DE102005018867B4

DE102005018867B4 - Piezoelektrischer Mikro-Power Wandler

Info

Publication number: DE102005018867B4
Application number: DE102005018867A
Authority: DE
Inventors: Gerald Dr. Eckstein; Ingo KÜHNE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2025-04-23
Also published as: DE102005018867A1; WO2006111507A1

Abstract

Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Energieumwandlung, wobei die Einrichtung zur Energieumwandlung eine piezoelektrische, mechanisch schwingfähige Membranstruktur (3) zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie und/oder umgekehrt aufweist; zur Ausbildung der Membranstruktur (3) eine zwischen zwei Elektrodenschichten (5) angeordnete piezoelektrische Schicht (6) derart an einem Wafer (1) angeordnet ist, dass zumindest die an den Wafer (1) anliegende Elektrodenschicht sich über eine Waferaussparung hinaus erstreckt und eine Zusatzmasse (7) an der Membranstruktur (3) zur mechanischen Kopplung anliegt und/oder in einer Elektrodenschicht (5) im Bereich der Waferaussparung integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmasse (7) eine aufgrund von Vibrationen beschleunigbare Kugel ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Es besteht zunehmender Bedarf an Mikrosystemen in den Bereichen Sensorik, Aktorik, in der Datenkommunikation als auch im Bereich der Automobil- und Automationstechnik. Derartige Mikrosysteme müssen mit Energie zum Betrieb versorgt werden. Dabei sollen die Mikrosysteme möglichst unabhängig, d.h. autark, sein.
Es sind herkömmliche autarke Systeme bekannt, die lediglich mittels solarer Energiewandlung betrieben werden. Nachteilig ist dabei, dass alle Anwendungsgebiete, bei denen keine Sonnenenergie nutzbar gemacht werden kann, ausgeschlossen sind. Des Weiteren ergeben sich bei der Nutzung von Sonnenenergie mittels Solarzellen Schwierigkeiten bei der Miniaturisierung und Integrierung in CMOS-Technologie.
Die US 2003/0119220 A1 offenbart eine mikromechanische, piezoelektrische Vorrichtung. Die Vorrichtung weist ein Einkristallhalbleiterbasissubstrat mit einem oberen Bereich und einem unteren Bereich auf, wobei ein Bereich ein n-dotierter und der andere Bereich ein p-dotierter Bereich ist. Eine Aushöhlung wird innerhalb des unteren Bereichs und unterhalb des oberen Bereichs herausgeätzt, wobei eine mikromechanische Struktur erzeugt wird. Auf dieser mikromechanischen Struktur ist eine piezoelektrische Schicht angeordnet. Auf dieser piezoelektrischen Schicht ist eine Elektrodenschicht aufgebracht. Eine weitere Elektrodenschicht ist auf der mikromechanischen Struktur, neben der ersten Elektrode angeordnet. Es sind zusätzlich eine weitere Schicht zwischen mikromechanischer Struktur und piezoelektrischer Schicht, oder eine chemisch empfindliche Schicht auf der ersten Elektrodenschicht erzeugt.
Die WO 03/0001657 A1 offenbart ein Energieumwandlungssystem zur Verwendung eines Aufbaus im Nanometer-Bereich. Gemäß dieser Offenbarung wird kinetische Energie von Molekülen in eine andere Form von Energie umgewandelt. Eine derartige Energie kann mechanische oder elektrische Energie sein. Ebenso können Substanzen erwärmt oder gekühlt werden. Ebenso ist die Bereitstellung von Antriebssystemen derart möglich, dass Druckdifferenziale erzeugt werden.
Die EP 1 204 191 A2 offenbart ein drahtloses Leistungsversorgungsverfahren. Es wird Energie an eine relativ kleine Vorrichtung, wie beispielsweise eine Mikrovorrichtung, übertragen. Dazu wird elektrische Hochspannungsenergie verwendet. Gemäß diesem Verfahren wird optische Energie einer Lichtquelle in elektrische Hochspannungsenergie mittels eines Energiewandlers umgewandelt, der ein piezoelektrisches Element oder ein Photovoltaik-Element aufweist. Die elektrische Hochspannungsenergie wird einem Aktuator zugeführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde für eine Vorrichtung, insbesondere für ein Mikrosystem, eine Energieumwandlung auf einfache, wirksame und kostengünstige Weise bereit zu stellen. Die Vorrichtung soll in herkömmliche Halbleitertechnologien integrierbar und im Wesentlichen wartungsfrei sein. Weitere Forderungen sind ein kabelloser Betrieb sowie eine optimale Miniaturisierung der Vorrichtung. Die Vorrichtung soll insbesondere als Sensor, als Aktuator und/oder zur Datenübertragung und/oder als Energiequelle bzw. Generator und/oder als Signalgeber verwendbar sein.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
Die Lösung für die Energieumwandlung liegt darin, aus mechanischer Energie, insbesondere Vibrationen, welche in der Umgebung der Vorrichtung, insbesondere des Mikrosystems, vorhanden ist/sind, elektrische Energie und/oder umgekehrt elektrische Energie in mechanische Energie, d.h. insbesondere Vibrationsenergie, zu wandeln. Eine Energieumwandlung erfolgt mittels des Ausnutzens des Durchbiegens einer piezoelektrischen Membranstruktur, die insbesondere Vibrationen aufnimmt. Zur Ausbildung der Membranstruktur ist eine zwischen zwei Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht derart an einem Wafer angeordnet, dass zumindest die an den Wafer anliegende Elektrodenschicht sich über eine Waferaussparung hinaus erstreckt. An die Membranstruktur ist eine Zusatzmasse mechanisch gekoppelt. Auf diese Weise kann die Membranstruktur besonders empfindlich für mechanische Energie in Form von Vibrationen geschaffen werden. Eine Zusatzmasse kann vorteilhaft an der Membranstruktur zur mechanischen Kopplung anliegen und/oder in der Elektrodenschichten (5) im Bereich der Waferaussparung integriert sein. Die Zusatzmasse ist eine Kugel, die aufgrund von Vibrationen beschleunigbar ist. Damit ist die Vorrichtung besonders vorteilhaft für die Umwandlung von Vibrationen in elektrische Leistung geeignet. Durch Verwendung der Kugel werden die Membranstruktur nicht versteift und die mechanischen Spannungen in der Membranstruktur merklich verringert. Eine Kugel kann beispielsweise als Bleikugel auf eine Elektrodenschicht, beispielsweise durch Aufschmelzen, aufgebracht sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind zur Ausbildung der Membranstruktur eine Trägerschicht an einem Wafer über eine Waferaussparung hinaus, und eine zwischen zwei Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht an der Trägerschicht angeordnet. Zumindest die Trägerschicht erstreckt sich über die Waferaussparung hinaus.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Kugel vorteilhaft in der Trägerschicht im Bereich der Waferaussparung integriert sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Elektrodenschichten und die piezoelektrische Schicht im Bereich der Waferaussparung angeordnet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist mindestens eine Membranstruktur als Feder-Masse-System mit einer Resonanzfrequenz derart bereit gestellt, so dass eine dazugehörige Spektrallinie eines Frequenzbandes einer Vibration wirksam nutzbar ist. Die Resonanzfrequenz wird insbesondere durch Masse und/oder Federsteifigkeit der Membranstruktur bestimmt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Membranstruktur zur Einstellung der Resonanzfrequenz, insbesondere hinsichtlich Masse und/oder Federsteifigkeit, variabel. Einerseits ist die Membranstruktur als Ganzes durch eine andere Membranstruktur mit einer anderen Resonanzfrequenz ersetzbar, so dass auf diese Weise die Resonanzfrequenz verändert und den jeweiligen Vibrationsfrequenzen angepasst werden kann. Eine Modulbauweise ist vorteilhaft. Andererseits kann die Anpassung beziehungsweise die Veränderung der Resonanzfrequenz direkt an einer Membranstruktur durch Veränderung deren wirksamen Masse und/oder Federsteifigkeit erzeugt werden. Dazu kann die Membranstruktur diskrete Massebereiche aufweisen, die fixiert werden, so dass lediglich die unfixierte Masse schwingt. Ebenso kann eine Membranstruktur Bereiche mit unterschiedlichen Federsteifigkeiten aufweisen, die gezielt zur Bereitstellung unterschiedlicher Resonanzfrequenzen ausgewählt und aktiviert werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist mindestens eine digitale Elektrodenschicht auf. Digital bedeutet hier lediglich „unterteilt", das heißt „nicht durchgehend". Die digitalen Elektrodenflächen sind bevorzugt so ausgelegt, dass sie den jeweiligen Äquipotentialflächen, bezüglich der mechanischen Spannung in der Schicht, genügen, um die bei der Energiewandlung negativ wirkende elektro-mechanische Rückkopplung der piezoelektrischen Membran zu reduzieren.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Membranstruktur in Volumen-Mikromechanik ausgebildet. Es kann vorteilhaft Bulk-Material verwendet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Membranstruktur an die umgebenden Vibrationen zusätzlich über einen weiteren mechanischen Resonanzkörper mechanisch angekoppelt. Dieser kann beispielsweise ein Schutzkörper bzw. eine Schutzkappe für die Vorrichtung sein. Auf diese Weise kann die Vibrationsenergie wirksam mit der Membranstruktur gekoppelt werden.
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 ausgebildet.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Fig. näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Membranstruktur.
2 ein Ausführungsbeispiel einer digitalen Elektrodenschicht.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird eine Einrichtung zur Energieumwandlung als Energiequelle in Form eines piezoelektrischen Mikro-Power-Generators verwendet.
1 zeigt einen Wafer 1 mit einem Bulk-Materialbereich 2. Der Wafer 1 kann beispielsweise aus Silizium und/oder SOI bestehen. In diesem Bulk-Materialbereich 2 ist der Druck konstant. An dem Bulk-Materialbereich 2 und an dem Wafer 1 ist eine Membranstruktur 3 angeordnet. Diese weist eine Trägerschicht 4 auf, die beispielsweise Silizium, Polysilizium, Si liziumdioxid und/oder Si₃N₄ aufweist. Die Trägerschicht 4 kann sich über den Bulk-Materialbereich 2 hinaus erstrecken und ist schwingfähig mit dem Wafer 1 verbunden. Verbindungen können beispielsweise mittels Kleben oder Aufschmelzen erzeugt sein. Auf der dem Wafer 1 abgewandten Seite ist eine auf beiden Seiten Elektrodenschichten 5 aufweisende piezoelektrische Schicht 6 an der Trägerschicht 4 angebracht. Die Elektrodenschichten 5 können beispielsweise Platin, Titan und/oder Platintitanium aufweisen oder auch aus Gold (Au) sein. Die piezoelektrische Schicht 6 weist beispielsweise PZT, AlN und/oder PTFE auf oder kann auch aus dem Material ZnO sein. Piezoschichten können zudem als Schichtfolge oder einzeln als Dünnschicht-PVD (kleiner 5 μm), als Sol-Gel-Schicht (kleiner 20 μm) und/oder als aufgeklebte Bulk-Piezoschicht erzeugt sein. Es ist ebenso möglich, dass die Trägerschicht 4 durch die untere beziehungsweise die an den Wafer 1 angrenzende Elektrode erzeugt ist. Dies bedeutet, dass keine separate Trägerschicht vorhanden ist. Die untere Elektrode bzw. Elektrodenschicht übernimmt damit gleichzeitig die Aufgabe der Trägerschicht 4.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 wird eine Durchbiegung, aufgrund von Vibrationen, einer mit einer Masse beladenen, piezoelektrischen Membranstruktur 3 zur Energiegewinnung genutzt. Kumulativ wird eine Zusatzmasse 7 an die Membranstruktur 3 angekoppelt, so dass höher frequente Druckschwankungen in Form von Vibrationen wirksamer von der Membranstruktur 3 und der piezoelektrischen Schicht 6 erfasst werden können. Gemäß 2 ist eine aufgrund von Vibrationen beschleunigbare Kugel 7 an die Membranstruktur 3 beispielsweise in Form von aufgeschmolzenem Blei angekoppelt. Die Zusatzmasse 7 liegt insbesondere im Bereich der Elektrodenschichten 5 und der piezoelektrischen Schicht 6 an der Membranstruktur 3 an. Mittels Auswahl der Zusatzmasse 7 kann die Resonanzfrequenz der Membranstruktur 3 auf einfache und wirksame Weise eingestellt werden. Eine andere Möglichkeit der Einstellung der Resonanzfrequenz ist die Auswahl der entsprechenden Materialien der Membranstruktur 3 zur Festlegung der Federsteifigkeit der Membranstruktur 3. Ebenso kann die Größe des Bulk-Materialbereichs 2 ausgewählt und der erwünschten Resonanzfrequenz angepasst werden. Bezüglich der Zusatzmasse 7 sind der Materialauswahl keine Grenzen gesetzt. Besonders dichte Materialien ermöglichen besonders kompakte Ausführungsformen eines piezoelektrischen Mikro-Power-Generators für Vibrationen.
Eine Zusatzmasse 7 kann in die Trägerschicht 4 integriert werden, so dass Vibrationen vorteilhaft aufgenommen werden können. Trägerschicht 4 und Zusatzmasse 7 weisen beispielsweise Silizium oder Polysilizium auf. Andere Materialen sind ebenso verwendbar. 1 zeigt einen piezoelektrischen Mikro-Power-Generator für Vibrationen, dessen Resonanzfrequenz entsprechend dem Ausführungsbeispiel, insbesondere durch geeignete Auswahl der Zusatzmasse, eingestellt werden kann.
Gemäß den beiden Ausführungsbeispielen werden digitale, das heißt unterteilte, nicht durchgehende Elektrodenflächen 5 verwendet. Die Durchbiegung der piezoelektrischen Schicht 6 kann durch Vibrationen entsprechend 1 ausgelöst werden. Bei Vibrationen sollte jedoch die Zusatzmasse 7 an der Membranstruktur 3 angebracht werden, um die notwendige Durchbiegung und damit mechanische Spannung zu erzielen. Die Zusatzmasse 7 kann auch direkt in die Membranstruktur 3 integriert werden.
Gemäß den Ausführungsbeispielen wird die Einrichtung zur Energieumwandlung beziehungsweise der piezoelektrische Mikro-Power-Wandler als piezoelektrische Mikro-Power-Generator verwendet, der die Energieversorgung von auf diese Weise autarken Vorrichtungen beziehungsweise Mikrosystemen unter Ausnutzung von Vibrationen ermöglicht, welche in der Umgebung des (Mikro-)Systems vorhanden sind. Der piezoelektrische Effekt wird hierbei nicht nur in einer räumlichen Dimension ausgenutzt, wie zum Beispiel bei der Anordnung eines Balkens, sondern in der gesamten Fläche der Membranstruktur 3, so dass eine wirksame Energieausbeute erzeugt werden kann. Digitale Elektrodenflächen 5, das heißt unterteilte, nicht durchgehende Elektroden, ermöglichen es, die bei der Energiewandlung negativ wirkende elektro-mechanische Rückkopplung der piezoelektrischen Membran zu reduzieren.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine digitale Elektrodenanordnung 5. Diese Elektrodenanordnung 5 weist eine Nitrid/Oxid-Membran, eine untere Elektrode 5a (800 μm), eine Piezoschicht PZT-Schicht 6 (500 μm), eine obere Elektrode 5b, Bondpads (150 × 150 μm²) sowie eine Membrankante auf.
Der Generator stellt im Wesentlichen ein Feder-Masse-System dar, welches in der Lage ist, mechanische Energie in elektrische Energie zu wandeln. Die elektrische Energie steht somit für ein autarkes Mikrosystem zur Verfügung bzw. sie kann zwischengespeichert werden. Die zu wandelnde mechanische Energie erhält der Generator, indem er an die umgebenden Vibrationen, die man ausnutzen möchte, angekoppelt wird. Der piezoelektrische Mikro-Power-Generator besteht grundsätzlich aus der Membranstruktur 3, welche die eigentliche funktionale piezoelektrische Schicht 6 beinhaltet. Die piezoelektrische Schicht 6 ist beidseitig metallisiert, um die digitalen Elektrodenflächen 5 herzustellen. Eine wechselförmige Durchbiegung der Membranstruktur 3 führt zu mechanischer Spannung in der piezoelektrischen Schicht 6, so dass eine kontinuierliche Ladungsverschiebung innerhalb dieser Schicht 6 erfolgt. Zwischen den Elektroden 5 kommt es daher zu einer kontinuierlichen Änderung elektrischer Spannung und damit zum Gewinn von elektrischer Energie. Die digitalen beziehungsweise kammförmigen Elektrodenflächen 5 sind so ausgelegt, dass sie den jeweiligen Äquipotentialflächen, bezüglich der mechanischen Spannung in der Schicht, genügen, um die bei der Energiewandlung negativ wirkende elektro-mechanische Rückkopplung der piezoelektrischen Membranstruktur 3 zu reduzieren.

Claims

Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Energieumwandlung, wobei die Einrichtung zur Energieumwandlung eine piezoelektrische, mechanisch schwingfähige Membranstruktur (3) zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie und/oder umgekehrt aufweist; zur Ausbildung der Membranstruktur (3) eine zwischen zwei Elektrodenschichten (5) angeordnete piezoelektrische Schicht (6) derart an einem Wafer (1) angeordnet ist, dass zumindest die an den Wafer (1) anliegende Elektrodenschicht sich über eine Waferaussparung hinaus erstreckt und eine Zusatzmasse (7) an der Membranstruktur (3) zur mechanischen Kopplung anliegt und/oder in einer Elektrodenschicht (5) im Bereich der Waferaussparung integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmasse (7) eine aufgrund von Vibrationen beschleunigbare Kugel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der Membranstruktur (3) die zwischen zwei Elektrodenschichten (5) angeordnete piezoelektrische Schicht (6) derart mittels einer Trägerschicht (4) an dem Wafer (1) angeordnet ist, dass zumindest die an den Wafer (1) anliegende Trägerschicht (4) sich über die Waferaussparung hinaus erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel in der Trägerschicht (4) im Bereich der Waferaussparung integriert ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenschichten (5) und die piezoelektrische Schicht (6) im Bereich der Waferaussparung angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Membranstruktur (3) als Feder-Kugelmasse-System mit einer Resonanzfrequenz derart bereit gestellt ist, so dass eine dazugehörige Spektrallinie eines Frequenzbandes einer Vibration wirksam nutzbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur (3) zur Einstellung der Resonanzfrequenz, insbesondere hinsichtlich Kugelmasse und/oder Federsteifigkeit, variabel ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrodenschicht (5) digital erzeugt ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur (3) in Volumen-Mikromechanik ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur (3) an die umgebenden Vibrationen zusätzlich über einen weiteren mechanischen Resonanzkörper mechanisch angekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Energieumwandlung als Sensor, als Aktuator, für die Datenkommunikation und/oder im Bereich der Automobil- und Automationstechnik und/oder als Energiequelle und/oder als Signalgeber ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Mikrosystem ist.