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Patent Searching and Data


Title:
DEVICE AND METHOD FOR DETECTING VIBRATIONS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2011/147430
Kind Code:
A1
Abstract:
The device according to the invention comprises a spring-mass system that is capable of vibration and has electrode structures on at least one side of the spring-mass system, in particular a comb structure that detects mechanical vibrations. The device further comprises a cover, which partially covers the spring-mass system capable of vibration or an electrode electrically connected to the spring-mass system capable of vibration for modulating the natural frequency. The analogous method according to the invention is used to detect mechanical vibrations in a spring-mass system that is capable of vibration and that has at least one electrode structure (3) on at least one side, in particular a comb structure, a cover that partially covers the vibrating mass or an electrode electrically connected to the spring-mass system capable of vibration for adjusting the natural frequency being moved (x). The aim of the invention is to specify a device and method having a modulating principle that requires energy only to adjust the natural/resonance frequency. Furthermore, a device and method should be specified that operate without additional energy requirements after the frequency has been adjusted.

Inventors:
MEHNER JAN (DE)
SCHAUFUSS JOERG (DE)
SCHEIBNER DIRK (DE)
Application Number:
PCT/EP2010/003194
Publication Date:
December 01, 2011
Filing Date:
May 26, 2010
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
MEHNER JAN (DE)
SCHAUFUSS JOERG (DE)
SCHEIBNER DIRK (DE)
International Classes:
B81B3/00; G01P15/125; H02N1/00
Foreign References:
US20070214890A12007-09-20
DE102005050351A12007-04-26
US20040207369A12004-10-21
DE19808549A11999-09-02
Other References:
STERKEN T ET AL: "An electret-based electrostatic /spl mu/-generator", TRANSDUCERS, SOLID-STATE SENSORS, ACTUATORS AND MICROSYSTEMS, 12TH INN ATIONAL CONFERENCE ON, 2003, PISCATAWAY, NJ, USA,IEEE, vol. 2, 9 June 2003 (2003-06-09), pages 1291 - 1294, XP010647587, ISBN: 978-0-7803-7731-8
SCHEIBNER ET AL: "A Frequency Selective Silicon Vibration Sensor with Direct Electrostatic Stiffness Modulation", ANALOG INTEGRATED CIRCUITS AND SIGNAL PROCESSING, KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS, BO, vol. 37, 1 January 2003 (2003-01-01), pages 35 - 43, XP009137896, ISSN: 1573-1979
WU X ET AL: "A frequency adjustable vibration energy harvester", PROCEEDINGS OF POWER MEMS 2008 +MICROMEMS 2008,, 1 January 2008 (2008-01-01), pages 245 - 248, XP009137898
SCHEIBNER, D.: "A Frequency Selective Silicon Vibration Sensor with Direct Electrostatic Stiffness Modulation", ANALOG INTEGRATED CIRCUITS AND SIGNAL PROCESSING, vol. 37, 2003, pages 35 - 43
STERKEN, T.; FIORINI, P.; BAERT, K.; PUERS, R.; BORGHS, G.: "An elektret based electrostatic g-generator.", PROC. TRANSDUCERS '03, 2003, pages 1291 - 1294
WU, X.; LIN, J.; KATO, S.; ZHAN, K.; REN, T.; LIU, L.: "A frequency adjustable vibration energy harvester.", PROCEEDINGS OF POWERMEMS 2008 + MICROEMS2008, 2008, pages 245 - 248
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE)
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Claims:
Patentansprüche

Vorrichtung mit einem schwingfähigen Feder-Masse-System (1) mit Elektrodenstrukturen (3) an zumindest einer Seite des Feder-Masse-Systems (1) , insbesondere in eine Kammstruktur, der mechanische Schwingungen (m) erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass

die Vorrichtung eine Abdeckung (2) umfasst, welche das schwingfähige Feder-Masse-System (1) oder eine mit dem schwingfähigen Feder-Masse-System elektrisch verbundene Elektrode zur Eigenfrequenzabstimmung partiell überdeckt.

Vorrichtung nach Patentanspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

ein Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, der mechanische Schwingungen (m) des schwingfähigen Feder-Masse- System (1) in elektrische Energie umwandelt.

Vorrichtung nach Patentanspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

sie als Schwingungssensor verwendet wird.

Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass

die Abdeckung (2) des schwingfähigen Feder-Masse-Systems (1) oder einer mit dem schwingfähigen Feder-Masse-System (1) elektrisch verbundenen Elektrode aus einem Elektret besteht .

Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet dass

zur Abstimmung der Frequenz eine Verschiebung (x) der Abdeckung (2) senkrecht zur Schwingrichtung der schwingenden Masse erfolgt.

6. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass

bei Schwingung des schwingfähigen Feder-Masse-Systems (1) die Fläche der wirksamen Überdeckung des Schwingkörpers durch die Abdeckung konstant bleibt.

7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet dass

es zumindest zwei Elektrodenstrukturen (3) beinhaltet, welche sich an zwei, sich gegenüberliegenden Seiten des schwingfähigen Feder-Masse-System (1) befinden.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet dass

diese zumindest teilweise als mikromechanische Struktur ausgeführt ist.

9. Verfahren zur Erfassung von mechanischen Schwingungen (m) in einem schwingfähiges Feder-Masse-System (1) mit zumin- dest einer Elektrodenstruktur (3) an zumindest einer Seite, insbesondere eine Kammstruktur,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine Abdeckung (2), welche die schwingende Masse oder eine mit dem schwingfähiges Feder-Masse-System elektrisch ver- bundene Elektrode zur Eigenfrequenzabstimmung partiell überdeckt, verschoben (x) wird.

10. Verfahren nach Patentanspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, dass

zur Erzeugung elektrischer Energie ein Generator die mechanische Schwingungen (m) in elektrische Energie umwandelt.

11. Verfahren nach Patentanspruch 9,

dadurch gekennzeichnet dass

das Verfahren zum Erfassen von Schwingungen als Schwingungssensor verwendet wird.

12. Verfahren nach Patentanspruch 9 bis 11,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Abdeckung (2) des schwingfähigen Feder-Masse-Systems (1) aus einem Elektret besteht.

13. Verfahren nach Patentanspruch 9 bis 12,

dadurch gekennzeichnet, dass

zur Abstimmung der Frequenz die Abdeckung (2) senkrecht (x) zur Schwingrichtung (m) des Schwingkörpers verschoben wird .

Verfahren nach Patentanspruch 9 bis 13,

dadurch gekennzeichnet, dass

bei Schwingung des schwingfähigen Feder-Masse-Systems (l)die Fläche der wirksamen Überdeckung des schwingfähig Feder-Masse-Systems (1) durch die Abdeckung (2) konstant bleibt .

Description:
Beschreibung

Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung von Schwingungen Fachgebiet der Erfindung

Unter MikroSystemen, MEMS - Micro-Electro-Mechanical-Systems , versteht man miniaturisierte Geräte, die für eine bestimmte Aufgabe entwickelt wurden. Die Bezeichnung Mikrosystem leitet sich daraus ab, dass die Komponenten kleinste Abmessungen (im Mikrometerbereich) haben und als System zusammenwirken. Im Allgemeinen besteht ein Mikrosystem aus einem oder mehreren Sensoren, Aktoren und einer Steuerungselektronik auf einem Substrat bzw. Chip.

Einrichtungen, bzw. Generatoren, die mechanische Schwingungen in elektrische Energie umwandeln, sind unter dem Begriff „kinetische Energy Harvester" bereits bekannt. Als Energy Har- vesting bezeichnet man die Erzeugung von Strom aus Quellen wie Temperaturgradienten, Vibrationen oder Luftströmungen. Es werden heute bereits Energiequellen für drahtlose Sensornetzwerke oder Anwendungen entwickelt wie etwa Fernbedienungen an schwer erreichbaren Stellen. Energy Harvesting vermeidet bei Drahtlostechnologien Einschränkungen durch kabelgebundene Stromversorgung oder Batterien.

Zur optimalen Leistungsausbeute ist es nötig, die Eigenfrequenz kinetischer Energy Harvester auf die Frequenz der Vibrationsquelle abzustimmen. Außerhalb dieser Frequenz ist die generierte Leistung viel geringer und im Regelfall so gering, dass sie selbst für Anwendungsfälle in der Elektronik mit geringem Energiebedarf nicht ausreicht.

Sensoren und kinetische Energy Harvester werden auch als Mikrosystem ausgeführt.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zur Erfassung von Schwingungen. Für eine optimale Leistungsausbeute der Energy Harvester ist es dabei nötig deren Eigenfrequenz / Resonanzfrequenz auf die Frequenz der Vibrationsquelle abzustimmen. Außerhalb dieser Frequenz ist die entziehbare Leistung viel geringer und im Regelfall zu gering um selbst Elektronik mit sehr geringem Energiebedarf ausreichend mit Energie zu versorgen.

Durch Veränderung der Parameter Masse m oder der Federstei- figkeit k bei der Fertigung kann die Eigenfrequenz des Mikro- systems entsprechend folgender Gleichung angepasst werden. Dies setzt jedoch Kenntnis über die für die Energiegewinnung interessanten Frequenzen voraus. Der Generator muss im Voraus passend ausgelegt werden und ist dann nicht universell auf alle Vibrationsquellen einsetzbar. Die feste Frequenz unterliegt zudem durch Fertigungstoleranzen gewissen Abweichungen.

Stand der Technik

Um eine Eigen- / Resonanzverschiebung im Betrieb zu realisie- ren, sind verschiedene Methoden bekannt: a) Erzeugung einer zusätzlichen Federkonstante mit positivem oder negativem Vorzeichen durch äußere wegabhängige Kräfte durch Anlegen einer zusätzlichen Spannung an der Elektrode, siehe z. B. Scheibner, D., et. al. „A Frequency Selective

Silicon Vibration Sensor with Direct Electrostatic Stiffness Modulation", Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 37, 35-43, 2003. b) Nutzung des sogenannten Stress-Stiffening-Effekt , hierbei bewirken Zugkräfte in den Federn eine Erhöhung der Federkon ¬ stante . c) Variation des Lastwiderstandes - Sterken, T.; Fiorini, P.; Baert, K. ; Puers, R. ; Borghs, G.: „An elektret based

electrostatic μ-generator . " Proc. Transducers '03, 2003, S. 1291-1294 d) Variation der Position des Masseschwerpunktes, Wu, X.;

Lin, J. ; Kato, S . ; Zhan, K. ; Ren, T. & Liu, L.: „A frequency adjustable Vibration energy harvester." in Proceedings of PowerMEMS 2008 + microEMS2008 , 2008, S. 245-248.

Aufgabe der Erfindung ist es, die oben genannten Probleme zu lösen und eine Vorrichtung sowie ein Verfahren anzugeben, welches ein Abstimmprinzip umfasst, das nur zur Einstellung der Eigen-/ Resonanzfrequenz Energie benötigt. Weiterhin soll eine Vorrichtung und ein Verfahren angegeben werden, die nach Einstellung der Frequenz im weiteren Betrieb ohne zusätzlichen Energiebedarf arbeitet.

Darstellung der Erfindung

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1. Die Vorrichtung umfasst ein schwingfähiges Feder-Masse-System mit Elektrodenstrukturen an zumindest ei- ner Seite des Feder-Masse-Systems, insbesondere mit einer

Kammstruktur, das mechanische Schwingungen (m) erfasst. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Abdeckung, welche das schwingfähige Feder-Masse-System oder eine mit dem schwingfähigen Feder-Masse-System elektrisch verbundenen Elektrode zur Eigenfrequenzabstimmung partiell überdeckt. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst gemäß Patentanspruch 9 durch ein Verfahren zur Erfassung von mechanischen Schwingungen in einem schwingfähigen Feder-Masse-System mit zumindest einer Elektrodenstruktur an zumindest einer Seite, insbeson- dere eine Kammstruktur. Eine Abdeckung, welche das schwingfähige Feder-Masse-System oder eine mit der schwingenden Masse elektrisch verbundene Elektrode zur Eigenfrequenzabstimmung partiell überdeckt, wird verschoben. Die erfindungsgemäße Lösung ist eine Weiterentwicklung der oben genannten Lösungsansätze.

Die Kraft F an einer Kammelektrode im Overlap-Prinzip berech- net sich mit n Anzahl der Finger pro Kamm,

h Höhe der Kammelektroden,

ε 0 Dielektrizitätskonstante,

ε γ relative Dielektrizitätszahl des Mediums zwischen den Elektroden,

d Abstand zwischen den Elektroden.

Aus dieser Gleichung wird ersichtlich, dass die Kraft konstant ist, so lange auch die Spannung U konstant ist.

Wird die Spannung aber so gesteuert, dass sich die Kräfte wegabhängig verändern, so hat dies einen Einfluss auf die Ge- samtfedersteifigkeit und somit auf die Resonanzfrequenz des Systems .

Diese Erfindung ermöglicht eine entsprechende Steuerung, die nur zum Verstellen der Resonanzfrequenz Energie benötigt. Der weitere Betrieb des Harvesters / Sensors auf der abgestimmten Frequenz erfolgt ohne weiteren Energieaufwand. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhafterweise als Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden, der mechanische Schwingungen des schwingfähigen Feder- Masse-System in elektrische Energie umwandelt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird diese alternativ als Schwingungssensor verwendet.

Die Abdeckung des schwingfähigen Feder-Masse-Systems oder einer mit der schwingfähigen Feder-Masse-System elektrisch ver- bundene Elektrode kann vorteilhafterweise auch aus einem Elektret bestehen.

Ein Elektret ist ein elektrisch isolierendes Material, das quasi-permanent gespeicherte elektrische Ladungen oder quasi- permanent ausgerichtete elektrische Dipole enthält und somit ein quasi-permanentes elektrisches Feld in seiner Umgebung oder in seinem Inneren erzeugt. Heute werden Elektrete meist aus Polymeren hergestellt, teilweise aber auch aus anorganischen Dielektrika wie Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid .

Über die Spannung U kann die Kraft F an den Elektroden beein- flusst werden. Neu an dieser Erfindung ist, die Spannung durch Veränderung der wirksamen Fläche des Elektrets (bezogen auf einer elektrisch leitfähigen aber zum Elektret elektrisch isolierte Schicht, z.B. Silizium) zu verändern und somit die Resonanzfrequenz zu beeinflussen. Die mechanische Verstellung kann z. B. über eine angepasste Form des SchrittSchaltwerkes erfolgen und so realisiert werden, dass sie selbsthaltend ist (beispielsweise über Klinken oder Rasten) . Die Resonanzabstimmung des schwingfähigen Systems kann autonom ohne manuelle Eingriffe des Anwenders erfolgen.

Bei kapazitiven Generatoren ist durch den Einsatz des

Elektrets keine zusätzliche Spannungsquelle zur Erzeugung der Vorspannung / Polarisationsspannung nötig.

Vorteilhafterweise beinhaltet die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest zwei Elektrodenstrukturen, welche sich an zwei, sich gegenüberliegenden Seiten des schwingfähigen Feder-Masse-System befinden.

Die Vorrichtung kann dabei zumindest teilweise als mikromechanische Struktur ausgeführt sein.

Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungsformen

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigen

Figur la: eine schematische Darstellung der Draufsicht zur Verdeutlichung der variablen Überdeckung u des Elektrets mit dem darunter liegenden leitfähigen Material (hier Silizium) ,

Figur 1b: Zugehörige Seitenansicht mit schematischer Darstellung

Figur lc: Simulationsergebnisse für den Leistungsabfall über R zur Verdeutlichung der Resonanzverschiebung für das dargestellte System durch Veränderung von U po i aufgrund der

Elektretverschiebung . Figur 2: ein Piezoelektrischer Energy Harvester mit veränderlicher Resonanzfrequenz durch Variation der Elektret- Überdeckung . Abb. 1 zeigt schematisch die Idee dieser Erfindung am Beispiel eines kapazitiv arbeitenden Energy Harvesters.

Durch die Veränderung der Überdeckung u durch Verschiebung des Elektrets um die Relativverschiebung x verändern sich die Spannungsabfälle über den Kondensatoren (hier Ci und C 2 ) .

Schwingt die Masse m nicht, lässt sich leicht die Spannung an diesen Kondensatoren berechnen (der Spannungsabfall über den Widerständen R wird Null). Sie wird Polarisationsspannung U Po i genannt und kann mit

Q(u)

P ol " c ^ gesamt O v"rt berechnet werden. Die Ladung Q variiert mit der Überdeckung u. Auch die Kapazität zwischen Elektret und in diesem Falle Silizium ändert sich, die Gesamt kapazität C g e S amt wird dadurch aber nicht so stark beeinflusst wie die Ladung Q. Dadurch ist die Polarisationsspannung über die Relativverschiebung x der Position des Elektrets zur leitfähigen Schicht beeinflussbar. Schwingt die Masse m entlang der in Figur la dargestellten

Richtung, bleibt die wirksame Überdeckung des Elektrets durch eine entsprechende konstruktive Umsetzung konstant, Ci und C 2 verändern sich aber gegensinnig. Durch die hochohmigen Widerstände R (können beispielsweise die Verbraucher bei den Ener- gy Harvestern sein) können die Ladungen aus den variablen Kondensatoren nur verzögert abfließen.

Am kleiner werden Kondensator stellt sich somit eine größere Spannung und folglich größere Kraftwirkung ein. Am anderen Kondensator verhält es sich genau umgekehrt. Es entsteht eine zusätzliche Kraft, die die Resonanzfrequenz beeinflusst .

Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Harvester oder piezoelektrischen / piezoresistiven Sensors wird hier ebenfalls dadurch gesteuert, dass die Überdeckung zwischen

Elektret und der Siliziumfläche variabel gestaltet ist und sich damit die elektrische Spannung an den Kammelektroden einstellen lässt.

Über die Kammelektroden werden elektrostatische Kräfte auf den Schwinger ausgeübt, die in Richtung Nulllage wirken. Die Gesamtfedersteifigkeit wird damit erhöht.