrischen Energie auf der generatorinternen Piezokapazität verknüpft, welche über eine Schnittstellenschaltung einer elektrischen Last zur Verfügung gestellt wird. Die entnommene elektrische Arbeit trägt zu dem in 2 gezeigten Abklingverhalten bei. Weitere Dämpfungsfaktaren ergeben sich aus der mechanischen Güte der Generatorstruktur und auch aus der Reibung mit der den Generator umgebenden Atmosphäre. Bei elektrischer Bedämpfung des Generators EW4 kommt es zu einer kontinuierlichen Umverteilung der mechanischen Energie aus der Trägerschicht in die Piezoschicht. Die Trägerschicht dient damit als mechanischer Energiespeicher.
• Die gezielte Ausnutzung der Trägerschicht als mechanischen Energiespeicher ermöglicht neben der Generatorfläche und der Piezoschichtdicke einen weiteren Designfreiheitsgrad. Beispiele dafür sind in 10 und in den 12 bis 14 gezeigt.
• Die 12–14 zeigen in beispielhaften Diagrammen die Systemparameter in Abhängigkeit von der Dicke t_p der Piezoschicht und der Dicke t_c der Trägerschicht.
• 12 zeigt die „Leistung an der Last” P_L (Supplied Power) in Abhängigkeit von der Dicke t_p der Piezoschicht und der Dicke t_c der Trägerschicht.
• 13 zeigt die „unbelastete Generatorspannung” V_oc (Open Circuit Voltage) in Abhängigkeit von der Dicke t_p der Piezoschicht und der Dicke t_c der Trägerschicht.
• 14 zeigt die „Eigenfrequenz der Generatorstruktur” ω_res (Frequency) in Abhängigkeit von der Dicke t_p der Piezoschicht und der Dicke t_c der Trägerschicht.
• Konventionelle Piezogeneratorstrukturen weisen folgende Merkmale auf:
• – Betrieb in Resonanzanregung in einem Beschleunigungsfeld,
• – Funktionsmasse zur Umwandlung der anregenden Beschleunigung in eine am Generator angreifende Wirkkraft,
• – Generator-Balkenstruktur besteht vorzugsweise vollständig aus aktivem piezoelektrischen Material.
• Der vorliegende erfindungsgemäße Energiewandler weist dagegen insbesondere folgende Merkmale auf:
• – Pulsförmige, breitbandige direktmechanische Anregung.
• – Generator hat nur strukturbedingte aber keine zusätzliche Funktionsmasse.
• – Generatorstruktur weist neben der aktiven Piezoschicht eine elektrisch passive Schicht aus, die als mechanischer Energiespeicher verwendet wird.
• – Piezoschicht (typische Dicke: 1–10 μm) und Energiespeicherschicht (typische Dicke: 10 μm–100 μm) können mit MEMS- und ASIC-kompatiblen Prozessen und Verfahren hergestellt werden.
• – Vorzugsweise dreieckförmige Balkenstrukturen zur optimalen Energieerzeugung und homogenen Spannungsbelastung.
• Der erfinderische Schritt liegt insbesondere in Art und Weise der Einkopplung der Umgebungsenergie in den Generator. Im Gegensatz zu konventionellen Piezobalkengeneratoren wird kein Beschleunigungsfeld im Zusammenhang mit einer beweglichen Funktionsmasse genutzt. Erfindungsgemäß wird eine direkte mechanische Auslenkung des Piezobalkenelements vorgeschlagen. Ein weiterer erfinderischer Schritt liegt in der gezielten Nutzung der mechanischen Eigenschaften der Trägerschicht zum Zweck der Speicherung von eingekoppelter Umgebungsenergie.
• Der erfindungsgemäße Ansatz weist im Vergleich mit herkömmlichen Lösungen insbesondere folgende Vorteile auf:
• – Breitbandige Anregung: Im Gegensatz zu konventionellen Ansätzen muss der Piezowandler nicht auf ein schmales Frequenzband im Anregungsspektrum ausgelegt werden. Zur mechanischen Auslenkung der Balkenstruktur können mechanische Bewegungen mit einem breiten Frequenzspektrum genutzt werden.
• – Einstellbare Oszillatorfrequenz der Generatorbalkenstruktur: Nachdem die Generatorstruktur in eine Anfangsposition ausgelenkt wird, beginnt sie mit ihrer Eigenfrequenz zu schwingen. Diese Eigenfrequenz kann über Geometrie und Materialparameter in gewissen Grenzen frei eingestellt werden, da keine funktionelle Verknüpfung zum Anregungsspektrum besteht. Dieser Freiheitsgrad kann vorteilhaft ausgenutzt werden, um z. B. eine an den Generator angeschlossene Schnittstellenschaltung energieeffizient zu betreiben.
• – Hohe mechanische Robustheit: Da für den erfindungsgemäßen Ansatz keine Funktionsmasse benötigt wird, kann die bewegliche Masse auf die inherente Masse des Piezobalken beschränkt werden. Für miniaturisierte Varianten, in MEMS-Technologie realisiert, kann dabei die Masse auf einige Nanogramm beschränkt werden. Aufgrund dieser kleinen Masse ist das erfindungsgemäße System mechanisch sehr robust hinsichtlich möglicher, auftretender Beschleunigungskräfte.
• – Konzept gut geeignet für Systemintegration: Das erfindungsgemäße System kann mit MEMS- und ASIC-kompatiblen Technologien und Prozessen hergestellt werden und ermöglicht deshalb einen hohen Integrationsgrad. Denkbar ist z. B. eine Ein-Chip-Lösung bestehend aus Generator und Energiemanagement ASIC.
• – Miniaturisierbarkeit: Da das erfindungsgemäße System mit MEMS- und ASIC-kompatiblen Technologien hergestellt werden kann besteht die Möglichkeit der Miniaturisierung
• – Realisierung geeigneter Spannungspegel: Die mit MEMS-Technologie hergestellten Piezoschichten im Bereich von einigen Mikrometern erlauben die direkte Erzeugung von geeigneten Spannungspegeln (z. B. zum Betrieb eines CMOS-ASIC).
• Autarkes Energieerzeugungssystem, insbesondere ausgebildet als integriertes miniaturisiertes Energieerzeugungssystem basierend auf MEMS-Technologie, umfassend einen piezoelektrischen Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie, mit mindestens einem piezoelektrischen Element, in das eine aus der Umgebung abgreifbare mechanische Kraft (insbesondere linear translatorische Bewegung) derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Optional wird eine integrierte Schaltung (ASIC) zum Energiemanagement der vom piezoelektrischen Energiewandler bereitgestellten Energie verwendet wird.
• Bezugszeichen

• EW1–EW4

  Energiewandler

  ASIC1, ASIC2

  Integrierte Schaltung

  PE1–PE9

  Piezoelement

  TS1–TS6

  Trägerschicht

  EV

  Elektrische Verbindung

  K1, K2

  Kraft

  ES1, ES2

  Elektrodenschicht

  PES

  Piezoelektrische Schicht

  A_g

  Generatorbereich

  G1, G2

  Gebiet

  EVS1, EVS2

  Elektrische Verschaltung

Claims (11)

1. Piezoelektrischer Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit mindestens einem piezoelektrischen Element, in das eine durch mechanische Umgebungsenergie hervorgerufene mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, wobei das piezoelektrische Element zur Schwingungsanregung keine zusätzliche Funktionsmasse aufweist und wobei das piezoelektrische Element eine elektrisch passive Trägerschicht aufweist.
2. Piezoelektrischer Energiewandler nach Anspruch 1, wobei das piezoelektrische Element als Piezofahne ausgebildet ist und eine im Wesentlichen dreiecksförmige Grundfläche aufweist.
3. Piezoelektrischer Energiewandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei elektrischer Bedämpfung des Energiewandlers die mechanische Energie aus der Trägerschicht in eine Piezoschicht des piezoelektrischen Elements kontinuierlich umverteilt wird.
4. Piezoelektrischer Energiewandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mechanischen Eigenschaften der Trägerschicht funktionell zur Energieeinkopplung und Energiespeicherung verwendet werden.
5. Piezoelektrischer Energiewandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Einkoppeln der mechanische Kraft durch eine translatorische, insbesondere linear translatorische, Kraftbewegung erfolgt.
6. Piezoelektrischer Energiewandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Element periodisch zu Schwingungen angeregt wird.
7. Piezoelektrischer Energiewandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Element einen Mehrschichtaufbau mit MEMS-Schichten aufweist.
8. Piezoelektrischer Energiewandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend einen integrierten Schaltkreis (ASIC) zum Energiemanagement und/oder Energieverteilung der vom piezoelektrischen Energiewandler bereitgestellten Energie.
9. Piezoelektrischer Energiewandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mehrere piezoelektrischen Energiewandler hintereinander geschaltet sind.
10. Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung eines piezoelektrischen Energiewandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durch Einwirken eines durch mechanische Umgebungsenergie hervorgerufene mechanische Kraft auf ein piezoelektrisches Element, so dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird.
11. Integrierte Schaltung (Chip) zum Energiemanagement, umfassend einen Piezoelektrischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, sowie weiter umfassend einen integrierten Schaltkreis (ASIC) zum bedarfsgerechten Energiemanagement und/oder zur bedarfsgerechten Energieverteilung der vom piezoelektrischen Energiewandler bereitgestellten Energie für elektrische Verbraucher.

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