WO2008025789A1 - Vorrichtung mit kapazitivem, auf einem substrat integriertem energiewandler - Google Patents

Vorrichtung mit kapazitivem, auf einem substrat integriertem energiewandler Download PDF

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WO2008025789A1
WO2008025789A1 PCT/EP2007/058975 EP2007058975W WO2008025789A1 WO 2008025789 A1 WO2008025789 A1 WO 2008025789A1 EP 2007058975 W EP2007058975 W EP 2007058975W WO 2008025789 A1 WO2008025789 A1 WO 2008025789A1
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electrode
transformer
movement
energy
wafer
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PCT/EP2007/058975
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Inventor
Gerald Eckstein
Ingo KÜHNE
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G01D5/241—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes
    • G01D5/2417—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying separation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/48—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage
    • G01P3/481—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals
    • G01P3/487—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring frequency of generated current or voltage of pulse signals delivered by rotating magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/06—Influence generators
    • H02N1/08—Influence generators with conductive charge carrier, i.e. capacitor machines

Definitions

  • the invention relates to a device, in particular a microsystem, with a device for energy conversion.
  • a known device for converting mechanical energy into electrical energy is based on electrostatic induction and uses an electret for energy.
  • an electret film On a first electrode, an electret film is arranged, which is provided with an e- lektrischen charge, wherein the first electrode is connected to a ground potential.
  • a second electrode is spaced from the first electrode and connected via a load circuit to the ground potential.
  • the E- lektretfilm is disposed between the first and second electrodes.
  • Another known to the applicant apparatus for converting mechanical energy into electrical energy comprises a first electrode made of a first material having a first work function for the charge carriers, and a second electrode made of a second material having a second off ⁇ work function for the charge carriers, wherein the second work from the first work function difference ⁇ Lich is.
  • the first electrode and the second electrode are electrically conductively connected to one another via a load circuit. Characterized in that the second electrode is arranged relative to the first electrode with variable spacing, can be impressed by supplying a vibration to the device in a simple manner in the load circuit, a vibrating current.
  • the invention is based on the object for a Vorrich ⁇ processing, in particular for a microsystem, a Energywand ⁇ development to provide simple, efficient and cost effective manner.
  • the device should be able to be integrated in conventional semiconductor technologies and be essentially maintenance-free. Other requirements include wireless operation and optimal miniaturization of the device.
  • the device should be usable in particular as a sensor, as an actuator and / or for data transmission and / or for in-situ diagnosis and / or as an energy source or generator and / or as a signal generator.
  • the invention is further based on the object of enabling the in-situ diagnosis of moving, in particular rotating, components in a simple and self-sufficient manner.
  • a device in particular, a microsystem ⁇ system, comprises a device for energy conversion, the mechanical structure of an electrode for capacitive conversion of has shear energy into electrical energy, wherein the E- lektroden Quilt a first electrode and a second Elek ⁇ rode having variable relative to the first electrode distance.
  • the device further comprises a load circuit, via which the first and the second electrode are electrically conductively connected to one another.
  • a transformer is coupled to the second electrode, wherein the distance between the first and the second electrode is variable by a Be ⁇ movement of the transformer and wherein the movement of the transformer without contact by interaction of Ü bertragers with a moving part is effected.
  • the solution for the energy conversion is thus to to ⁇ to convert mechanical energy, in particular the movement of a component, which is arranged adjacent to the device closest in appearance and then to convert it into e- lectrical energy.
  • This means it is the loading of the component ⁇ wegungsenergie used to excite the electrodes ⁇ structure of the apparatus mechanically and to vary the distance between the first and the second electrode.
  • the change in distance causes a change in the capacitance of the first and second electrodes formed capacitor and leads via the load circuit to a current flow between the first and second electrode, which can be converted by the load circuit into electrical energy.
  • So ⁇ with mechanical energy is umgewan delt ⁇ into electrical energy.
  • the energy conversion device forms a generator, which essentially represents a spring-mass system capable of converting mechanical energy into electrical energy.
  • the electrical energy is thus available for a self-sufficient microsystem, eg for an in-situ diagnosis, or it can be temporarily stored.
  • the generator receives the mechanical energy to be converted by coupling it to the neighboring and monitored component, which performs a movement during the monitoring.
  • the movement of the transformer by magnetic interaction of the Sprinttra ⁇ gers with the moving and partially magnetic properties having part feasible.
  • the deflection of the transformer and thus the electrode structure is effected by attractive and / or repulsive forces, wherein a transmission of the movement without contact on the transformer is possible. This results in the advantage that, for example, to monitor the moving component no or only minor lending changes are necessary.
  • the movement of the transformer is caused by a rotating part, so that a periodic movement or oscillation of the Ü-Bertragers and the electrode structure is effected.
  • the inventions ⁇ tion proper device is thus particularly suitable for non-contact and thus self-sufficient monitoring of rotary machines, such as shafts or turbines.
  • the transformer has permanent magnetic properties. These may be provided by a permanent magnetic layer or a permanent magnet ⁇ .
  • the first and the second electrode have a potential difference before the start of a change in distance. In other words, this means that the capacitor formed by the first and the second electrode " ⁇ be charged".
  • the charging of the electrode structure may be effected by an electret, a charging capacitor or by utilizing a difference of the work functions of the materials of the first and the second electrode.
  • the first and second electrodes made of different material ⁇ lien are formed having different work functions, so that the capacitor comprises an integrated bias voltage. Due to the preload and the provision of an electrically Then, a current flows between the first and second electrodes in accordance with the potential difference between the first and second electrodes.
  • the electrical connection between the first and second electrode takes place, as already explained above, with the interposition of a load circuit. This is designed to convert the current flowing between the first and second electrode current into electrical energy.
  • the materials of the first electrode and the second electrode are selected such that the difference between the work function of the first electrode and the second work function of the second electrode is as large as possible.
  • the first electrode may comprise silicon and the second electrode may comprise platinum, titanium or palladium.
  • other materials may be used to form the first electrode and the second electrode.
  • the second electrode is arranged on a spring-mounted additional mass and provided the transformer to the additional mass.
  • the second electrode and the transformer are arranged according to a white ⁇ embodiment on opposite surfaces of the additional mass.
  • the transmission transformer can be arranged optimally with respect to the moving part.
  • the characteristics of the capacitor are not affected by the transformer.
  • the spring-mounted additional mass is formed in a first wafer, wherein on a first surface of the first wafer, a second wafer is applied to which, facing the second electrode on the additional ⁇ mass, the first electrode spaced from the second electrode is arranged. Furthermore, according to a further embodiment, it may be provided on a second Surface of the first wafer, the gege ⁇ berionat ⁇ the first surface to arrange a third wafer, so that the additional mass can oscillate with the second electrode and the transformer in egg ⁇ nem encapsulated cavity. As a result, the device for energy conversion is protected on the one hand against mechanical stresses. On the other hand, the friction losses in the oscillation of the additional mass with the second electrode and the transmitter can be reduced by evacuating the cavity.
  • the electrode structure is provided as a spring-mass system with a resonance frequency such that it lies within a frequency band of a movement of the part interacting with the transformer.
  • the operation of the resonant frequency electrode structure enables a maximized energy yield .
  • the resonance frequency of the electrode structure can be adjusted in particular by varying the mass and / or spring rigidity.
  • the device for energy conversion as a sensor, as an actuator, for the data communication as well as in the field of automotive and automation technology and / or as an energy source and / or as a signal generator and / or as a diagnostic means.
  • the invention further provides a system with a moving component and a device, in particular a microsystem, for energy conversion, in which movement of the component allows non-contact mechanical movement of the transformer of the device to be generated by interaction with the component the mechanical movement of the transformer through the device into electrical energy is wan ⁇ delbar.
  • the device used for this purpose is designed as described above.
  • the system assigns the to the same advantages as they have already been described in connection with the device according to the invention.
  • the moving component is a rotary machine, such as a shaft, a turbine or a paddle wheel.
  • the denfigured energy required to excite the electric ⁇ can be obtained even at a component which performs a linear movement.
  • a second transmission means deflecting the transmitter without contact is provided on the moving component at regular intervals.
  • the second transmission medium is laid by a ferro-magnetic material, insbeson ⁇ particular iron, cobalt or nickel, or a permanent magnet is formed.
  • the second transmission means is formed by the rotary machine itself, e.g. the blades of a turbine, if it is made of a ferromagnetic material, or on this, e.g. the turbine blades, is arranged.
  • FIGURE shows an embodiment of a device according to the invention for the conversion of energy and a non-contact coupled, moving component.
  • a device 100 for energy conversion is used as an energy source in the form of a capacitive micro-power generator.
  • This comprises an electrode device 3 with a first
  • the first electric ⁇ en 4 and the second electrode 5 are arranged with a variable rate from ⁇ stand each other.
  • This is the second electrode 5 is arranged on a spring-mounted additional mass 7 of a first wafer 1.
  • the first wafer 1 may for example consist of silicon.
  • the additional mass 7 is connected by way of example four webs 9 on the wafer 1.
  • the generation of the supplementary mass 7 can be obtained by the application of the second electrode 5 of a first surface of the first wafer 1 and forth one or more subsequent etching processes from a second surface thereof, which ge ⁇ genüberliegt the first surface of the wafer 1, respectively.
  • the first electrode 4 is arranged on a second wafer 2, for example of silicon or SiO 2 .
  • the first and second wafers 1, 2 are connected to one another in such a way that the first electrode 4 and the second electrode 5 come to lie opposite one another. While the first Elect ⁇ rode 4 is stationarily arranged, the second electrode 5 is arranged movable in the direction of the arrow.
  • the first and the second electrode 4, 5 may for example consist of platinum, titanium and / or platinum titanium or be formed of gold.
  • a drit ⁇ ter wafer 6 is also arranged, which is also ⁇ be made of Si or SiO 2.
  • the additional mass 7 with the electrode structure 3 thus lies in the cavity formed between the second wafer 2 and the third wafer 6 and the first wafer 1, which cavity may be evacuated in order to reduce friction losses during the movement of the wafer
  • the first electrode 4 and the second electrode 5 are electrically conductively connected to each other via a load circuit not shown in the figure. Further, the first and second electrodes 4, 5 before starting a change in distance have a potential difference caused by the electrical connection of the first and second electrodes through the load circuit and due to the equalization of the Fermi levels of the first and second electrodes is.
  • the potential difference can be achieved by charging the electrode structure 3 by an electret, a charging capacitor or a capacitor. ter utilization of a difference of the work functions of the materials of the first and the second electrode to be effected.
  • a capacitor formed from first electrode 4 and second electrode 5 has an integrated bias voltage.
  • a transformer 8 is arranged at the second electrode 5 opposite second O- surface of the additional mass 7.
  • the transformer 8 is formed by a permanent magnetic layer or a permanent magnet.
  • the transformer may for example be formed from Nd-Fe-B or Fe-Co-V.
  • the transformer 8 is in magnetic interaction with a further transformer, which is arranged on a rotary machine 10.
  • the rotary machine 10 is formed inrangsbei ⁇ game as a turbine runner having a plurality of blades 11 which are mounted on a shaft 12.
  • the further transformer can be formed for example by the material of the blades themselves, which is usually made of a ferro-magnetic material. Often the ⁇ Fe, Co or Ni used for this purpose. If the blades 11 are not formed of a ferro-magnetic material, permanent magnets could be arranged on their ends facing away from the shaft 12, which take over the function of the further transformer.
  • the device 100 for conversion of energy is beispiels- arranged in a housing in a plane of rotation of the turbine runner ⁇ surrounding the rotating turbine rotor.
  • the transformer 8 faces the turbine rotor.
  • the rotation of the turbine rotor leads to a smooth magnetic interaction with the transformer 8, wherein the forced movement in this movement causes a movement coupled to the transformer additional mass 7 and thus the second electrode 5, whereby the change in distance to the first electrode 4 is effected.
  • Due to the rotation of the turbine rotor the additional mass 7 is therefore deflected periodically, so that the resulting oscillation of the additional mass leads to a periodic change in the distance between the first and second electrodes 4, 5.
  • the current flowing between the first and the second electrode 4, 5 via the load circuit can then be used to generate energy.
  • the further transformer could also be arranged on or in the region of the shaft 12 of the rotary machine 10. Over the circumference of the shaft 12, the other Ü bertrager from a ferro-magnetic material or in the form of permanent magnets are then periodically arranged. This leads to a perio ⁇ sized deflection or vibration of the additional mass 7 and data with the second electrode. 5
  • the capacitive generator offers the advantage of self-sufficient energy supply of a microsystem for use in rotary machines.
  • the energy converter allows the construction of a diagnostic tool that is essentially non-structural
  • the microsystem enables the execution of specific tasks directly at the desired location at a desired time.
  • the capacitive energy converter can be realized in CMOS technology at the wafer level and can be integrated directly into a microsystem "on-chip".
  • the capacitive generator is essentially a spring-mass system, which is capable of mechanical
  • the electrical Ener gy ⁇ represents the autonomous microsystems available or they can be cached.
  • the to be converted mechanical energy is converted by means of non-contact magnetic interactions ⁇ effect in a periodic deflection of the spring-mass system.
  • Prerequisite for the generation of the Abstandsände- tion of the electrodes of the energy converter is the coupling ei ⁇ ner permanent magnetic layer or a permanent magnet on one of the electrodes or the electrode structure connected to the additional mass.
  • a ferro-magnetic material or a Permanentmag ⁇ net is also provided on the rotary machine.

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung, insbesondere ein Mikrosystem, mit einer Einrichtung zur Energieumwandlung, die eine Elektrodenstruktur (3) zur kapazitiven Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie aufweist, wobei die Elektrodenstruktur (3) eine erste Elektrode (4) und eine zweite Elektrode (5) mit relativ zu der ersten Elektrode (4) veränderbarem Abstand aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner eine Lastschaltung, über welche die erste und die zweite Elektrode (4, 5) elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Ferner ist ein Übertrager (8) mit der zweiten Elektrode (5) gekoppelt, wobei durch eine Bewegung des Übertragers (8) der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (4, 5) veränderbar ist und wobei die Bewe- gung des Übertragers (8) berührungslos durch Wechselwirkung des Übertragers (8) mit einem sich bewegenden Teil bewirkbar ist.

Description

Beschreibung
VORRICHTUNG MIT KAPAZITIVEM, AUF EINEM SUBSTRAT INTEGRIERTEM ENERGIEWANDLER
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere ein Mikrosystem, mit einer Einrichtung zur Energieumwandlung.
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 Abhän¬ gigkeit 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 Integ- ration in konventionelle CMOS-Technologie .
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 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 Elektro¬ de ändert sich die von erster und zweiter Elektrode überlapp¬ te Fläche und dadurch die in der ersten Elektrode induzierte Ladung. Dies führt zu einem Stromfluss von der zweiten Elekt¬ rode zu dem Massepotential. 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 Aus¬ trittsarbeit für Ladungsträger aufweist, wobei die zweite Austrittsarbeit von der ersten Austrittsarbeit unterschied¬ lich ist. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind über eine Lastschaltung elektrisch leitend miteinander ver- bunden. 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 .
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 herkömmlichen Halbleiter- technologien 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.
Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, die in-situ Diagnose von sich bewegenden, insbesondere rotierenden, Bau- teilen auf einfache und autarke Weise zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich jeweils in den abhängigen Patentansprüchen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere ein Mikrosys¬ tem, umfasst eine Einrichtung zur Energieumwandlung, die eine Elektrodenstruktur zur kapazitiven Umwandlung von mechani- scher Energie in elektrische Energie aufweist, wobei die E- lektrodenstruktur eine erste Elektrode und eine zweite Elekt¬ rode mit relativ zu der ersten Elektrode veränderbarem Abstand aufweist. Die Vorrichtung umfasst weiter eine Last- Schaltung, über welche die erste und die zweite Elektrode e- lektrisch leitend miteinander verbunden sind. Ein Übertrager ist mit der zweiten Elektrode gekoppelt, wobei durch eine Be¬ wegung des Übertragers der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode veränderbar ist und wobei die Bewegung des Übertragers berührungslos durch Wechselwirkung des Ü- bertragers mit einem sich bewegenden Teil bewirkbar ist.
Die Lösung für die Energieumwandlung liegt somit darin, mechanische Energie, insbesondere die Bewegung eines Bauteils, welches benachbart zu der Vorrichtung angeordnet ist, zu¬ nächst in ihrer Erscheinungsform zu wandeln und sodann in e- lektrische Energie zu wandeln. Dies bedeutet, es wird die Be¬ wegungsenergie des Bauteils dazu genutzt, die Elektroden¬ struktur 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 Last- Schaltung in elektrische Energie umgewandelt werden kann. So¬ mit wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewan¬ delt.
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. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Bewegung des Übertragers durch magnetische Wechselwirkung des Übertra¬ gers 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 bau- liehen Veränderungen notwendig sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Bewegung des Übertragers durch ein sich drehendes Teil hervorgerufen, so dass eine periodische Bewegung oder Schwingung des Ü- bertragers und der Elektrodenstruktur bewirkt ist. Die erfin¬ dungsgemäße Vorrichtung eignet sich damit insbesondere zur berührungslosen und damit autarken Überwachung von Rotationsmaschinen, wie z.B. Wellen oder Turbinen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Übertrager permanentmagnetische Eigenschaften auf. Diese können durch eine permanentmagnetische Schicht oder einen Permanent¬ magneten bereit gestellt sein.
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 "aufge¬ laden" ist.
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 Materia¬ lien 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 Elektro- de 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.
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 E- lektrode gezielt beeinflusst werden.
Die zweite Elektrode und der Übertrager sind gemäß einer wei¬ teren Ausführungsform auf gegenüber liegenden Oberflächen der Zusatzmasse angeordnet. Hierdurch kann insbesondere der Ü- bertrager optimal zu dem sich bewegenden Teil angeordnet werden. Darüber hinaus werden die Eigenschaften des Kondensators durch den Übertrager nicht beeinflusst.
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 Zu¬ satzmasse 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 gege¬ nüberliegt, einen dritten Wafer anzuordnen, so dass die Zusatzmasse mit der zweiten Elektrode und dem Übertrager in ei¬ nem 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 E- lektrode und dem Übertrager verringert werden, indem der Hohlraum evakuiert wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die E- lektrodenstruktur als Feder-Masse-System mit einer Resonanzfrequenz derart bereit gestellt, dass diese innerhalb eines Frequenzbandes einer Bewegung des mit dem Übertrager wechsel- wirkenden Teils gelegen ist. Der Betrieb der Elektrodenstruktur mit Resonanzfrequenz ermöglicht eine maximierte Energie¬ ausbeute .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Re- sonanzfrequenz der Elektrodenstruktur insbesondere durch Variation der Masse und/oder Federsteifigkeit einstellbar.
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.
Die Erfindung stellt weiter ein System mit einem sich bewe- genden Bauteil und einer Vorrichtung, insbesondere einem Mik- rosystem, 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 Ü- bertragers durch die Vorrichtung in elektrische Energie wan¬ delbar 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.
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 Elektro¬ denstruktur notwendige Energie kann jedoch auch bei einem Bauteil gewonnen werden, das eine lineare Bewegung vollführt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist an dem sich bewegenden Bauteil in regelmäßigen Abständen ein den Übertrager berührungslos auslenkendes zweites Übertragungsmittel vorgesehen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das zweite Übertra- gungsmittel durch ein ferro-magnetisches Material, insbeson¬ dere Eisen, Kobalt oder Nickel, oder einen Permanentmagneten, gebildet .
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das zweite Übertra- gungsmittel 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.
Die vorliegende Erfindung wird anhand eines Ausführungsbei¬ spiels 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.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird eine Einrichtung 100 zur Energieumwandlung als Energiequelle in Form eines kapazitiven Mikro-Power-Generators verwendet .
Diese umfasst eine Elektrodeneinrichtung 3 mit einer ersten
Elektrode 4 und einer zweiten Elektrode 5. Die erste Elektro¬ de 4 und die zweite Elektrode 5 sind mit veränderbarem Ab¬ stand zueinander angeordnet. Hierzu ist die zweite Elektrode 5 an einer federnd gelagerten Zusatzmasse 7 eines ersten Wa- fers 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 Zu- satzmasse 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 O- berfläche her, welche der ersten Oberfläche des Wafers 1 ge¬ genüberliegt, 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 Elekt¬ rode 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 .
Auf der zweiten Oberfläche des Wafers 1 ist ferner ein drit¬ ter Wafer 6 angeordnet, der ebenfalls aus Si oder SiO2 be¬ steht. 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 eva- kuiert sein kann, um Reibungsverluste bei der Bewegung der
Zusatzmasse 7 zu minimieren. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der Einrichtung zur Energieumwandlung erhöht werden.
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 Lastschal- tung 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 Elekt- rode 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.
An der der zweiten Elektrode 5 gegenüberliegenden zweiten O- berflache 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 Ausführungsbei¬ spiel 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 wer¬ den 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.
Die Einrichtung 100 zur Wandlung von Energie ist beispiels- weise in einem Gehäuse in einer Rotationsebene des Turbinen¬ läufers angeordnet, das den rotierenden Turbinenläufer umgibt. Dabei ist der Übertrager 8 dem Turbinenläufer zugewandt. Die Drehung des Turbinenläufers führt zu einer beruh- 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 Lastschal¬ tung fließende Strom kann dann zur Energiegewinnung genutzt werden .
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 Ü- bertrager aus einem ferro-magnetischen Material oder in Form von Permanentmagneten angeordnet. Dies führt zu einer perio¬ dischen Auslenkung bzw. Schwingung der Zusatzmasse 7 und da- mit der zweiten Elektrode 5.
Der kapazitive Generator bietet den Vorteil der autarken E- nergieversorgung eines Mikrosystems für den Einsatz in Rotationsmaschinen. Der Energiewandler ermöglicht den Aufbau ei- nes 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.
Der kapazitive Energiewandler lässt sich in CMOS-Technik auf Waferebene realisieren und kann direkt in ein Mikrosystem "on-chip" integriert werden.
Der kapazitive Generator stellt im Wesentlichen ein Feder- Masse-System dar, welches in der Lage ist, die mechanische
Energie der bewegten Teile der Rotationsmaschine berührungs¬ los in elektrische Energie zu wandeln. Die elektrische Ener¬ gie steht für das autarke Mikrosystem zur Verfügung bzw. sie kann zwischengespeichert werden. Die zu wandelnde mechanische Energie wird berührungslos mittels magnetischer Wechselwir¬ kung in eine periodische Auslenkung des Feder-Masse-Systems umgesetzt. Voraussetzung für die Erzeugung der Abstandsände- rung der Elektroden des Energiewandlers ist die Kopplung ei¬ ner 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 E- nergiewandler zu gewährleisten, ist auch an der Rotationsmaschine ein ferro-magnetisches Material oder ein Permanentmag¬ net vorgesehen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung, insbesondere Mikrosystem, mit
- einer Einrichtung zur Energieumwandlung, die eine Elekt- rodenstruktur (3) zur kapazitiven Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie aufweist, wobei die Elektrodenstruktur (3) eine erste Elektrode (4) und eine zweite Elektrode (5) mit relativ zu der ersten E- lektrode (4) veränderbarem Abstand aufweist, - einer Lastschaltung, über welche die erste und die zwei¬ te Elektrode (4, 5) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, und einem Übertrager (8), der mit der zweiten Elektrode (5) gekoppelt ist, wobei durch eine Bewegung des Übertragers (8) der Abstand zwischen der ersten und der zweiten E- lektrode (4, 5) veränderbar ist und wobei die Bewegung des Übertragers (8) berührungslos durch Wechselwirkung des Übertragers (8) mit einem sich bewegenden Teil be¬ wirkbar ist .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Bewegung des Ü- bertragers (8) durch magnetische Wechselwirkung des Übertra¬ gers (8) mit dem sich bewegenden und abschnittsweise magneti¬ sche Eigenschaften aufweisenden Teil bewirkbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Bewegung des Übertragers (8) durch ein sich drehendes Teil hervorgeru¬ fen ist, so dass eine periodische Bewegung oder Schwingung des Übertragers (8) bewirkt ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Übertrager (8) permanentmagnetische Eigenschaften auf¬ weist .
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der Übertrager (8) durch eine permanentmagnetische Schicht oder einen Permanent¬ magneten gebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die erste und die zweite Elektrode (4, 5) vor dem Beginn ei¬ ner Abstandsänderung einen Potentialunterschied aufweisen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der das Aufladen der E- lektrodenstruktur (3) durch ein Elektret, einen Ladekondensator oder unter Ausnutzung einer Differenz der Austrittsarbeiten der Materialien der ersten und der zweiten Elektrode (4, 5) bewirkt ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die zweite Elektrode (5) auf einer federnd gelagerten Zusatz¬ masse (7) angeordnet ist und der Übertrager (8) an der Zu¬ satzmasse (7) vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die zweite Elektrode (5) und der Übertrager (8) auf gegenüberliegenden Oberflächen der Zusatzmasse (7) angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der die federnd gelagerte Zusatzmasse (7) in einem ersten Wafer (1) ausgebil¬ det ist, wobei auf einer ersten Oberfläche des ersten Wafers (1) ein zweiter Wafer (2) aufgebracht ist, an dem, der zweiten Elektrode (5) auf der Zusatzmasse (7) zugewandt, die ers- te Elektrode (4) beabstandet zu der zweiten Elektrode (5) an¬ geordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der auf einer zweiten Oberfläche des ersten Wafers (1), die der ersten Oberfläche gegenüber liegt, ein dritter Wafer (6) angeordnet ist, so dass die Zusatzmasse (7) mit der zweiten Elektrode (5) und dem Übertrager (8) in einem gekapselten Hohlraum schwingen kann .
12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Elektrodenstruktur (3) als Feder-Masse-System mit einer Resonanzfrequenz derart bereit gestellt ist, dass diese in- nerhalb eines Frequenzbandes einer Bewegung des mit dem Ü- bertrager (8) wechselwirkenden Teils gelegen ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Resonanzfre- quenz der Elektrodenstruktur (3) insbesondere durch Variation der Masse und/oder Federsteifigkeit einstellbar ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Einrichtung zur Energieumwandlung als Sensor, als Aktua- tor, für die Datenkommunikation und/oder im Bereich der Automobil- und Automationstechnik und/oder als Energiequelle und/oder als Signalgeber und/oder als Diagnosemittel ausgebildet ist.
15. System mit einem sich bewegenden Bauteil und einer Vorrichtung, insbesondere einem Mikrosystem, zur Energiewandlung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei durch die Bewegung des Bauteils berührungslos eine mechanische Bewegung des Ü- bertragers der Vorrichtung durch Wechselwirkung mit dem Bau- teil erzeugbar ist, wobei die mechanische Bewegung des Ü- bertragers durch die Vorrichtung in elektrische Energie wan¬ delbar ist.
16. System nach Anspruch 15, bei dem das sich bewegende Bau- teil eine Rotationsmaschine ist.
17. System nach Anspruch 15 oder 16, bei dem an dem sich bewegenden Bauteil in regelmäßigen Abständen ein den Übertrager
(8) berührungslos auslenkendes zweites Übertragungsmittel vorgesehen ist.
18. System nach Anspruch 17, bei dem das zweite Übertragungs¬ mittel durch ein ferro-magnetisches Material, insbesondere Eisen, Kobalt oder Nickel, oder einen Permanentmagneten, ge- bildet ist.
19. System nach Anspruch 17 oder 18, bei dem das zweite Übertragungsmittel durch die Rotationsmaschine selbst gebildet ist oder an dieser angeordnet ist.
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