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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung der Brownschen
Bewegungsenergie eines Fluids in elektrische Energie.
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Eine
bekannte Vorrichtung, die Wärme
in elektrische Energie umwandeln kann, ist das sogenannte Thermoelement.
Dieses besteht aus zwei unterschiedlichen und an einem Ende miteinander
verbundenen Metallen. Thermoelemente dienen meist zur Temperaturmessung.
Werden statt der Metalle unterschiedlich dotierte Halbleitermaterialien
verwendet, spricht man von einem thermoelektrischen Generator. Dieser
ist aufgebaut wie ein Peltier-Element und nutzt den sogenannten
Seebeck-Effekt.
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Andere
bekannte Vorrichtungen können Licht
in elektrische Energie umwandeln. Diese werden als Solarzellen oder
Photovoltaikelemente bezeichnet und bestehen ebenfalls aus unterschiedlichen
Halbleitermaterialien.
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Davon
ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur
Umwandlung der Brownschen Bewegungsenergie eines Fluids in elektrische
Energie zur Verfügung
zu stellen sowie ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch das
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 19. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den sich jeweils anschließenden Unteransprüchen angegeben.
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Die
Vorrichtung zur Umwandlung der Brownschen Bewegungsenergie eines
Fluids in elektrische Energie hat
- – eine elektrisch
isolierende Schicht, die eine Oberseite und eine Unterseite aufweist,
zwischen denen eine Vielzahl von Durchgangskanälen ausgebildet ist,
- – eine
erste elektrisch leitende Schicht an der Oberseite der elektrisch
isolierenden Schicht,
- – eine
zweite elektrisch leitende Schicht an der Unterseite der elektrisch
isolierenden Schicht und
- – eine
Vielzahl piezoelektrischer Elemente, die jeweils in einem der Durchgangskanäle so angeordnet
sind, dass sie mit der ersten elektrisch leitenden Schicht und mit
der zweiten elektrisch leitenden Schicht in Kontakt stehen und dass
mindestens eine Fläche
des piezoelektrischen Elements frei liegt.
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Das
Fluid kann eine beliebige Flüssigkeit oder
ein beliebiges Gas sein. Mit der Brownschen Bewegungsenergie des
Fluids ist die Energie gemeint, die den Teilchen des Fluids aufgrund
ihrer Wärmebewegung
innewohnt. Weil bei der Erfindung die Bewegung einzelner Teilchen
bzw. weniger Teilchen des Fluids für den Energieumwandlungsprozess
ausgenutzt wird, wird der lediglich für eine makroskopische Gesamtheit
von Teilchen eines Fluids sinnvoll definierte Begriff „Wärme” nicht
verwendet, obwohl er mit der Brownschen Bewegung eng zusammenhängt.
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Die
Bereitstellung elektrischer Energie erfolgt bei der Erfindung durch
Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts. Ein piezoelektrisches
Material, das diesen Effekt aufweist, bildet bei elastischer Verformung
eine elektrische Polarisation aus, so dass elektrische Spannung
erzeugt wird. Die Ausnutzung dieses Effekts ist für Kraft-,
Druck- und Beschleunigungssensoren allgemein bekannt. Auch die Ausnutzung
des umgekehrten Effekts, nämlich
die Verformung eines Körpers
aus einem piezoelektrischen Material beim Anlegen einer Spannung,
ist in vielen Gebieten der Technik als Antriebs- und Verstellmechanismus
allgemein bekannt.
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Bei
der Erfindung wird der piezoelektrische Effekt durch Verwendung
einer Vielzahl sehr kleiner piezoelektrischer Elemente dadurch ausgenutzt, dass
die Teilchen eines die Vorrichtung umgebenden Fluids auf die mindestens
eine frei liegende Fläche eines
piezoelektrischen Elements stoßen
und zu einer Verformung des piezoelektrischen Elements führen. Durch
diesen Stoß geben
die Teilchen einen Teil ihrer Brownschen Bewegungsenergie an das
piezoelektrische Element ab. Durch die Verformung des piezoelektrischen
Elements entsteht eine elektrische Spannung, die über die
erste und zweite elektrisch leitende Schicht, die jeweils mit dem
piezoelektrischen Element in Kontakt stehen, abgeleitet wird.
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Frei
liegen der mindestens einen Fläche
bedeutet, dass die Fläche
einem die Vorrichtung umgebenden Fluid, insbesondere einem die piezoelektrischen
Elemente umgebenden Fluid, derart ausgesetzt ist, dass ein Teilchen
des Fluids bei einem Stoß auf
die Fläche
einen Teil seiner Bewegungsenergie an das piezoelektrische Element
abgeben kann. Hierfür
ist es vorteilhaft, wenn die frei liegende Fläche unmittelbar an das Fluid
angrenzt.
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Die
Vorrichtung kann insbesondere zur Bereitstellung elektrischer Energie
verwendet werden, die der Umgebung, beispielsweise der Luft, auf
die genannte Weise entzogen wird. Die Vorrichtung kann wegen ihrer
Fähigkeit,
der Umgebung Wärme
zu entziehen, auch zu Kühlzwecken
eingesetzt werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann in ganz unterschiedlichen Abmessungen hergestellt und sinnvoll
genutzt werden. Denkbar sind ebenso sehr kleine Vorrichtungen, bei
denen sich die Schichten in der Länge und Breite beispielsweise
nur einen oder wenige Millimetern, gegebenenfalls auch nur Bruchteile
eines Millimeters, erstrecken. Derartige Vorrichtungen können als
Energiequelle für transportable
elektronische Geräte
wie beispielsweise Mobiltelefone oder Uhren genutzt werden. Ebenfalls
möglich
sind größere Vorrichtungen,
bei denen sich die Schichten in der Länge und Breite beispielsweise
einen oder mehrere Zentimeter oder Meter erstrecken. Diese können insbesondere
als Energiequelle für größere elektrisch
betriebene Geräte
oder auch stationär
eingesetzt werden. Es können
auch mehrere Vorrichtungen als Module ausgebildet sein, die elektrisch
und/oder mechanisch miteinander verbindbar sind.
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In
einer Ausgestaltung sind die Abmessungen der jeweils mindestens
einen Fläche
so klein, dass die beim Stoß eines
einzelnen Teilchens eines die Vorrichtung umgebenden Fluids auf
die Fläche ausgelöste elektrische
Reaktion des piezoelektrischen Elements über die elektrisch leitenden
Schichten ableitbar ist. Das umgebende Fluid kann eine Flüssigkeit
oder ein Gas, insbesondere die Umgebungsluft, sein. Die Größe der frei
liegenden Fläche ist
für das
Erreichen des geschilderten Effekts eines Teilchenstoßes von
Bedeutung. Ebenfalls von Bedeutung ist die Größe des piezoelektrischen Elements,
das die frei liegende Fläche
aufweist. Bevorzugt entspricht die frei liegende Fläche dem
Querschnitt des piezoelektrischen Elements. Die Energieübertragung
von den Teilchen des Fluids auf das piezoelektrische Element kann
auch als Druckausübung des
Fluids auf die frei liegende Fläche
verstanden werden, wobei der Druck von einer Anzahl von Teilchen
des Fluids, die innerhalb einer bestimmten Zeit auf die Fläche auftreffen,
ausgeübt
wird. Aufgrund der statistisch verteilten Bewegungen der Teilchen unterliegt
der ausgeübte
Druck Schwankungen, deren Ausprägung
von der Größe der Fläche abhängig ist.
Berechnungen für
Luft als umgebendes Fluid haben ergeben, dass bei einer Fläche mit
einem Durchmesser von 0,5 μm
etwa 600 mal pro Stunde mit einer verwertbaren Druckzufuhr zu rechnen
ist, während
dieser Effekt bei einer Fläche
mit einem Durchmesser von 5 μm
nur einmal in 18 Monaten erreicht wird.
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In
einer Ausgestaltung weisen die piezoelektrischen Elemente an beiden
Enden jeweils eine frei liegende Fläche auf. Bei dieser Anordnung
der frei liegenden Flächen
kann jedes piezoelektrische Element durch Teilchenstöße an der
Oberseite und an der Unterseite aktiviert werden. Bevorzugt können die
beiden frei liegenden Flächen
der Querschnittsfläche
des piezoelektrischen Elements entsprechen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung erstrecken sich die Durchgangskanäle durch die erste elektrisch
leitende Schicht und/oder durch die zweite elektrisch leitende Schicht
hindurch. Die von den elektrisch leitenden Schichten gebildeten
Wandungen der Durchgangskanäle
stehen dann in Kontakt mit den piezoelektrischen Elementen, die
in den Durchgangskanälen
angeordnet sind. Es ist daher eine einfache Lösung für die Kontaktierung der piezoelektrischen
Elemente gefunden, die zugleich zur Ausbildung frei liegender Flächen der
piezoelektrischen Elemente an beiden Enden führen kann.
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In
einer Ausgestaltung sind die Durchgangskanäle zylindrisch. Sie haben demnach
eine im Wesentlichen über
ihre gesamte Länge
gleichmäßige Querschnittsfläche, die
beispielsweise quadratisch, vieleckig oder rund sein kann. Die Durchgangskanäle können insbesondere
geradlinig verlaufen und eine Längsrichtung
aufweisen, die im rechten Winkel zur Oberseite und Unterseite der
elektrisch isolierenden Schicht angeordnet ist. Die in den Durchgangskanälen angeordneten
piezoelektrischen Elemente können
die Durchgangskanäle
vollständig
ausfüllen
und eine korrespondierende Form aufweisen. Ein zylindrisches piezoelektrisches
Element spricht besonders gut auf die Teilchenstöße an. Zylindrische Durchgangskanäle sind
zudem einfacher zu fertigen.
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In
einer Ausgestaltung weisen die piezoelektrischen Elemente eine elektrische
Polarisation auf, die entlang einer Längsrichtung eines Durchgangskanals
und/oder in einem Winkel zu einer der freiliegenden Flächen ausgerichtet
ist. Genauer ist mit der Richtung der elektrischen Polarisation
diejenige Richtung gemeint, in der die piezoelektrischen Elemente
durch Verformung elektrisch polarisierbar sind. Bevorzugt ist die
elektrische Polarisation jedes einzelnen piezoelektrischen Elements
in der genannten Weise zu dem zugehörigen Durchgangskanal bzw.
zu der zugehörigen
frei liegenden Fläche
ausgerichtet. Die Polarisationsrichtungen der piezoelektrischen
Elemente können
jedoch auch voneinander abweichen, wobei eine möglichst große Netto-Polarisation angestrebt
wird. Die durch eine Verformung eines piezoelektrischen Elements
hervorgerufene elektrische Spannung ist maximal, wenn die elektrische
Polarisation des Materials bzw. genauer die Richtung der Polarisierbarkeit
in Richtung der Verformung verläuft.
Gleichfalls bevorzugt ist eine Ausrichtung der Polarisation derart,
dass sie einer gedachten Verbindungslinie zwischen den Kontaktbereichen
mit den beiden elektrisch leitenden Schichten entspricht.
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In
einer Ausgestaltung sind mindestens 104 Durchgangskanäle pro Quadratzentimeter
der elektrisch isolierenden Schicht vorhanden. Bevorzugt sind mindestens
5 × 104, 105, 5 × 105, 106 oder mehr Durchgangskanäle pro Quadratzentimeter
vorhanden. Je mehr Durchgangskanäle
bzw. piezoelektrische Elemente pro Fläche der Vorrichtung vorhanden
sind, desto häufiger
können
Teilchenstöße zur Bereitstellung
elektrischer Energie ausgenutzt werden.
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In
einer Ausgestaltung beträgt
die größte Erstreckung
der mindestens einen Fläche
5 μm oder weniger.
Die größte Erstreckung
der mindestens einen Fläche
kann bevorzugt weniger als 2 μm,
beispielsweise 0,5 μm
bis 1 μm
betragen. Ebenfalls denkbar ist eine größte Erstreckung der mindestens einen
Fläche
im Bereich von 0,2 μm
bis 0,5 μm
oder bis 1,5 μm.
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In
einer Ausgestaltung beträgt
die Dicke der isolierenden Schicht 1 mm oder weniger. Beispielsweise
kann die Dicke der isolierenden Schicht im Bereich von weniger als
500 μm,
insbesondere im Bereich von 200 μm
bis 500 μm,
liegen. Auch noch wesentlich dünnere
isolierende Schichten sind möglich, beispielsweise
im Bereich weniger Mikrometer.
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Gemäß einer
Ausgestaltung beträgt
die Dicke der ersten elektrisch leitenden Schicht und/oder der zweiten
elektrisch leitenden Schicht 50 μm
oder weniger. Beispielsweise kann sie im Bereich zwischen 10 μm und 30 μm liegen.
Besonders bevorzugt ist eine Dicke von ungefähr 20 μm. Es können auch noch wesentlich dünnere Schichtdicken
der elektrisch leitenden Schichten verwendet werden, beispielsweise
im Bereich von 1 μm
bis 5 μm,
was herstellungstechnische Vorteile bieten kann. Denkbar ist insbesondere
eine Dicke der elektrisch leitenden Schichten von ungefähr 3 μm.
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In
einer Ausgestaltung ist die elektrisch isolierende Schicht temperaturbeständig bis
170°C oder mehr.
Auch die beiden elektrisch leitenden Schichten weisen bevorzugt
mindestens diese Temperaturbeständigkeit
auf. Die Temperaturbeständigkeit
ist insbesondere von Vorteil bei der Herstellung der Vorrichtung
im Hinblick auf das Anordnen eines piezoelektrischen Materials und
auf das Ausbilden einer gewünschten
elektrischen Polarisation der piezoelektrischen Elemente durch Anlegen
eines elektrischen Feldes bei erhöhter Temperatur.
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In
einer Ausgestaltung weist die isolierende Schicht Mica auf. Eine
andere Bezeichnung für
dieses Material ist Glimmer. Mica ist ein kostengünstiges und
gut schichtweise spaltbares Material mit hervorragenden Isolationseigenschaften.
Die isolierende Schicht kann insbesondere vollständig aus diesem Material bestehen.
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In
einer Ausgestaltung weist die erste elektrisch leitende Schicht
und/oder die zweite elektrisch leitende Schicht Kupfer auf. Kupfer
lasst sich gut schichtweise aufbringen und ist für seine hohe elektrische Leitfähigkeit
bekannt. Bevorzugt können
die elektrisch leitenden Schichten vollständig aus Kupfer bestehen. Es
können
alternativ andere ausreichend gut elektrisch leitfähige Schichten,
beispielsweise Silber, Gold oder andere Metalle, verwendet werden.
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In
einer Ausgestaltung weist die Vorrichtung ein bei einer Betriebstemperatur
der Vorrichtung flüssiges
Material auf, das gleichzeitig die erste elektrisch leitende Schicht
und/oder die zweite elektrisch leitende Schicht sowie das Fluid
bildet. Die Betriebstemperatur der Vorrichtung kann insbesondere
der Temperatur der Umgebungsluft entsprechen und beispielsweise
im Bereich von –30°C bis +60°C liegen. Wie
in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, kann das flüssige Material
dann beispielsweise Quecksilber sein. Quecksilber hat eine hohe
elektrische Leitfähigkeit.
Dass eine Fläche
des piezoelektrischen Elements frei liegt, bedeutet bei diesen Ausgestaltungen,
dass die Fläche
dem flüssigen
Material, dass zugleich das die piezoelektrischen Elemente umgebende
Fluid bildet, ausgesetzt ist.
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Gemäß einer
Ausgestaltung weisen die piezoelektrischen Elemente Polyvinylidenfluorid
auf. Polyvinylidenfluorid, abgekürzt
PVDF, ist ein transparenter, teilkristalliner, thermoplastischer
Fluorkunststoff. Bekannte Handelsnamen sind Kynar und Dyneon. Es
wird für
unterschiedliche technische Anwendungen eingesetzt. Nach entsprechender
Polarisierung durch Ausrichtung der kristallinen Bereiche weist
das Material einen starken piezoelektrischen Effekt auf. Es ist
daher besonders gut für
die erfindungsgemäße Vorrichtung
geeignet, denn es kann aufgrund seiner thermoplastischen Eigenschaften verflüssigt und
in die Durchgangskanäle
eingebracht werden. Zusätzlich
kann die gewünschte
Polarisationsrichtung nach dem Einbringen des Materials in die Durchgangskanäle hergestellt
werden.
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In
einer Ausgestaltung sind die erste elektrisch leitende Schicht und/oder
die zweite elektrisch leitende Schicht jeweils mit einem Kabel verbunden. Über die
Kabel kann die elektrische Energie von der Vorrichtung abgeführt werden.
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Gemäß einer
Ausgestaltung sind mehrere Vorrichtungen in einem Abstand voneinander übereinander
angeordnet. Der Abstand zwischen den Vorrichtungen ist bevorzugt
so bemessen, dass eine ausreichende Wärmezufuhr zwischen den einzelnen Lagen
Vorrichtungen erreicht werden kann. Die Wärmezufuhr kann durch Erzeugen
einer Fluidströmung zwischen
den einzelnen Lagen der Vorrichtung, beispielsweise durch einen
Ventilator, erhöht
werden. Durch die stapelweise Anordnung kann eine große Fläche der
Vorrichtungen auf kleinem Raum angeordnet werden, so dass eine hohe
Energieausbeute möglich
ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
gemäß Anspruch
19 dient zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
18 und weist die folgenden Schritte auf, die bevorzugt, aber nicht
notwendigerweise in der nachstehenden Reihenfolge ausgeführt werden
müssen:
- – Bereitstellen
einer elektrisch isolierenden Schicht,
- – Anordnen
einer ersten elektrisch leitenden Schicht an der Oberseite der elektrisch
isolierenden Schicht,
- – Anordnen
einer zweiten elektrisch leitenden Schicht an der Unterseite der
elektrisch isolierenden Schicht,
- – Ausbilden
einer Vielzahl von Durchgangslöchern
in der elektrisch isolierenden Schicht,
- – Anordnen
eines piezoelektrischen Materials in den Durchgangslöchern derart,
dass eine Vielzahl piezoelektrischer Element entstehen, die jeweils mit
der ersten elektrisch leitenden Schicht und mit der zweiten elektrisch
leiten den Schicht in Kontakt stehen, wobei jeweils mindestens eine
Fläche
eines piezoelektrischen Elements freiliegt.
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Zur
Erläuterung
der Merkmale und Vorteile des Verfahrens wird auf die obigen Ausführungen
zu der korrespondierenden Vorrichtung verwiesen.
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In
einer Ausgestaltung werden die erste elektrisch leitende Schicht
und die zweite elektrisch leitende Schicht vor dem Ausbilden der
Durchgangskanäle
auf der elektrisch isolierenden Schicht angeordnet und beim Ausbilden
der Durchgangskanäle
werden alle drei Schichten mit den Durchgangskanälen versehen. Somit werden
Durchgangskanäle
ausgebildet, die nach Einbringen eines piezoelektrischen Materials
automatisch eine Kontaktierung mit den elektrisch leitenden Schichten
und die Ausbildung von freiliegenden Flächen an der Oberseite und der Unterseite
der Vorrichtung zur Folge haben. Dadurch vereinfacht sich das Herstellungsverfahren
gegenüber
anderen, ebenfalls denkbaren Verfahrensführungen, bei denen durch gesonderte
Maßnahmen
für die Kontaktierung
der elektrisch leitenden Schichten und/oder das Ausbilden der frei
liegenden Flächen gesorgt
werden muss.
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In
einer Ausgestaltung erfolgt das Anordnen der elektrisch leitenden
Schichten durch Abscheiden eines elektrisch leitenden Materials
in einem Elektrolyseverfahren. Eine derartige Abscheidung ist auch unter
der Bezeichnung galvanische Abscheidung geläufig. Grundsätzlich können die
elektrisch leitenden Schichten durch ein beliebiges Verfahren hergestellt werden.
Die Abscheidung in einem Elektrolyseverfahren stellt eine bewährte Technik
mit gut kontrollierbaren Prozessparametern dar.
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Gemäß einer
Ausgestaltung erfolgt das Ausbilden der Durchgangskanäle durch
ein Röntgentiefenlithographieverfahren.
Durch die Röntgentiefenlithographie
ist es möglich,
lateral beliebig gestaltete Strukturen mit hohem Aspektverhältnis herzustellen. Höhen von
mehr als 1 mm und ein laterales Auflösungsvermögen bis zu 0,2 μm wurden
bereits erreicht. Es können
Strukturen mit glatten und zueinander parallelen Wänden erzeugt
werden. Hierzu wird eine sehr durchdringende, intensive und parallele Röntgenstrahlung
verwendet, wie sie ein Synchrotron zur Verfügung stellt. Die Strukturinformationen können mit
Hilfe eines CAD-Systems erstellt und anschließend zur Ausbildung einer Maske
verwendet werden, die den besonderen Anforderungen der harten Röntgenstrahlung
gerecht wird. Ein „transparenter” Träger der
Maske kann durch eine sehr dünne Metallfolie,
beispielsweise aus Titan oder Beryllium, gebildet werden und die
abzudeckenden Bereiche können
beispielsweise aus einer vergleichsweise dicken Goldschicht bestehen.
Mittels Synchrotronstrahlung kann diese laterale Strukturinformation durch „Schattenwurf” in die
elektrisch isolierende Schicht übertragen
werden. Die eindringende Strahlung verändert dabei das Material so,
dass es mit einem geeigneten Lösungsmittel
entfernt werden kann, wobei die Struktur aus dem unbestrahlten Material als
Primärstruktur
zurückbleibt.
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Gemäß einer
Ausgestaltung erfolgt das Anordnen des piezoelektrischen Materials
durch Einsaugen des Materials in die Durchgangskanäle. Das piezoelektrische
Material befindet sich dabei in einem plastisch verformbaren, bevorzugt
flüssigen
Zustand. Beispielsweise kann es an der Unterseite der Durchgangskanäle angeordnet
und durch Erzeugen eines Vakuums an der Oberseite der Durchgangskanäle in diese
eingesaugt werden. Mit dem genannten Verfahren ist es möglich, eine
Vielzahl sehr kleiner Durchgangskanäle gleichzeitig zu füllen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung wird ein thermoplastisches, piezoelektrisches Material
bei einer Temperatur oberhalb seiner Schmelztemperatur eingebracht.
Das Material kann beispielsweise Polyvinylidenfluorid sein, welches
eine Schmelztemperatur von ca. 175°C aufweist. Voraussetzung ist
eine entsprechende Temperaturbeständigkeit des Schichtmaterials,
das die Durchgangskanäle
aufweist.
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In
einer Ausgestaltung wird die Vorrichtung nach dem Anordnen des piezoelektrischen
Materials in den Durchgangskanälen
einem elektrischen Feld ausgesetzt, so dass die piezoelektrischen
Elemente elektrisch in Richtung des Feldes polarisiert bzw. in dieser
Richtung durch Verformung polarisierbar werden. Die Richtung des
elektrischen Feldes kann dabei entsprechend der erwünschten
Polarisationsrichtung gewählt
werden. Beispielsweise kann dabei eine Feldstärke von 106 Volt
pro Meter oder mehr verwendet werden.
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Gemäß einer
Ausgestaltung wird das Verfahren so ausgeführt, dass die hergestellte
Vorrichtung eines oder mehrere der Merkmale der Unteransprüche 2 bis
18 aufweist. Dies wird durch entsprechende Wahl der jeweiligen Verfahrensparameter
oder -randbedingungen erreicht.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von in drei Figuren dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer vereinfachten Darstellung;
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2 einen
Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einem Querschnitt senkrecht zur Richtung der Schichten;
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3 einen
Ausschnitt einer anderen erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Querschnitt senkrecht
zur Richtung der Schichten.
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Die
in der 1 gezeigte Vorrichtung besteht aus einer in der
Mitte angeordneten, elektrisch isolierenden Schicht 10,
die eine Dicke von 500 μm aufweist.
An der Oberseite der elektrisch isolierenden Schicht ist eine erste
elektrisch leitende Schicht 18, an der Unterseite der elektrisch
isolierenden Schicht 10 eine zweite elektrisch leitende
Schicht 20 angeordnet. Die beiden elektrisch leitenden
Schichten 18, 20 bestehen jeweils aus Kupfer mit
einer Schichtdicke von 20 μm.
Eine Vielzahl piezoelektrischer Elemente 22 ist rasterartig über die
Fläche
der Vorrichtung verteilt angeordnet. Die piezoelektrischen Elemente
weisen jeweils an der Unterseite und an der Oberseite der Vorrichtung
eine frei liegende Fläche 24 auf,
die einem die Vorrichtung umgebenden Fluid ausgesetzt ist. Hinsichtlich
der Anordnung und Anzahl der piezoelektrischen Elemente 22 ist
die 1 stark vereinfacht. In der Praxis kann die Vorrichtung
beispielsweise Abmessungen von 10 cm × 10 cm aufweisen, wobei auf
jedem Quadratzentimeter der Vorrichtung 106 piezoelektrische
Elemente angeordnet sind und die größte Erstreckung der beispielsweise
annähernd
kreisförmig
ausgebildeten, frei liegenden Flächen 24 beispielsweise
1 μm beträgt. Mit
der ersten elektrisch leitenden Schicht 18 an der Oberseite
der Vorrichtung ist ein erstes Kabel 30, mit der zweiten
elektrisch leitenden Schicht 20 an der Unterseite der Vorrichtung
ist ein zweites Kabel 32 verbunden.
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An
einem Prototypen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den oben
beispielhaft genannten Abmessungen wurde eine elektrische Leistung
von 0,163 Watt gemessen.
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Anhand
der 2 und 3 sollen mögliche Anordnungen der piezoelektrischen
Elemente genauer erläutert
werden. Eine erste Möglichkeit
ist in der 2 gezeigt. In dem Querschnitt
sind zunächst die
elektrisch isolierende Schicht 10, die an der Oberseite 12 angeordnete,
erste elektrisch leitende Schicht 18 und die an der Unterseite 14 angeordnete zweite
elektrisch leitende Schicht 20 zu erkennen.
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Durch
die elektrisch isolierende Schicht 10 und die erste elektrisch
leitende Schicht 18 hindurch erstrecken sich Durchgangskanäle 16,
die einen gleichmäßigen Querschnitt
aufweisen und eine Längsrichtung,
die senkrecht zum Verlauf der genannten Schichten angeordnet ist.
Das in der Zeichnung unten angeordnete Ende der Durchgangskanäle 16 ist
durch die zweite elektrisch leitende Schicht 20 verschlossen.
Durchgängig
sind die Durchgangskanäle 16 mithin
lediglich hinsichtlich der elektrisch isolierenden Schicht 10 und
der ersten elektrisch leitenden Schicht 18. Die Durchgangskanäle 16 sind mit
einem piezoelektrischen Material ausgefüllt, wodurch innerhalb jedes
Durchgangskanals 16 ein piezoelektrisches Element 22 ausgebildet
ist. An der Oberseite jedes piezoelektrischen Elements 22 befindet
sich eine freiliegende Fläche 24,
die den Teilchen eines die Vorrichtung umgebenden Fluids ausgesetzt
ist.
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In
der 3 sind die gleichen Schichten dargestellt wie
in der 2 und mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Im Unterschied zur 2 erstrecken sich die Durchgangskanäle 16 jedoch
durch die elektrisch isolierende Schicht 10, die erste
elektrisch leitende Schicht 18 und auch durch die zweite elektrisch
leitende Schicht 20 hindurch. Die Durchgangskanäle 16 sind
ebenfalls mit einem piezoelektrischen Material ausgefüllt, so
dass innerhalb jedes Durchgangskanals 16 ein piezoelektrisches
Element 22 angeordnet ist. In der 3 weist
jedes piezoelektrische Element 22 zwei freiliegende Flächen 26 und 28 auf,
die an der Oberseite bzw. an der Unterseite des piezoelektrischen
Elements 22 ausgebildet sind. In der 3 ist
beispielhaft durch den Pfeil 34 die elektrische Polarisationsrichtung
eines piezoelektrischen Elements 22 eingezeichnet. Diese
verläuft
entlang der Längsrichtung
des zugehörigen
Durchgangskanals 16, senkrecht zum Verlauf der Schichten 10, 18, 20 und
ebenfalls senkrecht zu den freiliegenden Flächen 26, 28.