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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Hauptanspruchs.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde für eine Vorrichtung, insbesondere
für ein
Mikrosystem, eine Energieumwandlung auf einfache, wirksame und kostengünstige Weise
bereit zu stellen. Die Vorrichtung soll in 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.
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Die
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
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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.
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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.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Kugel vorteilhaft
in der Trägerschicht
im Bereich der Waferaussparung integriert sein.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Elektrodenschichten
und die piezoelektrische Schicht im Bereich der Waferaussparung angeordnet.
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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.
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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.
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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.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Membranstruktur in
Volumen-Mikromechanik ausgebildet. Es kann vorteilhaft Bulk-Material
verwendet werden.
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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.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Einrichtung zur Energieumwandlung als
Sensor, als Aktuator, für
die Datenkommunikation als auch im Bereich der Automobil- und Automationstechnik
und/oder als Energiequelle und/oder als Signalgeber ausgebildet.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit den Fig. näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
einer piezoelektrischen Membranstruktur.
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2 ein
Ausführungsbeispiel
einer digitalen Elektrodenschicht.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 wird
eine Einrichtung zur Energieumwandlung als Energiequelle in Form
eines piezoelektrischen Mikro-Power-Generators verwendet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.