CZ303335B6 - Struktura MEMS kondenzátoru elektrostatického generátoru - Google Patents
Struktura MEMS kondenzátoru elektrostatického generátoru Download PDFInfo
- Publication number
- CZ303335B6 CZ303335B6 CZ20110448A CZ2011448A CZ303335B6 CZ 303335 B6 CZ303335 B6 CZ 303335B6 CZ 20110448 A CZ20110448 A CZ 20110448A CZ 2011448 A CZ2011448 A CZ 2011448A CZ 303335 B6 CZ303335 B6 CZ 303335B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- substrate
- electrodes
- square formation
- electrode
- fixed
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 23
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000004873 anchoring Methods 0.000 claims description 3
- 239000000725 suspension Substances 0.000 abstract 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 3
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 3
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 230000010358 mechanical oscillation Effects 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 241001124569 Lycaenidae Species 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000003203 everyday effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000004438 eyesight Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 235000012976 tarts Nutrition 0.000 description 1
- 230000026683 transduction Effects 0.000 description 1
- 238000010361 transduction Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Micromachines (AREA)
Abstract
Struktura MEMS kondenzátoru elektrostatického generátoru obsahuje prstove formovanou pevnou elektrodu (3) a pohyblivou elektrodu (2), které do sebe v klidové poloze navzájem zapadají a mikrozávaží. Struktura je vytvorena na jediném substrátu ctvercového tvaru. Uprostred substrátu je umísten ctvercový útvar (1) tvorící zároven mikrozávaží. Ke každé strane ctvercového útvaru (1) jsou navázány shodné pohyblivé elektrody (2), proti kterým jsou umísteny pevné elektrody (3), které jsou pres elektricky nevodivou mezivrstvu pevne spojeny se substrátem a jsou od nej odizolovány. U vrcholu ctvercového útvaru (1) je z každé strany vytvoren u jeho hrany elektricky izolovaný mechanický doraz (5), který je pevne spojen se substrátem. K vrcholu ctvercového útvaru (1) je ukotven svým jedním vrcholem ctvercový pružinový záves (4), jehož protilehlý vrchol je ukotven ke ctvercovému útvaru tvorícímu kontakty (6) pohyblivé elektrody (2), který je pevne mechanicky pres nevodivou vrstvu spojen se substrátem a tvorí vnejší roh celé struktury. Pružinový záves (4) je tvoren pravidelne se opakující zalamovanou strukturou nosníku vyplnující plochu mezi obema místy jeho ukotvení a oblastí pohyblivé elektrody (2) a pevné elektrody (3). Pevné elektrody (3) jsou opatreny druhými kontakty (7) umístenými libovolne v ploše pevné elektrody (3).
Description
Oblast techniky
Je řešena struktura MEMS kondenzátoru elektrostatického generátoru, který je pak schopen pracovat ve třech osách.
io 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, biýle, 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 pou30 žita 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 soustav u dvou destiček, na nichž se nalézá elek35 trický 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 elektrická 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 připevněni nou 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 ozna45 čováno 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, který je menší než hodnota Umax- Z grafu na obr. 1 je patrný směr cyklu od bodu A do bodu B.
- 1 CZ 303335 B6
Cesta mezí bodem B a bodem D koresponduje s fází pohybu desek kondenzátoru z hodnoty maximální hodnoty kapacity CMax, po minimální kapacitu CMin s hodnotou konstantního náboje Qo. Při poklesu kapacity kondenzátoru a současném udržování konstantního náboje na jeho deskách dochází ke zvyšování hodnoty napětí na kondenzátoru. Získaný náboj je možno odebírat při 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 Umax, tím pádem dojde k přechodu z bodu A do bodu C. Cesta mezi body C a D reprezentuje změnu kapacity z maximální hodnoty CMax na hodnotu CMin· Cesta mezi body D a A reprezentuje fázi vybíjení kondenzátoru. Mechanická 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-OD.
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 při 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 CPAr k MEMS kondenzátoru Cmkms· 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 CMems- Optimálních hodnot se dosahuje při 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 rádu jednotek kHz. Lze nalézt také taková topologická uspořádání, která nevyužívají rezonančních kmitů struktury, a pracují při nižších frekvencích.
Topologie MEMS kondenzátoru popsané v literatuře vycházejí ze 4 základních principů. První princip využívá paralelních desek, viz XP031978137 Takafumi Suzuki; et al.: Novel vibrationdriven micro-electrostatic induction energy harverster with asymmetric multi-resonant spring, Sensors, 2010 IEEE, Piscataway, NJ, USA, Pg. 1161 až 1164, 01.11.2010, kde je kondenzátor tvořen dvojí paralelních elektrod složených na sobě, jak je uvedeno například v XP031455750 A M Paracha, et al.: A bidirectional vibration powered electric energy generátor based on electrostatic transduction using In-Plane Overlap Plate (IPOP) mechanism, Design, Test, Integration&Packaging of MEMS/MOEMS, Pg. 300 až 303, 01.04.2009. 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, viz XP031455750 A M Paracha, et al.. Třetí princip využívá paralelní kombinaci několika kondenzátorů stím rozdílem, že tyto jsou tvořeny ve stejné vrstvě a formou uspořádání tvoří do sebe zaklíněné hřebeny, jak uvádí XP031456474 Hohlfeld D; et al.: System—level modeling and simulation of a frequency-tunable electrostatic energy harvester, Thermanl, Mechanical and Multi-Physics simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems, Pg 1 až 7, 26.04.2009. Topologie vychází ze struktur využívaných při 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 slou-2CZ 303335 B6 ží k rozpohybování jedné elektrody kondenzátoru, jak je uvedeno v XP031894729 Othman Sidek; et al.; Design and simulation of SO1-MEMS electrostatic vibration energy harvester fór micro power generation, Electrical, Control and Computer Engineering (INECCE), 2011 International Conference, Pg. 207 až 212, 21.06.2011. 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 mikrozávaží, je nutno v samotném návrhu uvažovat i použití jiných doplňkových materiálů, případně zvolit vhodný layout kondenzátoru. Poslední princip využívaný při 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 polí kondenzátorů dochází k periodickému zvyšování a snižování celkové kapacity struktury. Struktura je většinou využívána na principu konstantního náboje.
V roce 2010 byl publikován evropský patent č. EP 2 237 004 Al, který popisuje obdobnou aplikaci energetického generátoru v jednotce pro měření dynamické zátěže a mechanického pnutí uvnitř mechanických konstrukcí v prostředí železničních vagónů. Využívá energetického generátoru na elektrostatickém principu. Navrhovaná struktura je ovšem určena pro pohyb jen v jedné ose a obsahuje dva páry elektrod. Toto znamená silné omezení pro praktické nasazení, kde autor předpokládá silně směrově závislé buzení. Z patentu dále není patrná rezonanční frekvence a spektrální citlivost generátoru, což může v důsledku vysokého činiteli jakosti vést k omezením ve formě přesně dané frekvence mechanického buzení. Vlivem nesymetričnosti struktury kolem obou os x a y má generátor omezenou funkčnost a efektivnost přeměny energie je tím pádem jen poloviční. Všechny tyto nedostatky řeší mnou navrhovaná struktura, která je symetrická kolem obou os x a y, je schopna pracovat i v ose z a prvních 10 rezonančních frekvencí je díky optimalizaci tvaru pružinového závěsu pod 1 kHz.
Výkonová hustota generované energie dosažitelná s každým z uvedených designů elektrostatického měniče je závislá na tom, jakou velikost elektrostatické síly 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 při 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 vynálezu
Výše uvedené nedostatky odstraňuje struktura MEMS kondenzátoru elektrostatického generátoru obsahující prstově formovanou pevnou elektrodu a pohyblivou elektrodu, které do sebe v klidové 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. V tomto se navržená topologie liší od výše uvedených příkladů, kde lze nalézt topologická řešení symetrická jen podle jedné osy s jedním párem kondenzátoru, jak je uvedeno v XP031456474. 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
-3CZ 303335 B6 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 přes 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. Tento tvar umožňuje na minimální ploše dosáhnout ekvivalentně velmi dlouhého nosníku, který ve spojení se zbytkem struktury dosahuje rezonančních kmitočtů kolem 106 Hz. Oproti publikovaným výsledkům XP031978137 Takafumi Suzuki; et ak: Novel vibration-driven micro-electrostatic induction energy harvester with asymmetric multi-resonant spring, Sensors, 2010 IEEE, Piscataway, NJ USA, Pg. 1161 až 1164, 01.11.2010 nebo De Pasquale G., Wei M., Nickel MEMS Energy Harvesters for the Self-Powering of Vehicular Sensing Systems, Romanian Journal of Information Science and Technology, Vol. 13. No. 1, 2010, Pg 3 až 31, dosahuje navržená struktura srovnatelných nízkých rezonančních frekvencí při takřka desetinové aktivní ploše čipu (16 mm2 vs. 144 mm2). Pevné elektrody jsou opatřeny druhými kontakty umístěnými libovolně v ploše pevné elektrody. V dokumentu De Pasquale G., Wei M. je popisována topologie energy harvesterů využívajících prstově tvarované kondenzátory, ovšem ani zde autor neuvádí možnost využití ve 3D režimů a dosahované rezonanční frekvence dosahují hodnot vyšších než 300 Hz. Stejně tak autor neprovádí optimalizaci pružinových závěsů a pouze zvyšuje počet zalamovaných úseků bez další úpravy tvaru a rozložení pružin v ploše čipu.
Hlavní výhodou navrhovaného řešení je schopnost generátoru pracovat ve všech třech osách kartézských souřadnic, čímž se odlišuje od výše uvedených prací, které pracují v ID nebo max. 2D módu. Dále je možno upravit topologii kondenzátoru na libovolně volitelnou rezonanční frekvenci a naladit tak strukturu 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.
Přehled obrázků na výkresech
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 při různých rezonančních kmitočtech.
Příklady provedení vynálezu
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 určují 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 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 7 umístěnými libovolně v ploše pevné elektrody 3. Pevné elektrody jsou umístěny po obvodu a zapadají geometricky do pohyblivých elektrod 2 a jsou geometricky stejně
-4CZ 303335 B6 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 1 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 to 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 1 a pohyblivé elektrody 2 kněmu přichycené jsou plovoucí a ke zbytku struktury jsou uchyceny jen pres 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 horní 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 nesmí narazit nají 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 při 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 (3,5x3,5mm) [Hz]:
-5CZ 303335 B6
106.862678527832
106.867584228516
193.335723876953
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, io Topologie závěsu minimalizuje rezonanční frekvencí, 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.
2o 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 2 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 2 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.
-6CZ 303335 B6
Průmyslová využitelnost
Struktura MEMS kondenzátoru elektrostatického generátoru najde aplikaci v obvodech generace s 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.
Claims (1)
- PATENTOVÉ NÁROKY15 1. Struktura MEMS kondenzátoru elektrostatického generátoru obsahující prstově formovanou pevnou elektrodu (3) a pohyblivou elektrodu (2), které do sebe v klidové poloze navzájem zapadají a kde tato struktura obsahuje mikrozávaží, vyznačující se tím, že je vytvořena na jediném substrátu čtvercového tvaru, kde uprostřed tohoto substrátu je umístěn čtvercový útvar (1) tvořící zároveň mikrozávaží, ke každé straně čtvercového útvaru (1) jsou navázány shodné20 pohyblivé elektrody (2), proti kterým jsou umístěny pevné elektrody (3), které jsou přes elektricky nevodivou mezivrstvu pevně spojeny se substrátem a jsou od něj odizolovány a u vrcholů čtvercového útvaru (1) je z každé strany vytvořen u jeho hrany elektricky izolovaný mechanický doraz (5), který je pevně spojen se substrátem a k vrcholu čtvercového útvaru (1) je ukotven svým jedním vrcholem čtvercový pružinový závěs (4), jehož protilehlý vrchol je ukotven ke25 čtvercovému útvaru tvořícímu kontakty (6) pohyblivé elektrody (2), který je pevně mechanicky přes nevodivou vrstvu spojen se substrátem a tvoří vnější roh celé struktury, kde tento 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), přičemž pevné elektrody (3) jsou opatřeny druhými kontakty (7) umístěnými libovolně v ploše pevné30 elektrody (3).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ20110448A CZ2011448A3 (cs) | 2011-07-22 | 2011-07-22 | Struktura MEMS kondenzátoru elektrostatického generátoru |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ20110448A CZ2011448A3 (cs) | 2011-07-22 | 2011-07-22 | Struktura MEMS kondenzátoru elektrostatického generátoru |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ303335B6 true CZ303335B6 (cs) | 2012-08-01 |
| CZ2011448A3 CZ2011448A3 (cs) | 2012-08-01 |
Family
ID=46576062
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ20110448A CZ2011448A3 (cs) | 2011-07-22 | 2011-07-22 | Struktura MEMS kondenzátoru elektrostatického generátoru |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ2011448A3 (cs) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006111465A1 (de) * | 2005-04-20 | 2006-10-26 | Siemens Aktiengesellschaft | Elektrostatischer generator für mehrfrequente vibrationsquellen |
| EP2066015A2 (en) * | 2007-11-29 | 2009-06-03 | Stichting IMEC Nederland | Microstructure with enlarged mass and electrode area for kinetic to electrical energy conversion |
| EP2237004A1 (en) * | 2009-03-31 | 2010-10-06 | Politecnico di Torino | Wireless unit for measuring and transmitting dynamic loads, waggon comprising said unit, and corresponding control method |
-
2011
- 2011-07-22 CZ CZ20110448A patent/CZ2011448A3/cs not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006111465A1 (de) * | 2005-04-20 | 2006-10-26 | Siemens Aktiengesellschaft | Elektrostatischer generator für mehrfrequente vibrationsquellen |
| EP2066015A2 (en) * | 2007-11-29 | 2009-06-03 | Stichting IMEC Nederland | Microstructure with enlarged mass and electrode area for kinetic to electrical energy conversion |
| EP2237004A1 (en) * | 2009-03-31 | 2010-10-06 | Politecnico di Torino | Wireless unit for measuring and transmitting dynamic loads, waggon comprising said unit, and corresponding control method |
Non-Patent Citations (7)
| Title |
|---|
| Janicek, V., Husak, M.: Wide Range Layout Optimization of Energy Microgenerator In Electronic Devices and Systems, IMAPSCS International Conference 2010, Brno, Vol. 1, Pg. 115-120, 2010 * |
| XP004562115 Mitcheson P D; et al.: MEMS electrostatic micropower generator for low frequency operation, SENSORS AND ACTUATORS A, ELSEVIER SEQUOIA S.A., LAUSANNE, CH, Vol. 115, Nr. 2-3, Pg. 523-529, 21.09.2004 * |
| XP011301266 Torres E O; Rincon-Mora G A: A 0.7-mu m BiCMOS Electrostatic Energy-Harvesting System IC, IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, PISCATAWAY, NJ, USA, Vol. 45, Nr. 2, Pg 483-496, 01.02.2010 * |
| XP031455750 A M Paracha, et al.: A bidirectional vibration powered electric energy generator based on electrostatic transduction using In-Plane Overlap Plate (IPOP) mechanism, Design, Test, Integration&Packaging of MEMS/MOEMS, Pg. 300-303, 01.04.2009 * |
| XP031456474 Hohlfeld D; et al.: System-level modeling and simulation of a frequency-tunable electrostatic energy harvester, Thermal, Mechanical and Multi-Physics simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems, Pg.1-7, 26.04.2009 * |
| XP031894729 Othman Sidek;et al.: Design and simulation of SOI-MEMS electrostatic vibration energy harvester for micro power generation, Electrical, Control and Computer Engineering (INECCE), 2011 International Conference, Pg. 207-212, 21.06.2011 * |
| XP031978137 Takafumi Suzuki; et al.: Novel vibration-driven micro-electrostatic induction energy harvester with asymmetric multi-resonant spring, Sensors, 2010 IEEE, Piscataway, NJ, USA, Pg. 1161-1164, 01.11.2010 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2011448A3 (cs) | 2012-08-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107567427B (zh) | 用于从机械振动产生电能的微型动能采集器 | |
| Yang et al. | A MEMS rotary comb mechanism for harvesting the kinetic energy of planar vibrations | |
| Karami et al. | Electromechanical modeling of the low-frequency zigzag micro-energy harvester | |
| Lee et al. | Theoretical comparison of the energy harvesting capability among various electrostatic mechanisms from structure aspect | |
| Ahmed et al. | An electret-based angular electrostatic energy harvester for battery-less cardiac and neural implants | |
| Zhu et al. | Improving energy harvesting in a tri-stable piezomagnetoelastic beam with two attractive external magnets subjected to random excitation | |
| Salim et al. | A review of vibration-based MEMS hybrid energy harvesters | |
| JP6032006B2 (ja) | 振動発電装置 | |
| CN112217504B (zh) | 自供能mems惯性开关 | |
| Takahashi et al. | Application of paraelectric to a miniature capacitive energy harvester realizing several tens micro watt—Relationship between polarization hysteresis and output power | |
| Janicek et al. | Designing the 3D electrostatic microgenerator | |
| Zhang et al. | Flexible multilayer MEMS coils and their application in energy harvesters | |
| CZ303335B6 (cs) | Struktura MEMS kondenzátoru elektrostatického generátoru | |
| Zhang et al. | Electret-based electrostatic energy harvesting device with the MEMS technology | |
| Janicek et al. | Design and Fabrication of 3D Electrostatic Energy Harvester. | |
| CZ22977U1 (cs) | Struktura MEMS kondenzátoru elektrostatického generátoru | |
| Sidek et al. | Design and simulation of SOI-MEMS electrostatic vibration energy harvester for micro power generation | |
| Tao et al. | A sandwich-structured MEMS electret power generator for multi-directional vibration energy harvesting | |
| Jing | A Review on Vibration Energy Harvesting: Recent Development and Future Trend | |
| Feng et al. | A dual-resonance electromagnetic vibration energy harvester for wide harvested frequency range | |
| Guo et al. | Optimization of electrostatic energy harvesting device with multi-step structure | |
| Paracha et al. | Design and fabrication issues of a silicon-based vibration powered electric energy generator using parallel plate and in-plane mechanism | |
| Janicek et al. | 3D energy harvester evaluation | |
| Paracha et al. | A bidirectional vibration powered electric energy generator based on electrostatic transduction using In-Plane Overlap Plate (IPOP) mechanism | |
| Oukil et al. | L-shaped cantilever parallel-plate mems accelerometer design parameters using a gravitational search algorithm |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20170722 |