Beschreibung

Vorrichtung zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie und Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wandlung von mechanischer in elektrische Energie und ein Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 14 bis 22.

In den Bereichen Sensorik, Aktorik oder Datenkommunikation besteht ein zunehmender Bedarf an autarken Mikrosystemen, die von einer externen Stromversorgung unabhängig sind und einen kabellosen und wartungsfreien Betrieb gewährleisten. übliche autarke Mikrosysteme basieren beispielsweise auf der Nutzung der Solarenergie und weisen Solarzellen zur Umwandlung der Solarenergie in elektrische Energie auf. Aufgrund der Abhängigkeit dieser Systeme von der Sonne oder anderen geeigneten Lichtquellen ist ihr Anwendungsbereich jedoch stark eingeschränkt. Zudem ergeben sich bei derartigen Systemen Schwierigkeiten bei zunehmender Miniaturisierung und bei der Integration in konventionelle CMOS-Technologie . Eine der Anmelderin bekannte Vorrichtung zur Wandlung mechanischer Energie in elektrische Energie beruht auf elektrostatischer Induktion und nutzt ein Elektret zur Energiegewinnung. Auf einer ersten Elektrode ist ein Elektretfilm angeordnet, der mit einer e- lektrischen Ladung versehen ist, wobei die erste Elektrode mit einem Massepotential verbunden ist. Eine zweite Elektrode ist von der ersten Elektrode beabstandet angeordnet und über eine Lastschaltung mit dem Massepotential verbunden. Der E- lektretfilm ist zwischen erster und zweiter Elektrode angeordnet. Durch eine Bewegung der zweiten Elektrode entlang einer Richtung parallel zur Hauptoberfläche der ersten Elektrode ändert sich die von erster und zweiter Elektrode überlappte Fläche und dadurch die in der ersten Elektrode induzierte Ladung. Dies führt zu einem Stromfluss von der zweiten Elektrode zu dem Massepotential. Nachteilig an dieser Anordnung

ist, dass die erste Elektrode beziehungsweise der Elektret- film zunächst mit einer elektrischen Ladung versehen werden müssen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anordnung zur Umwandlung mechanischer in elektrische Energie und ein Verfahren zu deren Betrieb zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind durch die abhängigen Patentansprüche angegeben.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie bereit. Die Vorrichtung umfasst eine erste E- lektrode aus einem ersten Material, das eine erste Austrittarbeit für Ladungsträger aufweist und eine zweite Elektrode aus einem zweiten Material, das eine zweite Austrittarbeit für Ladungsträger aufweist, wobei die zweite Austrittsarbeit von der ersten Austrittsarbeit unterschiedlich ist. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind über eine erste Lastschaltung elektrisch leitend miteinander verbunden. Dadurch dass die zweite Elektrode relativ zur ersten Elektrode mit veränderbarer Beabstandung angeordnet ist, kann durch Zuführen einer Schwingung zur Vorrichtung auf einfache Weise in dem Lastkreis ein schwingender Strom eingeprägt werden. Die erste Elektrode kann ein Material umfassen, das aus einer Gruppe bestehend aus Platin, Titan und Palladium ausgewählt ist .

Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die erste Elektrode in einer Ausnehmung einer Oberfläche eines ersten Bereichs eines ersten Substratteils angeordnet. Die Vorrichtung kann des weiteren einen zweiten Substratteil umfassen, der eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste und die zweite Oberfläche des zweiten Substratteils von einander abgewandt sind und die erste Oberflä-

che des zweiten Substratteils auf der Oberfläche des ersten Substratteils angeordnet ist. Der zweite Substratteil weist einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich auf, wobei der zweite Bereich des zweiten Substratteils an einen zweiten Bereich des ersten Substratteils gekoppelt ist, die erste Oberfläche des ersten Bereichs des zweiten Substratteils der ersten Elektrode zugewandt ist und die zweite Elektrode von dem ersten Bereich des zweiten Substratteils gebildet wird. Zwischen dem ersten Bereich des zweiten Substratteils und dem zweiten Bereich des zweiten Substratteils ist ein Hohlraum ausgebildet. Durch den zwischen dem ersten Bereich des zweiten Substratteils und dem zweiten Bereich des zweiten Substratteils ausgebildeten Hohlraum ist der erste Bereich des zweiten Substratteils nicht starr an den zweiten Bereich des zweiten Substratteils gekoppelt, während der zweite Bereich des zweiten Substratteils starr an den zweiten Bereich des ersten Substratteils gekoppelt ist. Vorteilhafterweise kann die Kopplungsstärke des zweiten Bereichs des zweiten Substratteils an den ersten Bereich des zweiten Substratteils durch geeignete Wahl der Dimensionierung des Hohlraums an eine Frequenz einer zugeführten Schwingung zur Vorrichtung derart abgestimmt werden, dass ein in den Lastkreis eingeprägter Strom maximiert wird.

Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung des weiteren einen dritten Substratteil der eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste und die zweite Oberfläche des dritten Substratteils von einander abgewandt sind. Die erste Oberfläche des dritten Substratteils ist auf der zweiten Oberfläche des zweiten Substratteils angeordnet. Eine dritte Elektrode aus einem Material mit einer dritten Austrittsarbeit, wobei die dritte Austrittsarbeit von der zweiten Austrittsarbeit verschieden ist, ist in einer Ausnehmung eines ersten Bereichs der ersten O- berflache des dritten Substratteils ausgebildet. Der zweite Bereich des zweiten Substratteils ist an einen zweiten Bereich des dritten Substratteils gekoppelt. Die zweite Ober-

fläche des ersten Bereichs des zweiten Substratteils ist der dritten Elektrode zugewandt und von der dritten Elektrode beabstandet. Die zweite Elektrode und die dritte Elektrode sind über eine zweite Lastschaltung elektrisch leitend verbunden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass bei Zuführen einer Schwingung zur Vorrichtung jeweils in der ersten Lastschaltung und in der zweiten Lastschaltung ein schwingender Strom eingeprägt wird.

Der erste Substratteil umfasst ein zweites Material, wobei das zweite Material aus einer Gruppe bestehend aus Silizium und Siliziumoxid ausgewählt sein kann. Der zweite Substratteil umfasst ein drittes Material, wobei das dritte Material aus einer Gruppe bestehend aus Silizium und Siliziumoxid ausgewählt sein kann. Der dritte Substratteil umfasst ein viertes Material, wobei das vierte Material aus einer Gruppe bestehend aus Silizium und Siliziumoxid ausgewählt sein kann. Die erfindungsgemäße Auswahl der Materialien für ersten, zweiten und dritten Substratteil erlaubt vorteilhafterweise die Integration der Vorrichtung in auf Siliziumtechnik basierenden Bauelementen.

Die dritte Elektrode umfasst ein fünftes Material. Das fünfte Material kann aus einer Gruppe bestehend aus Platin, Titan und Palladium ausgewählt sein.

Unter einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen zweiten Substratteil, der eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste und die zweite Oberfläche des zweiten Substratteils von einander abgewandt sind und die erste Oberfläche des zweiten Substratteils auf der Oberfläche des ersten Substratteils angeordnet ist. Der zweite Substratteil weist einen ersten und einen zweiten Bereich auf. Auf der ersten Oberfläche des ersten Bereichs des zweiten Substratteils ist die zweite Elektrode ausgebildet. Der zweite Bereich des zweiten Substratteils ist an einen zweiten Bereich des ersten Substratteils gekoppelt. Die zwei-

te Elektrode ist der ersten Elektrode zugewandt. Zwischen dem ersten Bereich des zweiten Substratteils und einem zweiten Bereich des zweiten Substratteils ist ein Hohlraum ausgebildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass das Material der zweiten Elektrode unabhängig von der Wahl des Materials des zweiten Substratteils gewählt werden kann. Dadurch kann die Differenz der Austrittsarbeiten zwischen erster und zweiter Elektrode erhöht werden.

Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung des weiteren einen dritten Substratteil, der eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste und die zweite Oberfläche des dritten Substratteils voneinander abgewandt sind. Die erste Oberfläche des dritten Substratteils ist auf der zweiten Oberfläche des zweiten Substratteils angeordnet. Auf der zweiten Oberfläche des ersten Bereichs des zweiten Substratteils ist eine dritte Elektrode aus einem Material mit einer dritten Austrittsarbeit ausgebildet. Eine vierte Elektrode aus einem Material mit einer vierten Austrittsarbeit ist in einer Ausnehmung der ersten Oberfläche eines ersten Bereichs des dritten Substratteils ausgebildet. Die vierte Austrittsarbeit ist von der dritten Austrittsarbeit verschieden. Der zweite Bereich des zweiten Substratteils ist an einen zweiten Bereich des dritten Substratteils gekoppelt. Die vierte Elektrode ist der dritten Elektrode zugewandt und von der dritten Elektrode beabstandet. Die dritte Elektrode und die vierte Elektrode sind über eine zweite Lastschaltung elektrisch leitend miteinander verbunden .

Der erste Substratteil ist bevorzugt aus einem zweiten Material gebildet, wobei das zweite Material aus einer Gruppe bestehend aus Silizium und Siliziumoxid ausgewählt ist. Der zweite Substratteil umfasst bevorzugt ein drittes Material, wobei das dritte Material aus einer Gruppe bestehend aus Silizium und Siliziumoxid ausgewählt ist. Der dritte Substratteil umfasst bevorzugt ein viertes Material, wobei das vierte

Material aus einer Gruppe bestehend aus Silizium und Siliziumoxid ausgewählt ist. Die zweite Elektrode ist bevorzugt aus einem fünften Material ausgebildet, wobei das fünfte Material aus einer Gruppe bestehend aus Platin, Titan und Palladium ausgewählt ist. Die dritte Elektrode umfasst bevorzugt ein sechstes Material, wobei das sechste Material aus einer Gruppe bestehend aus Platin, Titan und Palladium ausgewählt ist. Die vierte Elektrode umfasst bevorzugt ein siebtes Material umfasst, wobei das siebte Material aus einer Gruppe bestehend aus Platin, Titan und Palladium ausgewählt ist.

Unter einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Vorrichtung bereit, wobei die erste Elektrode auf einem ersten Bereich eines Substrats angeordnet ist und eine erste isolierende Schicht zwischen der ersten Elektrode und dem Substrat angeordnet ist. Die zweite Elektrode ist auf einem zweiten Bereich des Substrats angeordnet und von dem Substrat beabstandet. über eine flexible mechanische Verbindung ist die zweite Elektrode an das Substrat gekoppelt. Die erste E- lektrode ist starr mit dem Substrat verbunden. Dadurch dass die zweite Elektrode über eine flexible mechanische Verbindung an das Substrat gekoppelt ist, kann durch Zuführen einer Schwingung zur Vorrichtung auf einfache Weise im Lastkreis ein schwingender Strom eingeprägt werden.

Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung des weiteren eine auf einem dritten Bereich des Substrats angeordnete dritte Elektrode, die aus einem Material mit einer dritten Austrittsarbeit ausgebildet ist, wobei die dritte Austrittsarbeit von der zweiten Austrittsarbeit verschieden ist und wobei eine zweite isolierende Schicht zwischen der dritten Elektrode und dem Substrat angeordnet ist. Die zweite Elektrode und die dritte Elektrode sind über eine zweite Lastschaltung elektrisch leitend verbunden. Bevorzugt sind die erste Elektrode und die dritte Elektrode aus Silizium ausgebildet. Die zweite Elektrode umfasst bevorzugt ein Material,

das aus einer Gruppe bestehend aus Platin, Titan und Palladium ausgewählt ist.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt den Aufbau einer Vorrichtung zur Umwandlung e- lektrischer Energie in mechanische Energie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Figur 2 zeigt einen Querschnitt einer Vorrichtung zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Figur 3 zeigt einen Querschnitt einer Vorrichtung zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Figur 5 zeigt einen Querschnitt in Richtung AB der in Figur 4 dargestellten Anordnung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie.

Figur 6 zeigt einen Querschnitt in Richtung CD der in Figur 4 dargestellten Anordnung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie.

Figur 1 zeigt den Aufbau einer Vorrichtung zur Umwandlung e- lektrischer Energie in mechanische Energie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Eine aus einem Material mit einer ersten Austrittsarbeit gebildete erste Elektrode 1 und eine aus einem Material mit einer zweiten Austrittsarbeit gebildete zweite Elektrode 2, die von der ersten Austrittsarbeit verschieden ist, sind derart angeordnet, dass eine Oberfläche der ersten Elektrode 1 einer Oberfläche der zweiten Elektrode

2 gegenüberliegt. Durch die unterschiedlichen Austrittsarbeiten von erster Elektrode 1 und zweiter Elektrode 2 weist ein aus erster Elektrode 1 und zweiter Elektrode 2 gebildeter Kondensator eine integrierte Vorspannung auf. Bei Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen erster Elektrode 1 und zweiter Elektrode 2 fließt ein Strom zwischen erster Elektrode 1 und zweiter Elektrode 2 entsprechend der Potentialdifferenz von erster Elektrode 1 und zweiter Elektrode 2. Die erste Elektrode 1 und die zweite Elektrode 2 sind über eine erste Lastschaltung 3 elektrisch leitend miteinander verbunden und die zweite Elektrode 2 ist gegenüber der ersten Elektrode 1 mit veränderbarer Beabstandung angeordnet. Eine Veränderung des Abstandes der zweiten Elektrode 2 gegenüber der ersten Elektrode 1 bewirkt eine änderung der Kapazität des aus erster Elektrode 1 und zweiter Elektrode 2 gebildeten Kondensators und führt zu einem Stromfluss zwischen erster Elektrode 1 und zweiter Elektrode 2, der mittels der ersten Lastschaltung 3 in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Bevorzugt wählt man die Materialien der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 derart, dass die Differenz zwischen der ersten Austrittsarbeit der ersten Elektrode 1 und der zweiten Austrittsarbeit der zweiten Elektrode 2 möglichst groß ist. Beispielsweise kann die erste Elektrode 1 Silizium aufweisen und die zweite Elektrode 2 Platin, Titan oder Palladium. Es können jedoch auch andere Materialien zur Bildung der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 verwendet werden. Die erste Elektrode 1 kann mit einem externen System starr verbunden sein, während die zweite Elektrode 2 flexibel gegenüber dem externen System angeordnet ist.

Führt man nun dem externen System eine mechanische Schwingung mit einer Schwingungsfrequenz zu, so führt die erste Elektrode eine mechanische Bewegung mit der Schwingungsfrequenz aus. Aufgrund der flexiblen Kopplung der zweiten Elektrode 2 an das externe System führt die zweite Elektrode 2 nach einer gewissen Einschwingzeit ebenfalls eine mechanische Bewegung mit der Schwingungsfrequenz aus. Je nach Stärke der flexiblen

Kopplung ist die Phase der Schwingung der zweiten Elektrode 2 jedoch um einen Phasenwinkel gegenüber der Schwingung der ersten Elektrode 1 verschoben. Aufgrund der Phasenverschiebung zwischen der Schwingung der ersten Elektrode 1 und der Schwingung der zweiten Elektrode 2 erfolgt eine zeitliche änderung des Abstands zwischen erster 1 und zweiter Elektrode 2 und damit eine zeitliche änderung der Kapazität des aus erster 1 und zweiter Elektrode 2 gebildeten Kondensators .

Bevorzugt wählt man die Masse der zweiten Elektrode 2 und die Kopplungsstärke der zweiten Elektrode 2 an das externe System derart, dass die Eigenfrequenz des aus zweiter Elektrode 2 und der flexiblen Kopplung gebildeten Systems der zugeführten Schwingungsfrequenz entspricht. Damit erfolgt die änderung des Abstandes zwischen erster 1 und zweiter Elektrode 2 periodisch und der Betrag des durch die zeitliche änderung des Abstands zwischen erster Elektrode 1 und zweiter Elektrode 2 im zeitlichen Mittel induzierten Stromes wird maximiert. Das externe System kann beispielsweise ein Motor sein, der vibriert und somit die mechanische Bewegung mit der Schwingungsfrequenz erzeugt. Der an der ersten Lastschaltung 3 auftretende Strom kann auch einem Akkumulator oder einem anders gearteten Speicher für elektrische Energie zugeführt werden. über ein Mittel zum Abgriff einer Spannung 4 kann die an der Lastschaltung 3 anliegende Spannung abgegriffen werden.

Die Anordnung ist insbesondere vorteilhaft, da der Kondensator durch die unterschiedlichen Austrittsarbeiten von erster Elektrode 1 und zweiter Elektrode 2 eine integrierte Vorspannung aufweist, wodurch eine Aufbringung von Ladungen auf eine der beiden Elektroden vor Inbetriebnahme der Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie entfällt.

Figur 2 zeigt einen Querschnitt einer Anordnung zur Wandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In einer Ausnehmung einer ers-

ten Oberfläche in einem ersten Bereich eines ersten Substratsteils 5 ist eine erste Elektrode 1 angeordnet, die aus einem Material gebildet ist, das eine erste Austrittsarbeit aufweist. Die erste Elektrode 1 kann Platin, Titan, Palladium oder ein anderes geeignetes Material enthalten. Der erste Substratteil 5 enthält bevorzugt Silizium oder Siliziumoxid. Auf der ersten Oberfläche des ersten Substratteils 5 ist eine erste Oberfläche eines zweiten Substratteils 6 angeordnet, wobei ein zweiter Bereich des zweiten Substratteils 6 an einen zweiten Bereichs des ersten Substratteils 5 gekoppelt ist. Der zweite Substratteil 6 weist zudem eine zweite Oberfläche auf, die der ersten Oberfläche des zweiten Substratteils 6 abgewandt ist. Bevorzugt ist der zweite Bereich des ersten Substratteils 5 starr an den zweiten Bereich des zweiten Substratteils 6 gekoppelt. Die starre Kopplung kann durch ein Waferbonding-Verfahren erfolgen. Der zweite Substratteil 6 enthält bevorzugt Silizium oder Siliziumoxid.

Der zweite Substratteil 6 weist zwischen einem ersten Bereich des zweiten Substratteils 6 und dem zweiten Bereich des zweiten Substratteils 6 einen Hohlraum 7 auf. Der Hohlraum 7 kann beispielsweise durch eine ätzung ausgebildet werden. Die Dimensionen des Hohlraums 7, insbesondere in Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche des zweiten Substratteils 6 bestimmt die Kopplungsstärke des ersten Bereichs des zweiten Substratteils 6 an den zweiten Bereich des zweiten Substratteils 6. Aber auch die Dimension des Hohlraums 7 in Richtung parallel zur ersten Oberfläche des zweiten Substratteils 6 hat einen Einfluss auf die Kopplungsstärke des ersten Bereichs des zweiten Substratteils 6 an den zweiten Bereich des zweiten Substratteils 6. Beträgt die Dimension des Hohlraums 7 senkrecht zur ersten Oberfläche des zweiten Substratteils 6 beispielsweise nahezu die Dicke des zweiten Substratsteils 6, so ist die Kopplungsstärke zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich des zweiten Substratteils 6 gering. Die Dimensionen des Hohlraums 7 können in verschiedenen Bereichen zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich des zweiten Sub-

stratteils 6 unterschiedlich sein. Beispielsweise können erster und zweiter Bereich des zweiten Substratteils 6 in manchen Bereichen des zweiten Substratteils 6 nicht miteinander verbunden sein, oder es können erster und zweiter Bereich des zweiten Substratteils 6 nur in der Nähe der ersten beziehungsweise der zweiten Oberfläche des zweiten Substratteils 6 miteinander verbunden sein. Alternativ dazu können der erste und zweite Bereich des zweiten Substratteils 6 auch nur durch ein zwischen erster und zweiter Oberfläche des zweiten Substratteils 6 angeordnetes Material des zweiten Substratteils 6 verbunden sein.

Der erste Bereich des zweiten Substratteils 6 stellt eine zweite Elektrode 2 eines Kondensators dar, der von der ersten 1 und der zweiten Elektrode 2 gebildet wird. Die erste Elektrode 1 und die zweite Elektrode 2 sind in senkrechter Richtung zur ersten Oberfläche des zweiten Substratteils 6 beabstandet angeordnet, und die zweite Elektrode ist aus einem Material gebildet, das eine zweite, von der ersten Austrittsarbeit unterschiedliche Austrittsarbeit aufweist. Die erste Elektrode 1 und die zweite Elektrode 2 sind über eine erste Lastschaltung 3 elektrisch leitend miteinander verbunden.

Auf der zweiten Oberfläche des zweiten Substratteils 6 ist eine erste Oberfläche eines dritten Substratteils 9 angeordnet. In einem ersten Bereich der ersten Oberfläche des dritten Substratteils 9 ist eine dritte Elektrode 8 aus einem Material ausgebildet, das eine dritte Austrittsarbeit aufweist, die von der zweiten Austrittsarbeit verschieden ist. Die zweite Elektrode 2 und die dritte Elektrode 8 bilden zwei E- lektroden eines zweiten Kondensators . Die dritte Elektrode kann beispielsweise Platin, Titan, Palladium oder ein andere Material enthalten. Die dritte Elektrode 8 ist von der zweiten Elektrode 2 in Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche des dritten Substratteils 9 beabstandet angeordnet. Ein zweiter Bereich des dritten Substratteils 9 ist an den zweiten

Bereich des zweiten Substratteils 6 gekoppelt, wobei der zweite Bereich des zweiten Substratteils 6 bevorzugt starr an den zweiten Bereich des dritten Substratteils 9 gekoppelt ist. Die starre Kopplung kann beispielsweise durch ein Wafer- bondingverfahren erfolgen. Die zweite Elektrode 2 und die dritte Elektrode 8 sind über eine zweite Lastschaltung 10 e- lektrisch leitend miteinander verbunden.

Führt man dem aus erstem 5, zweitem 6 und drittem Substratteil 9 gebildeten Gesamtsystem eine mechanische Schwingung mit einer Schwingungsfrequenz zu, die eine Komponente senkrecht zur ersten Oberfläche des zweiten Substratsteils 6 aufweist, so führt die zweite Elektrode 2 nach einer gewissen Einschwingphase in Folge der flexiblen Kopplung des ersten Bereichs des zweiten Substratteils 6 an den zweiten Bereich des zweiten Substratteils 6 und in Folge der Trägheit der Masse der zweiten Elektrode 2 ebenfalls eine periodische Bewegung mit der Schwingungsfrequenz aus. Je nach Stärke der Kopplung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich des zweiten Substratteils 6 ist die Phase der Schwingung der zweiten Elektrode 2 jedoch um einen Phasenwinkel gegenüber der Schwingung der ersten Elektrode 1 verschoben.

Wählt man die Stärke der Kopplung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich des zweiten Substratteils 6 und die Masse des ersten Bereichs des zweiten Substratteils derart, dass die Eigenfrequenz des daraus gebildeten Systems der dem Gesamtsystem zugeführten Schwingungsfrequenz entspricht, so ändert sich der Abstand zwischen zweiter Elektrode 2 und erster, beziehungsweise dritter Elektrode 8 periodisch und induziert einen Stromfluss zwischen zweiter 2 und erster 1 beziehungsweise zweiter 2 und dritter Elektrode 8. über ein erstes Mittel zum Abgriff einer Spannung 4 kann die an der Lastschaltung 3 anliegende Spannung abgegriffen werden. über ein zweites Mittel zum Abgriff einer Spannung 19 kann die an der Lastschaltung 10 anliegende Spannung abgegriffen werden.

Figur 3 zeigt einen Querschnitt einer Anordnung zur Wandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In einer Ausnehmung einer ersten Oberfläche in einem ersten Bereich eines ersten Substratsteils 5 ist eine erste Elektrode 1 angeordnet, die aus einem Material gebildet ist, das eine erste Austrittsarbeit aufweist. Auf der ersten Oberfläche des ersten Substratteils

5 ist eine erste Oberfläche eines zweiten Substratteils 6 angeordnet, wobei ein zweiter Bereich des zweiten Substratteils

6 an einen zweiten Bereichs des ersten Substratteils 5 gekoppelt ist. Der zweite Substratteil 6 weist zudem eine zweite Oberfläche auf, die der ersten Oberfläche des zweiten Substratteils 6 abgewandt ist. Bevorzugt ist der zweite Bereich des ersten Substratteils 5 starr an den zweiten Bereich des zweiten Substratteils 6 gekoppelt. Die starre Kopplung kann durch ein Waferbonding-Verfahren erfolgen.

Der zweite Substratteil 6 weist zwischen einem ersten und dem zweiten Bereich des zweiten Substratteils 6 einen Hohlraum 7 auf. Der Hohlraum 7 kann beispielsweise durch eine ätzung ausgebildet werden.

Auf der ersten Oberfläche des zweiten Substratteils 6 ist in dem ersten Bereich eine zweite Elektrode 2 ausgebildet. Die erste Elektrode 1 und die zweite Elektrode 2 stellen die beiden Elektroden eines ersten Kondensators der Vorrichtung dar.

Die erste Elektrode 1 und die zweite Elektrode 2 sind in senkrechter Richtung zur ersten Oberfläche des zweiten Substratteils 6 beabstandet angeordnet, und die zweite Elektrode 2 ist aus einem Material gebildet, das eine zweite, von der ersten Austrittsarbeit unterschiedliche Austrittsarbeit aufweist. Die erste Elektrode 1 und die zweite Elektrode 2 sind über eine erste Lastschaltung 3 elektrisch leitend miteinander verbunden.

Auf der zweiten Oberfläche des zweiten Substratteils 6 ist in dem ersten Bereich eine dritte Elektrode 8 aus einem Material mit einer dritten Austrittsarbeit ausgebildet.

Eine erste Oberfläche eines dritten Substratteils 9 ist auf der zweiten Oberfläche des zweiten Substratteils 6 angeordnet .

In einer Ausnehmung eines ersten Bereichs der ersten Oberfläche des dritten Substratteils 9 ist eine vierte Elektrode 12 aus einem Material ausgebildet, das eine vierte Austrittsarbeit aufweist, die von der dritten Austrittsarbeit verschieden ist. Die dritte Elektrode 8 und die vierte Elektrode 12 bilden zwei Elektroden eines zweiten Kondensators der Vorrichtung. Die vierte Elektrode 12 ist von der dritten Elektrode 8 in Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche des dritten Substratteils 9 beabstandet angeordnet. Ein zweiter Bereich des dritten Substratteils 9 ist an den zweiten Bereich des zweiten Substratteils 6 gekoppelt, wobei der zweite Bereich des zweiten Substratteils 6 bevorzugt starr an den zweiten Bereich des dritten Substratteils 9 gekoppelt ist. Die starre Kopplung kann beispielsweise durch ein Waferbon- ding-Verfahren erfolgen. Die dritte Elektrode 8 und die vierte Elektrode 12 sind über eine zweite Lastschaltung 10 elektrisch leitend miteinander verbunden.

Erste Elektrode 1, zweite Elektrode 2, dritte Elektrode 8 und vierte Elektrode 12 sind bevorzugt aus Platin, Titan oder Palladium gebildet.

Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf eine Anordnung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Eine erste Elektrode 1, die aus einem Material mit einer ersten Austrittsarbeit gebildet ist, ist auf einem ersten Bereich eines Substrats 13 ausgebildet, wobei zwischen einem Teilbereich der ersten E- lektrode 1 und dem Substrat 13 eine erste isolierende Schicht

14 (nicht gezeigt in Figur 4) angeordnet ist. Die erste E- lektrode 1 ist starr mit dem Substrat 13 verbunden.

Eine zweite Elektrode 2 ist auf einem zweiten Bereich des Substrats 13 ausgebildet, wobei die zweite Elektrode 2 von dem Substrat 13 beabstandet angeordnet ist und ein Hohlraum (nicht gezeigt in Figur 4) zwischen der zweiten Elektrode 2 und dem Substrat 13 ausgebildet ist. Die zweite Elektrode 2 ist aus einem Material ausgebildet, das eine von der ersten Austrittsarbeit der ersten Elektrode 1 unterschiedliche zweite Austrittsarbeit aufweist.

Auf einem dritten Bereich des Substrats 13 ist eine dritte Elektrode 8 ausgebildet, wobei zwischen einem Teilbereich der dritten Elektrode 8 und dem Substrat 13 eine zweite isolierende Schicht 15 (nicht gezeigt in Figur 4) angeordnet ist. Die dritte Elektrode 8 ist aus einem Material ausgebildet, das eine von der zweiten Austrittsarbeit der zweiten Elektrode 2 unterschiedliche dritte Austrittsarbeit aufweist. Die dritte Elektrode 8 ist starr mit dem Substrat 13 verbunden.

Die erste Elektrode 1 ist als kammartige Struktur ausgebildet. Ausgehend von dem Teilbereich der ersten Elektrode 1 erstrecken sich Zacken 20 in Richtung einer ersten Richtung (y) . Zwischen den Zacken 20 der ersten Elektrode 1 und dem Substrat 13 ist ein Hohlraum (nicht gezeigt in Figur 4) ausgebildet .

Die zweite Elektrode 2 weist eine doppelkammartige Struktur auf, wobei erste Zacken 18 ausgehend von einem Teilbereich der zweiten Elektrode 2 sich entlang einer der ersten Richtung (y) entgegen gesetzten zweiten Richtung erstrecken und zweite Zacken 25 sich ausgehend von dem Teilbereich der zweiten Elektrode 2 entlang der ersten Richtung (y) erstrecken.

Die Zacken 20 der ersten Elektrode 1 und die ersten Zacken 18 der zweiten Elektrode 2 sind ineinander greifend angeordnet und voneinander beabstandet.

Die zweite Elektrode 2 ist über mindestens ein flexibles e- lektrisch leitfähiges Verbindungselement 17 an das Substrat 13 gekoppelt. Ein erstes 17-1 und ein zweites elektrisch leitfähiges flexibles Verbindungselement 17-2 sind in der Nähe einander abgewandter Seiten der zweiten Elektrode 2 angeordnet. Das erste 17-1 und das zweite elektrisch leitfähige flexible Verbindungselement 17-2 sind von dem Substrat beabstandet angeordnet und erstrecken sich entlang der ersten Richtung (y) .

Gegenüberliegende Enden 21-1, 21-2 des ersten elektrisch leitfähigen, flexiblen Verbindungselementes 17-1 sind über eine auf einem vierten Bereich des Substrats 13 und von dem Substrat 13 durch eine dritte isolierende Schicht 16 (nicht gezeigt in Figur 4) beabstandete erste leitfähige strukturierte Schicht 22 an das Substrat 13 gekoppelt.

Gegenüberliegende Enden 24-1, 24-2 des zweiten elektrisch leitfähigen, flexiblen Verbindungselementes 17-2 sind über eine auf einem fünften Bereich des Substrats 13 und von dem Substrat 13 durch eine vierte isolierende Schicht 11 (nicht gezeigt in Figur 4) beabstandete zweite leitfähige strukturierte Schicht 23 an das Substrat 13 gekoppelt.

Die dritte Elektrode 8 ist als kammartige Struktur ausgebildet, wobei Zacken 26 der dritten Elektrode 8 sich ausgehend von dem Teilbereich der dritten Elektrode 8 entlang der zweiten Richtung erstrecken. Zwischen den Zacken 26 der dritten Elektrode 8 und dem Substrat 13 ist ein Hohlraum (nicht gezeigt in Figur 4) ausgebildet. Die Zacken 26 der dritten E- lektrode 8 und die zweiten Zacken 25 der zweiten Elektrode 2 sind ineinander greifend angeordnet.

Die erste Elektrode 1 und die zweite Elektrode 2 sind über eine erste Lastschaltung 3 elektrisch leitend miteinander verbunden. Die zweite Elektrode 2 und die dritte Elektrode 8 sind über eine zweite Lastschaltung 10 elektrisch leitend miteinander verbunden. Die erste Elektrode 1 und die dritte Elektrode 8 sind bevorzugt aus Silizium ausgebildet. Die zweite Elektrode 2 enthält bevorzugt Platin, Titan, Palladium oder ein anderes geeignetes Elektrodenmaterial.

Führt man dem aus Substrat 13, erster Elektrode 1, zweiter Elektrode 2 und dritter Elektrode 8 gebildeten System eine mechanische Schwingung mit einer Schwingungsfrequenz zu, die eine Komponente senkrecht zur ersten Richtung (y) und parallel zu einer Oberfläche des Substrats 13 aufweist, so führt die zweite Elektrode 2 nach einer gewissen Einschwingzeit in Folge der flexiblen Kopplung 17 an das Substrat 13 und in Folge der Trägheit der Masse der zweiten Elektrode 2 ebenfalls eine periodische Bewegung mit der zugeführten Schwingungsfrequenz aus. Je nach Stärke der Kopplung zwischen der zweiten Elektrode 2 und dem Substrat 13 ist die Phase der Schwingung der zweiten Elektrode 2 jedoch um einen Phasenwinkel gegenüber der Schwingung der ersten Elektrode 1 und der dritten Elektrode 8 verschoben.

Wählt man die Stärke der Kopplung zwischen der zweiten Elektrode 2 und dem Substrat 13 und die Masse des ersten Bereichs des zweiten Substratteils derart, dass die Eigenfrequenz des daraus gebildeten Systems der dem System zugeführten Schwingungsfrequenz entspricht, so ändert sich der Abstand zwischen zweiter Elektrode 2 und erster 1, beziehungsweise dritter E- lektrode 8 periodisch und induziert einen Stromfluss zwischen zweiter 2 und erster 1 beziehungsweise zweiter 2 und dritter Elektrode 8

über ein erstes Mittel zum Abgriff einer Spannung 4 kann die an der ersten Lastschaltung 3 anliegende Spannung abgegriffen werden. über ein zweites Mittel zum Abgriff einer Spannung 19

kann die an der zweiten Lastschaltung 10 anliegende Spannung abgegriffen werden.

Figur 5 zeigt einen Querschnitt in Richtung AB der in Figur 4 dargestellten Anordnung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Die Zacken 20 der ersten Elektrode 1 und die ersten Zacken 18 der zweiten Elektrode 2 sind entlang einer dritten Richtung (x) alternierend angeordnet und von dem Substrat 13 beabstandet. Zwischen den Zacken 20 der ersten Elektrode 1 und den ersten Zacken 18 der zweiten Elektrode 2 ist ein Hohlraum ausgebildet. Das erste 17-1 und das zweite elektrisch leitfähige flexible Verbindungselement 17-2 sind in der Nähe einander abgewandter Seiten der zweiten Elektrode 2 auf dem Substrat 13 angeordnet, wobei zwischen den elektrisch leitfähigen flexiblen Verbindungselementen 17- 1, 17-2 und dem Substrat 13 ein Hohlraum ausgebildet ist. Die erste strukturierte leitfähige Schicht 22 ist auf einer von der zweiten Elektrode 2 abgewandten Seite des ersten elektrisch leitfähigen flexiblen Verbindungselements 17-1 angeordnet. Zwischen der ersten strukturierten leitfähigen Schicht 22 und dem Substrat 13 ist eine dritte isolierende Schicht 16 ausgebildet. Die zweite strukturierte leitfähige Schicht 23 ist auf einer von der zweiten Elektrode 2 abgewandten Seite des zweiten elektrisch leitfähigen flexiblen Verbindungselements 17-2 angeordnet. Zwischen der zweiten strukturierten leitfähigen Schicht 23 und dem Substrat 13 ist eine vierte isolierende Schicht 11 ausgebildet.

Figur 6 zeigt einen Querschnitt in Richtung CD der in Figur 4 dargestellten Anordnung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Auf einem ersten Bereich des Substrats 13 ist eine erste Elektrode 1 ausgebildet, wobei zwischen einem Teilbereich der ersten Elektrode 1 und dem Substrat 13 eine erste isolierende Schicht 14 angeordnet ist. Ausgehend von dem Teilbereich der ersten Elektrode 1 erstrecken sich Zacken 20 der ersten Elektrode 1 entlang der ersten Richtung (y) , wobei die Zacken 20 von dem Substrat 13

beabstandet sind. Auf einem zweiten Bereich des Substrats 13 ist eine zweite Elektrode 2 angeordnet, wobei die zweite E- lektrode 2 von dem Substrat 13 beabstandet angeordnet ist und ein Hohlraum zwischen der zweiten Elektrode 2 und dem Substrat 13 ausgebildet ist. Auf einem dritten Bereich des Substrats 13 ist eine dritte Elektrode 8 ausgebildet wobei zwischen einem Teilbereich der dritten Elektrode 8 und dem Substrat 13 eine zweite isolierende Schicht 15 angeordnet ist. Ausgehend von dem Teilbereich der zweiten Elektrode 2 erstrecken sich Zacken 18 der zweiten Elektrode 2 entlang einer der ersten Richtung (y) entgegen gesetzten Richtung, wobei die Zacken 18 von dem Substrat 13 beabstandet sind.