Oblast techniky

Je řešena struktura MEMS kondenzátoru elektrostatického generátoru, který je pak schopen pracovat ve třech osách.

Dosavadní stav techniky

Jedním z nej významnějších trendů v elektronických zařízeních je miniaturizace a zvýšení počtu poskytovaných funkcí. V současnosti lze najít zařízení typu malého kapesního počítače, kompaktního multimediálního zařízení příp. měřicího nebo diagnostického přístroje. Tyto obvody sdružuje jeden aspekt - napájení. Pokud mají zařízení zůstat bezdrátová a fyzicky pokud možno co nejdéle oddělená od okolního světa, je nutno se zaměřit na způsob, kterým bude vhodné tato zařízení napájet. Již nyní lze cítit tlak výrobců na uskutečnění nových vizí o široké nabídce poskytovaných funkcí pro uživatele těchto zařízení. Velikost těchto zařízení je stále zmenšována, tím pádem se zařízení pomalu stává integrální součástí každodenně používaných předmětů, jako jsou hodinky, brýle, oblečení atd.

Všechna uvedená zařízení, vyrobená pomocí současných technologií elektroniky a mikroelektroniky, potřebují externí napájecí zdroj. Velikost samotného elektronického obvodu a energie potřebná k provedení jedné, binární, logické operace byla drasticky snížena. S přihlédnutím k platnosti Moorova zákona se jako dobrá perspektiva jeví tzv. sběr elektrické energie z okolního prostředí pomocí moderních elektronických obvodů, tak zvaných energy harvesting. Tento princip obnáší využití energie získané z okolního prostředí za pomoci mikroelektronických obvodů a MEMS struktur. Elektrickou energii k napájení elektronických zařízení lze získat buď z kinetické, elektromagnetické, elektrostatické nebo tepelné energie. Získaná energie pak může být použita pro dobíjení akumulátorů či v některých případech přímo k napájení elektronických obvodů. Výstupní napětí a proud z takovýchto generátorů jsou v čase proměnné a nestabilní, proto je nutné pro jejich následné využití provést jejich usměrnění. Pro tento účel je vhodné navrhnout energetický převodník a příslušný obvod, který zajistí dlouhodobou úschovu elektrické energie. Elektrostatický generátor obvykle představuje soustavu dvou destiček, na nichž se nalézá elektrický náboj, tyto se vůči sobě přibližují nebo vzdalují. Díky změně kapacity takto vytvořeného kondenzátoru dochází k přeměně mechanické energie na elektrickou. V dané oblasti je možné tuto přeměnu dále nazývat generací elektrické energie. Tuhost či hmotnost soustavy lze určit až z jednotlivých konstrukčních principů. Například mezi jedno z obvyklých konstrukčních řešení patří fixovaný nosník s tuhostí k, na jednom konci zatížený oscilujícím břemenem m s připevněnou destičkou, která společně s břemenem kmitá vůči jiné, pevně fixované destičce.

V literatuře lze nalézt dvě různá provedení elektrostatického generátoru. Jako první lze uvést paralelní kombinace dvou kondenzátorů s konstantním nábojem, druhou možností je kondenzátor s prstově uspořádanými elektrodami, pracující s konstantním napětím. Toto uspořádání je označováno jako Coulombův tlumený rezonanční generátor, jelikož jeho princip činnosti vychází z elektrostatického tlumení. Pokud je na kondenzátoru o kapacitě C udržován konstantní náboj Q, zatímco se kapacita zmenšuje, tedy zmenšuje se přesah obou prstových struktur tvořících elektrody kondenzátoru, dochází dle vztahu Q = C.U ke zvyšování napětí. Na druhou stranu, pokud bude udržováno konstantní napětí na elektrodách kondenzátoru, dojde při zmenšení kapacity současně ke snížení náboje na elektrodách.

Prvně popsaný princip konstantního náboje začíná v okamžiku, kdy kondenzátor, většinou vyrobený pomocí technologií pro výrobu MEMS, dosahuje své maximální kapacity. V tomto okamžiku dochází k nabití kondenzátoru ze stejnosměrného zdroje na počáteční úroveň napětí Ustart, které je menší než hodnota Umax. Z grafů na obr. 1 je patrný směr cyklu od bodu A do bodu B. Cesta mezi bodem B a bodem D koresponduje s fází pohybu desek kondenzátoru z hodnoty maximální hodnoty kapacity Cmax, po minimální kapacitu C_Min s hodnotou konstantního náboje Q_o.

- 1 CZ 22977 Ul

Při poklesu kapacity kondenzátoru a současném udržování konstantního náboje na jeho deskách dochází ke zvyšování hodnoty napětí na kondenzátoru. Získaný náboj je možno odebírat ph procházení cesty mezi body D a A. Velikost získané energie odpovídá ploše uzavřené v trojúhelníku tvořeném vrcholy A-B-D.

Princip konstantního napětí začíná v okamžiku maximální hodnoty kapacity. V tomto okamžiku zdroj externího napětí nabije MEMS kondenzátor na počáteční hodnotu napětí U_MAx, tím pádem dojde k přechodu z bodu A do bodu C. Cesta mezi body C a D reprezentuje změnu kapacity z maximální hodnoty C_Max na hodnotu C_Min- Cesta mezi body D a A reprezentuje fázi vybíjení kondenzátoru. Mechanické vibrace, ke kterým dochází v čase při přechodu mezi body C a D, vedou ke generaci elektrického napětí o konstantní hodnotě. Velikost získané energie opět odpovídá ploše uzavřené v trojúhelníku tvořeném vrcholy A-C-D.

V obou případech je energie získaná konverzí mechanické energie na elektrickou přenesena z MEMS kondenzátoru v cyklu přechodu mezi body D a A. Jak je z obr. 1 patrné, je získaná energie větší pri využití principu konstantního napětí. Naproti tomu, zdroj elektrického napětí využívaný při konstantním náboji má menší hodnotu. Způsob, jak zvýšit energetickou výtěžnost generátorů založených na principu konstantního náboje, je ve zvýšení jejich kapacity například připojením paralelního kondenzátoru C_PAr k MEMS kondenzátoru C_Mems- Ovšem z toho plynoucí nevýhodou je nutnost zvýšení hodnoty startovacího zdroje napětí.

Jak z výše uvedeného vyplývá, je dobrá synchronizace spínačů elektrického napětí s mechanickými oscilacemi respektive vibracemi MEMS kondenzátoru klíčovým faktorem pro dosažení vysoké efektivity celého generátoru. Mechanické oscilace úzce souvisí s rezonančními kmitočty mechanické struktury kondenzátoru C_Mems- Optimálních hodnot se dosahuje pri dobré shodě frekvence budicích mechanických vibrací s rezonančními frekvencemi mechanické struktury generátoru. Dle výrobních rozměrů, použitých materiálů a dalších konstrukčních aspektů je možno uvažovat frekvence řádu jednotek kHz. Lze nalézt také taková topologická uspořádání, která nevyužívají rezonančních kmitů struktury, a pracují pri nižších frekvencích.

Topologie MEMS kondenzátoru popsané v literatuře vycházejí ze 4 základních principů. První princip využívá paralelních desek, kde je kondenzátor tvořen dvojicí paralelních elektrod složených na sobě. Pohybem desek od sebe tento druh generátoru, který je využíván v módu konstantního náboje, generuje špičky vyššího napětí, než má budicí zdroj. Druhý princip vychází také z kombinace dvou desek, ovšem zde dochází ke smýkavému pohybu desek nad sebou. Elektrody jsou ve většině případů tvořeny leptanými mikrokondenzátory, kdy je jich několik stovek zapojených paralelně. Zabudované mechanické závaží slouží k doladění rezonanční frekvence a napomáhá k iniciaci samotného pohybu desek nad sebou. Tento druh je většinou využíván společně s aktivními vrstvami na principu elektretů. Třetí princip využívá paralelní kombinaci několika kondenzátorů s tím rozdílem, že tyto jsou tvořeny ve stejné vrstvě a formou uspořádání tvoří do sebe zaklíněné hřebeny. Topologie vychází ze struktur využívaných pri návrhu a výrobě akcelerometrů. Hmota tvořená samotnou strukturou jedné elektrody se vlivem mechanických vibrací pohybuje a mění tím pádem vzájemnou kapacitu oproti druhé, pevně fixované, elektrodě. Z analýz jasně vyplývá, že tento druh generátorů je značně závislý na velikosti mechanického závaží, které slouží k rozpohybování jedné elektrody kondenzátoru. Díky klesajícím cenám a dostupnosti MEMS technologií jsou tyto struktury velmi oblíbené a často implementované v praxi. Ovšem vzhledem k fyzikálním vlastnostem křemíku, který se v MEMS technologiích nejvíce využívá právě pro výrobu generátorů, jeho nízké hustotě a tím pádem hmotnosti vytvářených mikrozáváží, je nutno v samotném návrhu uvažovat i použití jiných doplňkových materiálů, případně zvolit vhodný layout kondenzátoru. Poslední princip využívaný pri konstrukci elektrostatických generátorů tento problém eliminuje. Využívá závaží, které není pevně uchyceno ke struktuře a tím pádem neklade zvýšené nároky na přesné sestavení struktury dohromady. Tento princip využívá miniaturní kovovou tyč, která se pohybuje po vrstvě tvořené paralelně zapojenými elektrodami s vrstvou dielektrika. Rotující tyč tvoří při svém přesunu přes jednu z těchto pevných elektrod elektrodu pohyblivou a dohromady vytváří proměnný kondenzátor. Pohybem tyče po poli kon-2CZ 22977 Ul denzátorů dochází k periodickému zvyšování a snižování celkové kapacity struktury. Struktura je většinou využívána na principu konstantního náboje.

Výkonová hustota generované energie dosažitelná s každým z uvedených designů elektrostatického měniče je závislá na tom, jakou velikost elektrostatické sily lze dosáhnout. Tato hodnota je závislá na rozměrech generátoru, hmotnosti mikrozávaží a provozních podmínkách generátoru. Obecně lze říci, že je obtížnější dosáhnout vysoké elektrostatické síly využitím principu konstantního napětí na struktuře hřebenového kondenzátoru, než pri použití principu konstantního náboje, jelikož princip konstantního napětí vyžaduje zdroj relativně vysokého napětí. Oproti tomu princip konstantního náboje vyžaduje jen zdroj relativně nízkého napětí. Z tohoto důvodu může být problém zvolit vhodný design, pokud je ve výsledku požadováno dosáhnout velkých elektrostatických sil.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky odstraňuje struktura MEMS kondenzátoru elektrostatického generátoru obsahující prstově formovanou pevnou elektrodu a pohyblivou elektrodu, které do sebe v klidové ts poloze navzájem zapadají a kde tato struktura obsahuje mikrozávaží podle předkládaného řešení.

Jeho podstatou je, že struktura je vytvořena na jediném substrátu čtvercového tvaru. Uprostřed tohoto substrátu je umístěn čtvercový útvar tvořící zároveň mikrozávaží. Ke každé straně čtvercového útvaru jsou navázány shodné pohyblivé elektrody, proti kterým jsou umístěny pevné elektrody. Tyto pevné elektrody jsou přes elektricky nevodivou mezivrstvu pevně spojeny se substrátem a jsou od něj odizolovány. U vrcholů čtvercového útvaru je z každé strany vytvořen u jeho hrany elektricky izolovaný mechanický doraz, který je pevně spojen se substrátem a který slouží k omezení mechanického pohybu pohyblivé elektrody vůči elektrodě pevné. K vrcholu čtvercového útvaru je ukotven svým jedním vrcholem čtvercový pružinový závěs. Jeho protilehlý vrchol je ukotven ke čtvercovému útvaru tvořícímu kontakty pohyblivé elektrody, který je pevně mechanicky pres nevodivou vrstvu spojen se substrátem a tvoří vnější roh celé struktury. Tento pružinový závěs je tvořen pravidelně se opakující zalamovanou strukturou nosníku vyplňující plochu mezi oběma místy jeho ukotvení a oblastí pohyblivé elektrody a pevné elektrody. Pevné elektrody jsou opatřeny druhými kontakty umístěnými libovolně v ploše pevné elektrody.

Hlavní výhodou navrhovaného řešení je schopnost generátoru pracovat ve všech třech osách kartézských souřadnic, schopnost upravit topologii kondenzátoru na libovolně volitelnou rezonanční frekvenci a naladění tak struktury na frekvence mechanického buzení dostupné v místě aplikace. Dále je celá struktura vyrobitelná standardními technologiemi pro MEMS obvody a neklade žádné nároky na použití speciálních materiálů.

Objasnění výkresů

Příklad provedení struktury MEMS kondenzátoru elektrostatického generátoru bude dále vysvětlen pomocí přiložených výkresů. Pro úplnost je uveden také graf na Obr. 1 vysvětlující princip elektrostatické konverze. Na Obr. 2 je uvedeno schematicky uspořádání MEMS kondenzátoru podle nového řešení. Obr. 3 až 7 znázorňují pohyb struktury pri různých rezonančních kmitočtech.

Příklad uskutečnění technického řešení

Navržená struktura MEMS kondenzátoru elektrostatického generátoru je založena na principu prstové struktury, kde je pohyblivá elektroda 2 kondenzátoru tvořena společně s mechanickým závažím a je uchycena pomocí pružinových závěsů 4 ke zbytku struktury. Tyto pružinové závěsy 4 určuji mechanické vlastnosti celé struktury, její mechanické rezonanční frekvence a prostorové využití. Druhá elektroda je pevná elektroda 3 a je tvořena z hlediska využité výrobních technologií MEMS ve stejné vrstvě a je napevno fixována ve struktuře. Tato pevná elektroda 3 je navíc

-3CZ 22977 Ul oproti jiným návrhům rozdělena do čtyř separátních částí pro možnost detekovat úhel a směr náklonu struktury. Podrobněji lze popsat strukturu pomocí Obr. 3.

Struktura MEMS kondenzátoru elektrostatického generátoru je vytvořena na jediném substrátu čtvercového tvaru. Uprostřed tohoto substrátu je umístěn čtvercový útvar 1 tvořící zároveň mikrozávaží. Ke každé straně čtvercového útvaru i jsou navázány shodné pohyblivé elektrody 2, proti kterým jsou umístěny pevné elektrody 3. Pohyblivé elektrody 2 jsou v klidu zasunuty do pevných elektrod 3 jako dva hřebeny. Pevné elektrody 3 jsou pevně spojeny se substrátem a jsou opatřeny kontakty 2 umístěnými libovolně v ploše pevné elektrody 3. Pevné elektrody jsou umístěny po obvodu a zapadají geometricky do pohyblivých elektrod 2 a jsou geometricky stejně formované (prstová struktura). Pevné elektrody 3 jsou přes elektricky nevodivou mezivrstvu pevně spojeny se substrátem a jsou od něj odizolovány, aby je bylo možné používat na různých potenciálech. U vrcholů čtvercového útvaru i je z každé strany vytvořen u jeho hrany elektricky izolovaný mechanický doraz 5, který je pevně spojen se substrátem a který slouží k omezení mechanického pohybu pohyblivé elektrody 2 vůči pevné elektrodě 3. Ke každému vrcholu čtvercového útvaru i je ukotven svým jedním vrcholem jeden čtvercový pružinový závěs 4. Jeho protilehlý vrchol je ukotven ke čtvercovému útvaru tvořícímu kontakty 6 pro vnější připojení pohyblivé elektrody 2, který je pevně mechanicky přes nevodivou vrstvu spojen se substrátem a tvoří vnější roh celé struktury. Pružinový závěs 4 je tvořen pravidelně se opakující zalamovanou strukturou nosníku vyplňující plochu mezi oběma místy jeho ukotvení a oblastí pohyblivé elektrody 2 a pevné elektrody 3. Struktura je symetrická, tím pádem je dosaženo podobného 1. a 2. rezonančního kmitočtu. Vnitřní čtvercový útvar 2 a pohyblivé elektrody 2 k němu přichycené jsou plovoucí a ke zbytku struktury jsou uchyceny jen přes pružinové závěsy 4 v rozích.

Prsty pohyblivé elektrody 2 jsou v klidu zasunuty přesně do prstů pevné elektrody 3 a nedochází mezi nimi k žádnému kontaktu. Tyto dvě elektrody nyní tvoří kondenzátor o dané kapacitě. Čtvercový tvar topologie vykazuje charakteristické vlastnosti, a to velkou blízkost 1. a 2. rezonančního kmitočtu. Při rozdílné velikosti elektrod, kdy by například homí a spodní byly užší než levá a pravá, pak dochází k rozestupu rezonančních kmitočtů.

Pohybem celé struktury vlivem vibrací dochází k samovolnému rozpohybování plovoucí pohyblivé elektrody 2, která nyní kmitá mezi dvěma polohami, které jsou dané mechanickými dorazy 5. Tím pádem dochází k rozestupu a přibližování obou elektrod, tedy pohyblivé elektrody 2 a jí příslušející pevné elektrody 3, a ke změně kapacity. Dorazem se nazývá v tomto případě pevný kus materiálu, kolem něhož je vyleptána malá mezera. Princip je stejný jako kroužek na tyči, kde je pohyb kroužku omezen právě samotnou tyčí. Tyč je zde prezentována čtvercovým útvarem tvořícím mechanický doraz 5 a kroužek je prstencový útvar, který obepíná tento čtverec, je součástí pohyblivé elektrody a je odleptaný od substrátu. Mechanické dorazy 5 slouží hlavně k vymezení povoleného pohybu pohyblivé elektrody 2, která nikdy nesmi narazit na jí příslušející pevnou elektrodu 3. To by potom došlo ke zkratu elektrod a vybití náboje.

Pohyblivá elektroda 2 je zavěšena pomocí speciálního pružinového závěsu 4. V literatuře jsou MEMS kondenzátory realizovány pomocí principiálně stejné prstové struktury, ovšem jejich závěsy umožňují pohyb pouze v jedné ose a struktury vykazují pri dané velikosti motivu relativně vyšší rezonanční frekvence. Novinkou v navrhovaném layoutu jsou speciální pružinové závěsy 4, čtvercová symetrická struktura a mechanické dorazy 5 uvnitř struktury. Pružinové závěsy 4 jsou tvořeny tenkým páskem křemíkového materiálu, který v mikroskopickém měřítku vykazuje značnou pružnost.

Uvedená struktura byla navržena, optimalizována a odzkoušena jako prototyp. Simulace provedené programem Coventor ukazují následující elektromechanické parametry:

Dosažené rezonanční frekvence struktury (3,5><3,5mm) [Hz]:

106.862678527832

106.867584228516

193.335723876953

-4CZ 22977 Ul

214.255966186523

327.683410644531

328.238647460938

743.160461425781

744.610595703125

756.747131347656

758.876586914063

Struktura vykazuje velmi nízké základní rezonanční frekvence, 106,8626 Hz a 106,8675 Hz pro první dva módy, což přináší výbornou citlivost na nízkofrekvenční mechanické buzení. Těchto nízkých kmitočtů bylo dosaženo díky unikátní struktuře pružinového závěsu 4, který je založen na prodlouženém nosníku, což v odborné literatuře zatím nebylo publikováno. Postupným zalamováním nosníku a vyplněním dostupného prostoru mezi oběma fixačními místy pružinového závěsu 4 bylo dosaženo mechanických vlastností ekvivalentních velmi dlouhé nosníkové struktuře, která ovšem svou délkou omezuje možnosti integrace a možnosti výrobních technologií. Topologie závěsu minimalizuje rezonanční frekvenci, zajišťuje rovnoměrné rozložení mechanického pnutí přes celou strukturu závěsu, neomezuje mechanickou stabilitu struktury a umožňuje pohyblivé elektrodě se pohybovat ve všech 3 osách. V poloze „hlavou dolů“, kdy čip je provozován se substrátem nahoře nad plovoucí pohyblivou elektrodou 2 se rozšiřuje oblast použití do směrů všech třech os kartézského souřadného systému a využívá této vlastnosti například při aplikaci vibrací s kmitočty v okolí 3. rezonančního kmitočtu. Aby nedocházelo k samovolnému zkratu mezi pohyblivými elektrodami 2 a pevnými elektrodami 3, byla do topologie zabudována ochrana ve formě mechanických dorazů 5. Tyto mechanické dorazy 5 omezují výkmit pohyblivé elektrody 2 tak, aby při svém pohybu nedorazila na pevnou elektrodu 3 a nedošlo ke zkratu.

Na Obr. 3 až 7 jsou uvedeny výsledky simulací a ukázka pohybu struktury v jednotlivých rezonančních kmitočtech. Je zde zobrazena jen pohyblivá elektroda 2 a pohyb je z demonstračních důvodů násoben koeficientem 100. Obr. 3 znázorňuje pohyb struktury při aplikaci vibrací s kmitočtem shodným s 1. rezonančním kmitočtem 106,863 Hz. Pohyblivá elektroda 3 se pohybuje v plošném pohledu směrem do strany. Dobře patrné je zde vyhnutí závěsů.

Na obr. 4 je uveden pohyb struktury při aplikaci vibrací s kmitočtem shodným s 2. rezonančním kmitočtem 106,868 Hz. Pohyblivá elektroda 3 se pohybuje v plošném pohledu směrem do strany, kolmo k pohybu při vibracích v prvním rezonančním kmitočtu.

Obr. 5 ukazuje pohyb struktury při aplikaci vibrací s kmitočtem shodným s 3. rezonančním kmitočtem 193,336 Hz. Je dobře patrné zvedání pohyblivé elektrody směrem z plochy nahoru a dolů.

Na Obr. 6 je vidět pohyb struktury při aplikaci vibrací s kmitočtem shodným s 4. rezonančním kmitočtem 214,256 Hz. Dochází k torznímu krutu struktury.

Obr. 7 ilustruje pohyb struktury při aplikaci vibrací s kmitočtem shodným s 5. rezonančním kmitočtem 327,683 Hz. Dochází k naklánění kolem vodorovné osy symetrie.

Průmyslová využitelnost

Struktura MEMS kondenzátoru elektrostatického generátoru najde aplikaci v obvodech generace elektrické energie, kde využívá funkce časově proměnného kondenzátoru závislého na mechanických vibracích. Celé zařízení je vhodné pro použití v mikrosystémech, které vyžadují autonomní zdroj napájecí energie.