ELEKTROSTATISCHER GENERATOR FÜR MEHRFREQUENTE VIBRATIONSQUELLEN

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Es besteht zunehmender Bedarf an MikroSystemen in den Berei- chen 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.

Es sind herkömmliche autarke Systeme bekannt, die lediglich mittels solarer Energiewandlung betrieben werden. Nachteilig ist dabei, dass alle Anwendungsgebiete, bei denen keine Son ^¬ nenenergie 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 .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde für eine Vorrich ^¬ tung, insbesondere für ein Mikrosystem, eine Energieumwand- lung 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 Vorrich- tung soll insbesondere als Sensor, als Aktuator und/oder zur Datenübertragung und/oder als Energiequelle bzw. Generator und/oder als Signalgeber verwendbar sein.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptan- spruch und eine Verwendung gemäß dem Nebenanspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen .

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.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Kondensatoranordnung als Feder-Masse-System mit einer Resonanzfrequenz derart bereit gestellt, so dass eine dazugehörige Spektralli ^¬ nie eines Frequenzbandes einer Vibration wirksam nutzbar ist. Diese Spektrallinie ist durch die Frequenz der Vibration be- stimmt, die der Resonanzfrequenz der dazugehörigen Kondensatoranordnung entspricht. Diese schwingt damit in Resonanz.

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 ei ^¬ nes Vibrationsspektrums wirksam nutzbar ist. Gemäß einer Aus ^¬ führungsform weisen mehrere oder alle Kondensatoranordnungen dieselbe Resonanzfrequenz auf, so dass die Vorrichtung beson- ders 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.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist/sind die Kondensatoranordnung (en) zur Einstellung der Resonanzfre- quenz (en) , insbesondere hinsichtlich Masse und/oder Federsteifigkeit, variabel. Einerseits sind die Kondensatoranord ^¬ nungen 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 Konden- satoranordnung durch Veränderung deren wirksamen Masse und/oder Federsteifigkeit erzeugt werden. Dazu kann die Kon ^¬ densatoranordnung diskrete Massebereiche aufweisen, die fi ^¬ xiert 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.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist min- destens eine Kondensatoranordnung eine Kammstruktur auf. Dabei bildet jede Elektrode einen Kamm, wobei die Kämme derart ineinander greifen, dass parallel geschaltete Kondensatorbe ^¬ reiche erzeugt werden.

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.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kondensatoranordnungen in Oberflächen- oder Volumen- Mikromechanik ausgebildet. Dabei sind die Kondensatoranord ^¬ nungen horizontal - in-plane - in einer Ebene auf einer Wa- feroberflache oder vertikal - out-of-plane - in einem VoIu- menbereich eines Wafers angeordnet beziehungsweise erzeugt.

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 Konden- satoranordnung (en) gekoppelt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine elektrische Spannung zur elektrischen Ladung einer Kondensatoranordnung mittels unterschiedlichen Materialien mit unter- schiedlichen Austrittsarbeiten erzeugt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine elektrische Spannung zur elektrischen Ladung einer Kondensatoranordnung mittels eines Dielektrikums und/oder mittels ei- ner Spannungsquelle erzeugt.

Der Einrichtung zur Energiewandlung kann bei einer Vorrichtung, insbesondere einem Mikrosystem, vorteilhaft als Sensor, als Aktuator, für die Datenkommunikation und/oder als Ener- giequelle beziehungsweise Generator und/oder als Signalgeber verwendet werden.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Ver ^¬ bindung mit der Fig. 1 näher beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel verschiedener Kondensatoranordnungen auf einem Wafer.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel mit ver- schiedenen Kondensatoranordnungen auf einem Wafer. Eine Wafe- relektrode weist beispielsweise Silizium oder SOI auf. Gegen ^¬ elektroden weisen beispielsweise passiviertes Silizium mit beispielsweise Platin, Titan, Platintitan oder Paladium beschichtet auf. Die Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zur Energie- Umwandlung, 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 E- nergieumwandlung 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.

Der kapazitive Mikro-Power-Generator für mehrfrequente Vibra ^¬ tionsquellen, in Fig. 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.

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 e- lektrische 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 typi ^¬ sche 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 BuIk- Mikromechanik oder Oberflächen-Mikromechanik realisiert werden. Sowohl in-plane als auch out-of-plane Kondensatoranord- nungen sind umsetzbar.

Bevorzugte Vibrations- bzw. Resonanzfrequenzen liegen im Bereich zwischen 1000 Hz bis 5000 Hz. Andere Bereiche sind e- benso 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.