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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere ein Mikrosystem,
mit einer Einrichtung zur Energieumwandlung.
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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.
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Eine
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 elektrischen 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 Elektretfilm
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.
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Eine
weitere der Anmelderin bekannte Vorrichtung zur Umwandlung mechanischer
Energie in elektrische Energie umfasst eine erste Elektrode aus einem
ersten Material, das eine erste Austrittsarbeit für Ladungsträger aufweist,
sowie eine zweite Elektrode aus einem zweiten Material, das eine
zweite Austrittsarbeit für
Ladungsträger
aufweist, wobei die zweite Austrittsarbeit von der ersten Austrittsarbeit unterschiedlich
ist. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind über eine
Lastschaltung elektrisch leitend miteinander verbunden. Dadurch,
dass die zweite Elektrode relativ zur ersten Elektrode mit veränderbarer
Beabstandung angeordnet ist, kann durch Zuführung einer Schwingung zur
Vorrichtung auf einfache Weise in dem Lastkreis ein schwingender
Strom eingeprägt
werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Vorrichtung, insbesondere
für ein
Mikrosystem, eine Energieumwandlung, auf einfache, wirksame und
kostengünstige
Weise bereit zu stellen. Die Vorrichtung soll in herkömmlichen
Halbleitertechnologien integrierbar und im Wesentlichen wartungsfrei sein.
Weitere Forderungen sind ein kabelloser Betrieb sowie eine optimale
Miniaturisierung der Vorrichtung. Die Vorrichtung soll insbesondere
als Sensor, als Aktuator und/oder zur Datenübertragung und/oder zur in-situ
Diagnose und/oder als Energiequelle bzw. Generator und/oder als
Signalgeber verwendbar sein.
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Der
Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, die in-situ Diagnose
von sich bewegenden, insbesondere rotierenden, Bauteilen auf einfache und
autarke Weise zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich jeweils in den abhängigen Patentansprüchen.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung,
insbesondere ein Mikrosystem, umfasst eine Einrichtung zur Energieumwandlung,
die eine Elektrodenstruktur zur kapazitiven Umwandlung von mechani scher
Energie in elektrische Energie aufweist, wobei die Elektrodenstruktur
eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode mit relativ zu der
ersten Elektrode veränderbarem
Abstand aufweist. Die Vorrichtung umfasst weiter eine Lastschaltung, über welche
die erste und die zweite Elektrode elektrisch leitend miteinander verbunden
sind. Ein Übertrager
ist mit der zweiten Elektrode gekoppelt, wobei durch eine Bewegung des Übertragers
der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode veränderbar
ist und wobei die Bewegung des Übertragers
berührungslos
durch Wechselwirkung des Übertragers
mit einem sich bewegenden Teil bewirkbar ist.
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Die
Lösung
für die
Energieumwandlung liegt somit darin, mechanische Energie, insbesondere
die Bewegung eines Bauteils, welches benachbart zu der Vorrichtung
angeordnet ist, zunächst
in ihrer Erscheinungsform zu wandeln und sodann in elektrische Energie
zu wandeln. Dies bedeutet, es wird die Bewegungsenergie des Bauteils
dazu genutzt, die Elektrodenstruktur der Vorrichtung mechanisch
anzuregen und dabei den Abstand zwischen der ersten und der zweiten
Elektrode zu variieren. Die Abstandsänderung bewirkt eine Änderung
der Kapazität des
aus erster und zweiter Elektrode gebildeten Kondensators und führt über die
Lastschaltung zu einem Stromfluss zwischen erster und zweiter Elektrode, der
mittels der Lastschaltung in elektrische Energie umgewandelt werden
kann. Somit wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt.
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Die
Einrichtung zur Energieumwandlung bildet einen Generator aus, der
im Wesentlichen ein Feder-Masse-System darstellt, welches in der
Lage ist, mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.
Die elektrische Energie steht somit für ein autarkes Mikrosystem,
z.B. für
eine in-situ Diagnose, zur Verfügung
bzw. sie kann zwischengespeichert werden. Die zu wandelnde mechanische
Energie erhält
der Generator, indem er an das benachbarte und zu überwachende
Bauteil, das während
der Überwachung
eine Bewegung ausführt,
angekoppelt wird.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform ist
die Bewegung des Übertragers
durch magnetische Wechselwirkung des Übertragers mit dem sich bewegenden
und abschnittsweise magnetische Eigenschaften aufweisenden Teil
bewirkbar. Die Auslenkung des Übertragers
und damit der Elektrodenstruktur erfolgt durch anziehende und/oder
abstoßende
Kräfte,
wobei eine Übertragung
der Bewegung berührungslos
auf den Übertrager
möglich
ist. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass z.B. zur Überwachung
des sich bewegenden Bauteils keine oder nur geringfügige baulichen
Veränderungen
notwendig sind.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform ist
die Bewegung des Übertragers
durch ein sich drehendes Teil hervorgerufen, so dass eine periodische Bewegung
oder Schwingung des Übertragers
und der Elektrodenstruktur bewirkt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
eignet sich damit insbesondere zur berührungslosen und damit autarken Überwachung von
Rotationsmaschinen, wie z.B. Wellen oder Turbinen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform weist
der Übertrager
permanentmagnetische Eigenschaften auf. Diese können durch eine permanentmagnetische
Schicht oder einen Permanentmagneten bereit gestellt sein.
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Zweckmäßigerweise
weisen die erste und die zweite Elektrode vor Beginn einer Abstandsänderung
einen Potentialunterschied auf. Mit anderen Worten bedeutet dies,
dass der durch die erste und die zweite Elektrode gebildete Kondensator "aufgeladen" ist.
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Das
Aufladen der Elektrodenstruktur kann durch ein Elektret, einen Ladekondensator
oder unter Ausnutzung einer Differenz der Austrittsarbeiten der Materialien
der ersten und der zweiten Elektrode bewirkt sein. Im letzteren
Fall sind die erste und die zweite Elektrode aus unterschiedlichen
Materialien mit unterschiedlichen Austrittsarbeiten gebildet, so dass
der Kondensator eine integrierte Vorspannung aufweist. Durch die
Vorspannung und das Vorsehen einer elektrisch lei tenden Verbindung
zwischen erster und zweiter Elektrode fließt dann ein Strom zwischen
erster und zweiter Elektrode entsprechend der Potentialdifferenz
von erster und zweiter Elektrode. Die elektrische Verbindung zwischen
erster und zweiter Elektrode erfolgt, wie oben bereits erläutert, unter
Zwischenschaltung einer Lastschaltung. Diese ist dazu ausgebildet,
den zwischen erster und zweiter Elektrode fließenden Strom in elektrische
Energie umzuwandeln. Bevorzugt wählt
man die Materialien der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode
derart, dass die Differenz zwischen der Austrittsarbeit der ersten
Elektrode und der zweiten Austrittsarbeit der zweiten Elektrode
möglichst
groß ist.
Beispielsweise kann die erste Elektrode Silizium aufweisen und die
zweite Elektrode Platin, Titan oder Palladium. Es können jedoch
auch andere Materialien zur Bildung der ersten Elektrode und der
zweiten Elektrode verwendet werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist die zweite Elektrode auf einer federnd gelagerten Zusatzmasse
angeordnet und der Übertrager
an der Zusatzmasse vorgesehen. Durch das Anbringen der zweiten Elektrode
an der federnd gelagerten Zusatzmasse kann das Schwingungsverhalten
zwischen erster und zweiter Elektrode gezielt beeinflusst werden.
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Die
zweite Elektrode und der Übertrager
sind gemäß einer
weiteren Ausführungsform
auf gegenüber
liegenden Oberflächen
der Zusatzmasse angeordnet. Hierdurch kann insbesondere der Übertrager optimal
zu dem sich bewegenden Teil angeordnet werden. Darüber hinaus
werden die Eigenschaften des Kondensators durch den Übertrager
nicht beeinflusst.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist die federnd gelagerte Zusatzmasse in einem ersten Wafer ausgebildet,
wobei auf einer ersten Oberfläche des
ersten Wafers ein zweiter Wafer aufgebracht ist, an dem, der zweiten
Elektrode auf der Zusatzmasse zugewandt, die erste Elektrode beabstandet
zu der zweiten Elektrode angeordnet ist. Ferner kann gemäß einer
weiteren Ausführungsform
vorgesehen sein, auf einer zweiten Oberfläche des ersten Wafers, die
der ersten Oberfläche
gegenüberliegt,
einen dritten Wafer anzuordnen, so dass die Zusatzmasse mit der
zweiten Elektrode und dem Übertrager
in einem gekapselten Hohlraum schwingen kann. Hierdurch wird die
Einrichtung zur Energieumwandlung einerseits vor mechanischen Belastungen
geschützt. Andererseits
können
die Reibungsverluste bei der Schwingung der Zusatzmasse mit der
zweiten Elektrode und dem Übertrager
verringert werden, indem der Hohlraum evakuiert wird.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Elektrodenstruktur
als Feder-Masse-System mit einer Resonanzfrequenz derart bereit gestellt,
dass diese innerhalb eines Frequenzbandes einer Bewegung des mit
dem Übertrager
wechselwirkenden Teils gelegen ist. Der Betrieb der Elektrodenstruktur
mit Resonanzfrequenz ermöglicht
eine maximierte Energieausbeute.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Resonanzfrequenz der
Elektrodenstruktur insbesondere durch Variation der Masse und/oder
Federsteifigkeit einstellbar.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Einrichtung zur Energieumwandlung als
Sensor, als Aktuator, für
die Datenkommunikation als auch im Bereich der Automobil- und Automationstechnik
und/oder als Energiequelle und/oder als Signalgeber und/oder als
Diagnosemittel ausgebildet.
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Die
Erfindung stellt weiter ein System mit einem sich bewegenden Bauteil
und einer Vorrichtung, insbesondere einem Mikrosystem, zur Energiewandlung
bereit, wobei durch die Bewegung des Bauteils berührungslos
eine mechanische Bewegung des Übertragers
der Vorrichtung durch Wechselwirkung mit dem Bauteil erzeugbar ist,
wobei die mechanische Bewegung des Übertragers durch die Vorrichtung
in elektrische Energie wandelbar ist. Die dabei zum Einsatz kommende
Vorrichtung ist wie vorstehend beschrieben ausgebildet. Das System
weist die gleichen Vorteile auf, wie sie bereits in Zusammenhang
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beschrieben wurden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist das sich bewegende Bauteil eine Rotationsmaschine,
wie z.B. eine Welle, eine Turbine oder ein Schaufelrad. Die zur
Anregung der Elektrodenstruktur notwendige Energie kann jedoch auch
bei einem Bauteil gewonnen werden, das eine lineare Bewegung vollführt.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist an dem sich bewegenden Bauteil in regelmäßigen Abständen ein
den Übertrager
berührungslos
auslenkendes zweites Übertragungsmittel
vorgesehen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist das zweite übertragungsmittel durch ein
ferro-magnetisches Material, insbesondere Eisen, Kobalt oder Nickel,
oder einen Permanentmagneten, gebildet.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist das zweite übertragungsmittel durch die
Rotationsmaschine selbst gebildet, z.B. die Schaufeln einer Turbine,
sofern diese aus einem ferro-magnetischen
Material gefertigt ist, oder an dieser, z.B. den Turbinenschaufeln,
angeordnet ist.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung
näher beschrieben.
Die einzige Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Einrichtung
zur Wandlung von Energie und ein mit dieser berührungslos gekoppeltes, sich
bewegendes Bauteil.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel
wird eine Einrichtung 100 zur Energieumwandlung als Energiequelle
in Form eines kapazitiven Mikro-Power-Generators verwendet.
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Diese
umfasst eine Elektrodeneinrichtung 3 mit einer ersten Elektrode 4 und
einer zweiten Elektrode 5. Die erste Elektrode 4 und
die zweite Elektrode 5 sind mit veränderbarem Abstand zueinander
angeordnet. Hierzu ist die zweite Elektrode 5 an einer federnd
gelagerten Zusatzmasse 7 eines ersten Wafers 1 angeordnet.
Der erste Wafer 1 kann beispielsweise aus Silizium bestehen.
Die Zusatzmasse 7 ist über
beispielhaft vier Stege 9 an dem Wafer 1 angebunden.
Die Erzeugung der Zusatzmasse 7 kann durch das Aufbringen
der zweiten Elektrode 5 von einer ersten Oberfläche des
ersten Wafers 1 her und einen bzw. mehrere anschließende Ätzvorgänge von einer
zweiten Oberfläche
her, welche der ersten Oberfläche
des Wafers 1 gegenüberliegt,
erfolgen. Die erste Elektrode 4 ist an einem zweiten Wafer 2, z.B.
aus Silizium oder SiO2, angeordnet. Der
erste und zweite Wafer 1, 2 sind derart miteinander
verbunden, dass die erste Elektrode 4 und die zweite Elektrode 5 gegenüberliegend
zum Liegen kommen. Während
die erste Elektrode 4 ortsfest angeordnet ist, ist die
zweite Elektrode 5 in Pfeilrichtung beweglich angeordnet.
Die erste und die zweite Elektrode 4, 5 können beispielsweise
aus Platin, Titan und/oder Platin-Titanium bestehen oder auch aus
Gold gebildet sein.
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Auf
der zweiten Oberfläche
des Wafers 1 ist ferner ein dritter Wafer 6 angeordnet,
der ebenfalls aus Si oder SiO2 besteht.
Die Zusatzmasse 7 mit der Elektrodenstruktur 3 liegt
damit in dem zwischen dem zweiten Wafer 2 und dem dritten
Wafer 6 sowie dem ersten Wafer 1 gebildeten Hohlraum,
der evakuiert sein kann, um Reibungsverluste bei der Bewegung der
Zusatzmasse 7 zu minimieren. Hierdurch kann der Wirkungsgrad
der Einrichtung zur Energieumwandlung erhöht werden.
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Die
erste Elektrode 4 und die zweite Elektrode 5 sind über eine,
in der Figur nicht gezeigte, Lastschaltung elektrisch leitend miteinander
verbunden. Ferner weisen die erste und die zweite Elektrode 4, 5 vor
Beginn einer Abstandsänderung
einen Potentialunterschied auf, der von der elektrischen Verbindung der
ersten und zweiten Elektrode über
die Lastschaltung verursacht ist und auf die Angleichung der Fermi-Niveaus
der ersten und zweiten Elektrode zurückzuführen ist. Der Potentialunterschied
kann durch das Aufladen der Elektrodenstruktur 3 durch
ein Elektret, einen Ladekondensator oder un ter Ausnutzung einer
Differenz der Austrittsarbeiten der Materialien der ersten und der
zweiten Elektrode bewirkt sein. Damit weist ein aus erster Elektrode 4 und
zweiter Elektrode 5 gebildeter Kondensator eine integrierte Vorspannung
auf. Aufgrund der elektrisch leitenden Verbindung über die
Lastschaltung zwischen erster Elektrode 4 und zweiter Elektrode 5 fließt ein Strom entsprechend
der Potentialdifferenz von erster Elektrode 4 und zweiter
Elektrode 5. Eine Veränderung des
Abstandes der zweiten Elektrode 5 gegenüber der ersten Elektrode 4 bewirkt
eine Änderung
der Kapazität
des Kondensators und führt
zu einem Stromfluss zwischen den beiden Elektroden, welcher mittels
der nicht gezeigten Lastschaltung in elektrische Energie umgewandelt
werden kann.
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An
der der zweiten Elektrode 5 gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der
Zusatzmasse 7 ist ein Übertrager 8 angeordnet.
Der Übertrager 8 ist durch
eine permanentmagnetische Schicht oder einen Permanentmagneten gebildet.
Der Übertrager kann
beispielsweise aus Nd-Fe-B oder Fe-Co-V gebildet sein. Der Übertrager 8 steht
in magnetischer Wechselwirkung mit einem weiteren Übertrager,
der an einer Rotationsmaschine 10 angeordnet ist. Die Rotationsmaschine 10 ist
im Ausführungsbeispiel
als Turbinenläufer
ausgebildet, welche eine Vielzahl an Schaufeln 11 aufweist,
die an einer Welle 12 montiert sind. Der weitere Übertrager
kann beispielsweise durch das Material der Schaufeln selbst gebildet
sein, welches üblicherweise
aus einem ferro-magnetischen Material gefertigt wird. Häufig werden
Fe, Co oder Ni hierfür
verwendet. Sind die Schaufeln 11 nicht aus einem ferro-magnetischen
Material gebildet, so könnten
an deren, von der Welle 12 abgewandten Enden Permanentmagnete
angeordnet sein, welche die Funktion des weiteren Übertragers übernehmen.
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Die
Einrichtung 100 zur Wandlung von Energie ist beispielsweise
in einem Gehäuse
in einer Rotationsebene des Turbinenläufers angeordnet, das den rotierenden
Turbinenläufer
umgibt. Dabei ist der Übertrager 8 dem
Turbinenläufer
zugewandt. Die Drehung des Turbinenläufers führt zu einer berüh rungslosen
magnetischen Wechselwirkung mit dem Übertrager 8, wobei
die bei diesem erzwungene Bewegung eine Bewegung der mit dem Übertrager
gekoppelten Zusatzmasse 7 und damit der zweiten Elektrode 5 verursacht,
wodurch die Abstandsänderung
zu der ersten Elektrode 4 bewirkt ist. Durch die Drehung
des Turbinenläufers
wird die Zusatzmasse 7 deshalb periodisch ausgelenkt, so
dass die daraus resultierende Schwingung der Zusatzmasse zu einer periodischen Änderung
des Abstands zwischen erster und zweiter Elektrode 4, 5 führt. Der
zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 4, 5 über die
Lastschaltung fließende
Strom kann dann zur Energiegewinnung genutzt werden.
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Der
weitere Übertrager
könnte
auch an bzw. im Bereich der Welle 12 der Rotationsmaschine 10 angeordnet
sein. Über
den Umfang der Welle 12 sind dann periodisch die weiteren Übertrager
aus einem ferro-magnetischen Material oder in Form von Permanentmagneten
angeordnet. Dies führt
zu einer periodischen Auslenkung bzw. Schwingung der Zusatzmasse 7 und
damit der zweiten Elektrode 5.
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Der
kapazitive Generator bietet den Vorteil der autarken Energieversorgung
eines Mikrosystems für
den Einsatz in Rotationsmaschinen. Der Energiewandler ermöglicht den
Aufbau eines Diagnosewerkzeugs, das im Wesentlichen keine bauliche
Veränderung
an der eigentlichen Rotationsmaschine erfordert. Das Mikrosystem
ermöglicht
eine Erledigung der spezifischen Aufgaben direkt am gewünschten Ort
zu einer gewünschten
Zeit.
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Der
kapazitive Energiewandler lässt
sich in CMOS-Technik auf Waferebene realisieren und kann direkt
in ein Mikrosystem "on-chip" integriert werden.
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Der
kapazitive Generator stellt im Wesentlichen ein Feder-Masse-System dar,
welches in der Lage ist, die mechanische Energie der bewegten Teile
der Rotationsmaschine berührungslos
in elektrische Energie zu wandeln. Die elektrische Energie steht
für das
autarke Mikrosystem zur Verfügung bzw.
sie kann zwischengespeichert werden. Die zu wandelnde mechanische
Energie wird berührungslos mittels
magnetischer Wechselwirkung in eine periodische Auslenkung des Feder-Masse-Systems
umgesetzt. Voraussetzung für
die Erzeugung der Abstandsänderung
der Elektroden des Energiewandlers ist die Kopplung einer permanentmagnetischen Schicht
oder eines Permanentmagneten an einer der Elektroden bzw. der mit
der Elektrodenstruktur verbundenen Zusatzmasse. Um die magnetische
Wechselwirkung zwischen der Rotationsmaschine und dem eigentlichen
Energiewandler zu gewährleisten, ist
auch an der Rotationsmaschine ein ferro-magnetisches Material oder
ein Permanentmagnet vorgesehen.