DE102010035247A1

DE102010035247A1 - Dielectric Capacitive MEMS Energy Converter

Info

Publication number: DE102010035247A1
Application number: DE201010035247
Authority: DE
Inventors: Dr. Kühne Ingo
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2012-03-01
Also published as: WO2012025410A1

Abstract

Es soll ein kapazitiver dielektrischer Energiewandler zur Wandlung von mechanischer Vibration in elektrische Energie derart bereitzustellen, dass ein im Vergleich zu herkömmlichen derartigen Energiewandlern eine höhere Leistungsausbeute bereitgestellt werden kann. Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Kondensator mit zwei in einem Abstand zueinander angeordneten Elektrodenflächen ein Kondensatorvolumen erzeugt, wobei in diesem ein Gesamtdielektrikum hinsichtlich einer relativen Gesamtpermittivität abhängig von der Vibration zeitlich variabel erzeugt ist.The aim is to provide a capacitive dielectric energy converter for converting mechanical vibration into electrical energy in such a way that a higher power output can be provided compared to conventional energy converters of this type. The present invention is characterized in that a capacitor with two electrode surfaces arranged at a distance from one another generates a capacitor volume, in which an overall dielectric is generated in a time-variable manner with regard to a relative overall permittivity depending on the vibration.

Description

Energieautarke Mikrosysteme werden aufgrund ihrer erhöhten Leistungsfähigkeit in der Zukunft gänzlich neue Anwendungsfelder eröffnen, und zwar insbesondere in der Automationstechnik, der Gebäudetechnik oder im Automobilbereich. Die Vorteile eines derartigen Systems liegen vor allem in der geringen Bauteilgröße, dem kabellosen Betrieb und der Wartungsfreiheit.Energy-autonomous microsystems will open up completely new fields of application in the future due to their increased efficiency, especially in automation technology, building technology or the automotive sector. The advantages of such a system are, above all, the small component size, the wireless operation and the freedom from maintenance.

Die benötigte elektrische Energie wird durch Energiewandlung aus den in der jeweiligen Systemumgebung zur Verfügung stehenden Energieformen gewandelt. Typisch nutzbare Energien sind beispielsweise Vibrationen, Wärme, Strahlung, Druckschwankungen oder chemische Energie. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird lediglich eine Energiewandlung von mechanischer Vibration in elektrische Energie betrachtet. In der Literatur sind Konzepte vibrationsbasierter Energiewandler und deren Realisierung zu finden. Jedoch stehen keine kommerziellen Gesamtsysteme zur Verfügung. Derartige Ansätze solcher energieautarker Mikrosysteme zielen insbesondere auf vernetzte Funksensoren. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines energieautarken Mikrosystems.The required electrical energy is converted by energy conversion from the energy forms available in the respective system environment. Typical usable energies are, for example, vibrations, heat, radiation, pressure fluctuations or chemical energy. According to the present invention, only one energy conversion from mechanical vibration to electrical energy is considered. In the literature, concepts of vibration-based energy converters and their realization can be found. However, no overall commercial systems are available. Such approaches of such energy self-sufficient microsystems are aimed in particular at networked radio sensors. 1 shows a schematic diagram of an energy self-sufficient microsystem.

Es existieren drei weit verbreitete physikalische Prinzipien für eine Energiewandlung von mechanischen Vibrationen in elektrische Energie, und zwar piezoelektrisch, kapazitiv und induktiv. MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) basierende Energiewandler beruhen dabei auf einem Feder-Masse-Prinzip und weisen somit ein resonantes Verhalten auf. Eine Energiewandlung erfolgt also lediglich im Bereich der Resonanzfrequenz mit hinreichender Effizienz. Im Vergleich der drei Wandlungsprinzipien besitzen piezoelektrische Wandler die größte, praktisch erreichbare Energiedichte und sind somit insbesondere für den Einsatz bei geringeren Frequenzen geeignet. Es lassen sich insbesondere piezoelektrische als auch kapazitive Wandler in MEMS-Bauweise umsetzen. Die Technologie für den Bau eines induktiven MEMS-Wandlers gestaltet sich hingegen schwierig. Des Weiteren weißt das induktive Prinzip ein schlechteres Skalierungsverhalten auf und die zu erwartenden elektrischen Spannungen sind vergleichsweise gering. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere kapazitive Energiewandler.There are three widely used physical principles for energy conversion from mechanical vibration to electrical energy, piezoelectric, capacitive and inductive. MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) based energy converters are based on a spring-mass principle and thus exhibit a resonant behavior. An energy conversion thus takes place only in the region of the resonance frequency with sufficient efficiency. In comparison of the three conversion principles have piezoelectric transducers the largest, practically achievable energy density and are therefore particularly suitable for use at lower frequencies. In particular, piezoelectric capacitive and capacitive converters in MEMS design can be implemented. However, the technology for building a MEMS inductive MEMS device is difficult. Furthermore, the inductive principle has a worse scaling behavior and the expected electrical voltages are comparatively low. The present invention relates in particular to capacitive energy converters.

Herkömmliche kapazitive MEMS-Energiewandler bestehen im Wesentlichen aus einem geladenen variablen Plattenkondensator, der als elektromechanisch gekoppeltes Feder-Masse-System ausgeführt wird. 2 zeigt eine Prinzipskizze eines kapazitiven Energiewandlers als elektromechanisch gekoppeltes Feder-Masse-System. Eine aufgehangene Masse m ist gleichzeitig die bewegliche Elektrode. Das Gehäuse beinhaltet die Gegenelektrode des Plattenkondensators, wobei das Gehäuse direkt an die Vibrationsquelle angekoppelt wird. Das resonante Verhalten führt bei mechanischer Vibration zu einem sich periodisch ändernden Plattenabstand h_k. Ist der Kondensator elektrisch vorgespannt, führt diese Bewegung zu einer Änderung des elektrischen Energieinhaltes im Kondensator. Diese elektrische Energieänderung kann beispielsweise über einen externen Lastwiderstand extrahiert und damit nutzbar gemacht werden. Diese Wirkungsweise betrifft ebenso die Idee der vorliegenden Anmeldung.Conventional capacitive MEMS energy converters consist essentially of a charged variable plate capacitor, which is designed as an electromechanically coupled spring-mass system. 2 shows a schematic diagram of a capacitive energy converter as electromechanically coupled spring-mass system. A suspended mass m is at the same time the movable electrode. The housing contains the counterelectrode of the plate capacitor, with the housing being coupled directly to the vibration source. The resonant behavior leads to a periodically changing plate spacing h _k during mechanical vibration. If the capacitor is electrically biased, this movement leads to a change in the electrical energy content in the capacitor. This electrical energy change can be extracted, for example, via an external load resistor and thus made usable. This mode of action also relates to the idea of the present application.

Das elektrische Vorspannen der mikromechanischen Kondensatorstruktur erfolgt hierbei entweder mittels Elektret, Austrittsarbeitsdifferenz der Elektroden oder geeigneter elektrischer Beschaltung.The electrical biasing of the micromechanical capacitor structure takes place here either by means of electret, work function difference of the electrodes or suitable electrical wiring.

Allen herkömmlichen kapazitiven MEMS-Energiewandlern weisen das Merkmal auf, dass die Energiewandlung entweder auf Änderung des Elektrodenabstandes Δd bzw. h_k: E∝ΔC = ε· A / Δd (1) oder auch Änderung der Elektrodenfläche der variablen Kondensatoranordnung beruht (ΔA): E∝ΔC = ε· ΔA / d (2) All conventional capacitive MEMS energy converters have the feature that the energy conversion either to change the electrode spacing Δd or h _k : EαΔC = ε · A / Δd (1) or also change of the electrode surface of the variable capacitor arrangement is based (ΔA): EαΔC = ε · ΔA / d (2)

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen kapazitiven Energiewandler und ein Verfahren zur kapazitiven Energiewandlung von mechanischer Vibration in elektrische Energie derart bereitzustellen, dass eine im Vergleich zu herkömmlichen kapazitiven Energiewandlern eine höhere Leistungsausbeute, eine einfachere technologische Umsetzung und eine höhere mechanische Stabilität geschaffen werden kann. Der Energiewandler und das Verfahren sollen insbesondere auf MEMS (Mikro-Elektro-Mechanisches-System) Basis ausgeführt sein.It is the object of the present invention to provide a capacitive energy converter and a method for capacitive energy conversion from mechanical vibration to electrical energy such that a higher power yield, a simpler technological conversion and a higher mechanical stability can be created compared to conventional capacitive energy converters. The energy converter and the method should in particular be designed based on MEMS (micro-electro-mechanical system).

Die Aufgabe wird durch einen kapazitiven Energiewandler gemäß dem Hauptanspruch und ein entsprechendes Verfahren zur kapazitiven Energiewandlung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.The object is achieved by a capacitive energy converter according to the main claim and a corresponding method for capacitive energy conversion according to the independent claim.

Gemäß einem ersten Aspekt wird ein erster kapazitiver Energiewandler zur Wandlung von mechanischer Vibration in elektrische Energie bereitgestellt, wobei der Wandler ein durch zwei in einem Abstand zueinander angeordnete Elektrodenflächen erzeugtes Kondensatorvolumen aufweist. Der Energiewandler zeichnet sich dadurch aus, dass im Kondensatorvolumen ein Gesamtdielektrikum hinsichtlich einer relativen Gesamtpermittivität abhängig von der Vibration zeitlich variabel bereitgestellt ist, so dass eine dadurch bewirkte Kapazitätsänderung zur Wandlung in elektrische Energie genutzt wird.According to a first aspect, a first capacitive energy converter for the conversion of provided mechanical vibration in electrical energy, wherein the transducer has a capacitor volume generated by two spaced apart electrode surfaces. The energy converter is characterized in that a total dielectric in terms of a relative Gesamtpermittivität depending on the vibration is provided variable in time in the capacitor volume, so that a capacity change caused thereby is used for conversion into electrical energy.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur kapazitiven Energiewandlung von mechanischer Vibration in elektrische Energie bereitgestellt, dass mittels eines durch zwei im Abstand zueinander angeordnete Elektrodenfläche erzeugtes Kondensatorvolumen ausgeführt wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass im Kondensatorvolumen ein Gesamtdielektrikum hinsichtlich einer relativen Gesamtpermittivität abhängig von der Vibration zeitlich variabel bereitgestellt ist, so dass eine dadurch bewirkte Kapazitätsänderung zur Wandlung in elektrische Energie genutzt wird.According to a second aspect, a method for capacitive energy conversion from mechanical vibration to electrical energy is provided that is carried out by means of a capacitor volume generated by two electrode surfaces arranged at a distance from each other. The method is characterized in that a total dielectric in terms of a total relative relative to the vibration is temporally variable provided in the capacitor volume, so that a resulting capacity change is used for conversion into electrical energy.

Ist der das Kondensatorvolumen erzeugende Kondensator elektrisch vorgespannt, führt die zeitlich variabel bereitgestellte Gesamtpermittivität im Kondensatorvolumen zu einer Änderung des elektrischen Energieinhaltes im Kondensator. Diese elektrische Energieänderung kann beispielsweise über einen externen Lastwiderstand extrahiert und dann benutzbar gemacht werden. Das elektrische Vorspannen der insbesondere mikromechanischen Kondensatorstruktur kann beispielsweise mittels Elektret, Austrittsarbeitsdifferenz der Elektroden oder geeigneter elektrischer Beschaltung bewirkt werden.If the capacitor which generates the capacitor volume is electrically biased, the total permittivity provided in the capacitor volume over a variable period of time leads to a change in the electrical energy content in the capacitor. This electrical energy change can be extracted, for example, via an external load resistor and then made usable. The electrical biasing of the particular micromechanical capacitor structure can be effected for example by means of electret, work function difference of the electrodes or suitable electrical wiring.

Der erfindungsgemäße Ansatz nutzt im Vergleich zum Stand der Technik eine Änderung einer relativen Permittivität eines Dielektrikums aus, um elektrische Energie zu generieren: E∝ΔC = Δε_r·ε₀· A / d (3) The approach according to the invention utilizes a change in the relative permittivity of a dielectric compared to the prior art in order to generate electrical energy: EαΔC = Δε _r · ε ₀ · A / d (3)

Die Idee gemäß der vorliegenden Anmeldung beruht auf der Ausnutzung der Änderung der Permittivität des Dielektrikums innerhalb der Kondensatoranordnung im Gegensatz zu den herkömmlichen Wandlern, die entweder auf einer Flächen-(ΔA) oder Abstandsänderung (Δd) beruhen. Es ergeben sich folgende Vorteile:

– eine höhere Leistungsausbeute, da Δε_r > ΔA bzw. Δε_r > 1/Δd gestaltet werden kann;
– einfachere technologische Umsetzung, insbesondere in MEMS, da das bewegliche Dielektrikum nicht elektrisch kontaktiert werden muss;
– keine mechanische Instabilität im Vergleich zu Δd-Ansätzen. Bei Δd-Ansätzen kann es zu einem ”Klebenbleiben” oder ”Sticking” kommen, sobald die elektrostatisch anziehende Kraft zwischen den Elektroden größer wird als die mechanische Rückstellkraft der Feder.

The idea according to the present application is based on exploiting the change in the permittivity of the dielectric within the capacitor arrangement in contrast to the conventional converters, which are based either on a surface (ΔA) or a change in distance (Δd). There are the following advantages:

A higher power yield, since Δε _r > ΔA or Δε _r > 1 / Δd can be designed;
Simpler technological implementation, in particular in MEMS, since the movable dielectric does not have to be contacted electrically;
- no mechanical instability compared to Δd approaches. Δd approaches can result in "sticking" or "sticking" as the electrostatic attractive force between the electrodes becomes greater than the mechanical restoring force of the spring.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.Further advantageous embodiments are claimed in conjunction with the subclaims.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Gesamtdielektrikum mit der Gesamtpermittivität mittels eines eine erste relative Permittivität aufweisende Mediums oder Vakuums im Kondensatorvolumen erzeugt sein, zu dem ein eine zweite relative Permittivität aufweisender Dielektrikumkörper entsprechend der Vibration periodisch hinzugefügt und entfernt werden kann.According to an advantageous embodiment, the total dielectric can be produced with the total permittivity by means of a medium or vacuum having a first relative permittivity in the capacitor volume to which a dielectric body having a second relative permittivity can be periodically added and removed in accordance with the vibration.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die beiden Elektrodenflächen auf einer Elektrode und auf einer Gegenelektrode erzeugt sein, die an ein Gehäuse befestigt sein können, wobei der Dielektrikumkörper in einem Ausgangszustand vollständig im Kondensatorvolumen schwingfähig angeordnet sein kann.According to a further advantageous embodiment, the two electrode surfaces can be produced on an electrode and on a counterelectrode, which can be fastened to a housing, wherein the dielectric body can be arranged to oscillate completely in the capacitor volume in an initial state.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Dielektrikumkörper in dem Ausgangszustand vollständig im Kondensatorvolumen zwischen mindestens einem in dem Gehäuse befestigten Federelement aufgehängt, angeordnet sein.According to a further advantageous embodiment, the dielectric body in the initial state can be completely suspended in the capacitor volume between at least one spring element fastened in the housing.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Achse von Auslenkungen durch die Vibration identisch mit einer Achse sein, entlang der die Federelemente am wirksamsten eine periodische Längenänderung, durch Biegung oder Formveränderung ausführen können.According to a further advantageous embodiment, an axis of deflections by the vibration can be identical to an axis along which the spring elements can most effectively perform a periodic change in length, by bending or change in shape.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Medium Luft oder ein anderes Gas sein und der Dielektrikumkörper aus Silizium oder Bleizirkonat-Titanat bestehen.According to a further advantageous embodiment, the medium may be air or another gas and the dielectric body made of silicon or lead zirconate titanate.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Energiewandler auf Mikrosystem-Basis als ein dreifacher Waferstapel erzeugt sein, wobei zwei äußere Elektrodenwafer mit zwei gegenüberliegenden, jeweils einen dazugehörigen elektrischen Anschluss aufweisenden Elektrodenflächen das Kondensatorvolumen erzeugen, indem ein an Federelementen aufgehängter Dielektrikumkörper mittels eines mittleren Wafers ausgebildet sein kann.According to a further advantageous refinement, the micro-system-based energy converter can be produced as a triple wafer stack, wherein two outer electrode wafers with two opposite electrode surfaces each having an associated electrical connection generate the capacitor volume by forming a dielectric body suspended from spring elements by means of a middle wafer can.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die beiden äußeren Elektrodenwafer Pyrexwafer und der mittlere Wafer ein Siliziumwafer sein, wobei zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen ein externer elektrischer Lastwiderstand elektrisch angeschlossen sein kann.According to a further advantageous embodiment, the two outer electrode wafer Pyrexwafer and the middle wafer may be a silicon wafer, wherein between the two electrical terminals, an external electrical load resistor may be electrically connected.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die beiden Elektrodenflächen auf einer Elektrode und einer Gegenelektrode erzeugt sein, die zusammen mit dem Dielektrikumkörper als digitale Fingerstrukturen ausgeführt sein können.According to a further advantageous embodiment, the two electrode surfaces can be produced on an electrode and a counterelectrode, which together with the dielectric body can be embodied as digital finger structures.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Breite der digitalen Fingerstrukturen an eine Schwingungsamplitude des federnd aufgehängten Dielektrikumkörpers angenähert sein.According to a further advantageous embodiment, a width of the digital finger structures can be approximated to a vibration amplitude of the resiliently suspended dielectric body.

Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:The present invention will be described in more detail by means of exemplary embodiments in conjunction with the figures. Show it:

1 eine herkömmliche Darstellung eines energieautarken Mikrosystems; 1 a conventional representation of an energy self-sufficient microsystem;

2 eine herkömmliche Darstellung eines kapazitiven Energiewandlers als elektromechanisch gekoppeltes Feder-Masse-System; 2 a conventional representation of a capacitive energy converter as an electromechanically coupled spring-mass system;

3 zeigt eine erfindungsgemäße Darstellung eines erfindungsgemäßen Energiewandlers; 3 shows an inventive representation of an energy converter according to the invention;

4 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Energiewandlers auf MEMS-Basis; 4 shows an inventive embodiment of an energy converter based on MEMS;

5 zeigt eine Draufsicht auf einzelne Wafer mit digitalen Fingerstrukturen. 5 shows a plan view of individual wafers with digital finger structures.

1 zeigt eine Darstellung eines herkömmlichen energieautarken Mikrosystems. Das energieautarke Mikrosystem I weist einen Sensor 1a oder Aktor 1b auf, der in Interaktion mit der Umwelt 3 steht. Der Sensor 1a und der Aktor 1b stehen im Datenaustausch mit einer Sensor/Aktuator-Schnittstelle 5, die wiederum in Datenaustausch mit einem Mikrokontroller 7 steht. Aus der Umgebung steht Energie 9 in Form von Vibration, Strahlung, chemische Energie, Druckschwankung oder Wärme bereit. Diese wird von einem Mikroenergiewandler 11 in elektrische Energie gewandelt und einer Energieüberwachungs-Elektronik 13 zugeführt. Diese wiederum steht in Energieaustausch mit einem Energiespeicher 15, der als Akkumulator oder Kondensator bereitgestellt sein kann. Die Energieüberwachungselektronik 13 steuert den Mikrokontroller 7 und eine Hochfrequenz-Sende-Stufe 17 an, die eine drahtlose Kommunikation 19 ermöglicht. 1 shows a representation of a conventional energy self-sufficient microsystem. The energy self-sufficient microsystem I has a sensor 1a or actor 1b on, in interaction with the environment 3 stands. The sensor 1a and the actor 1b stand in the data exchange with a sensor / actuator interface 5 which in turn exchanges data with a microcontroller 7 stands. There is energy from the environment 9 in the form of vibration, radiation, chemical energy, pressure fluctuation or heat ready. This is powered by a microenergy converter 11 converted into electrical energy and energy monitoring electronics 13 fed. This in turn is in energy exchange with an energy storage 15 which may be provided as an accumulator or capacitor. The energy monitoring electronics 13 controls the microcontroller 7 and a radio frequency transmitting stage 17 on, which is a wireless communication 19 allows.

2 zeigt eine herkömmliche Prinzipdarstellung eines kapazitiven Energiewandlers als elektromechanisch gekoppeltes Feder-Masse-System. Kapazitive MEMS-Energiewandler bestehen im Wesentlichen aus einem geladenen variablen Plattenkondensator, der als elektromechanisch gekoppeltes Feder-Masse-System ausgeführt wird. Ein kapazitiver Energiewandler gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen geladenen variablen Plattenkondensator auf. Eine aufgehangene Masse m ist eine bewegliche Elektrode 20. Ein Gehäuse beinhaltet eine Gegenelektrode 22 eines Plattenkondensators 24. Das hier nicht dargestellte Gehäuse wird direkt an eine Vibrationsquelle angekoppelt. Ein resonantes Verhalten führt bei mechanischer Vibration zu einem sich periodisch ändernden Plattenabstand h_k. Ist der Elektrokondensator elektrisch vorgespannt, führt diese Bewegung zu einer Änderung des elektrischen Energieinhaltes im Kondensator 24. Diese Energieänderung kann beispielsweise über einen externen Lastwiderstand 26 extrahiert und damit nutzbar gemacht werden. In der 2 sind oben die Parameter einer Federkonstante c und einer Dämpfung δ_m als Parameter eines Feder-Masse-Systems dargestellt. 2 shows a conventional schematic diagram of a capacitive energy converter as electromechanically coupled spring-mass system. Capacitive MEMS energy converters consist essentially of a charged variable plate capacitor, which is designed as an electromechanically coupled spring-mass system. A capacitive energy converter according to the present invention comprises a charged variable plate capacitor. A suspended mass m is a movable electrode 20 , A housing includes a counter electrode 22 a plate capacitor 24 , The housing, not shown here is coupled directly to a vibration source. Resonant behavior leads to a periodically changing plate spacing h _k in the case of mechanical vibration. If the electric capacitor is electrically biased, this movement leads to a change in the electrical energy content in the capacitor 24 , This energy change can, for example, via an external load resistor 26 extracted and thus made usable. In the 2 the parameters of a spring constant c and an attenuation δ _m are shown above as parameters of a spring-mass system.

3 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Energiewandlers. In einem Gehäuse 30 kann beispielsweise ein Vakuum oder Luft oder ein anderes Gas bzw. Gasgemisch erzeugt sein. Zwischen einer an dem Gehäuse 30 befestigten Elektrode 32 und einer auf der gegenüber liegenden Seite der Elektrode 32 ebenso am Gehäuse 30 fixierten Gegenelektrode 34 ist ein Dielektrikumkörper mit einer relativen Permittivität ε_r in einem Ausgangszustand vollständig im Kondensatorvolumen zwischen den beiden Elektroden 32 und 34 schwingfähig angeordnet. Grundsätzlich ist es für die Ausführung der vorliegenden Erfindung ebenso möglich, dass die Elektroden 32 und 34 schwingfähig zum Dielektrikumkörper 36, der fixiert sein kann, beweglich sein können. Grundsätzlich ist ein Dielektrikumkörper 36 zwischen mindestens zwei Federelementen derart aufgespannt, dass der Dielektrikumkörper 36 in einem Ausgangszustand vollständig im Kondensatorvolumen zwischen Elektrode 32 und Elektrode 34 bereitgestellt ist. Es ist besonders vorteilhaft, wenn eine Achse von Auslenkungen durch die. Vibration 38 identisch mit einer Achse 40 ist, entlang der die Federelemente 42 und 48 am wirksamsten eine periodische Längenänderung ausführen. Gemäß 3 und Formel (3) sind Elektrode 32 und Gegenelektrode 34 innen am Gehäuse 30 befestigt, während dessen ein Dielektrikumkörper 36 derart zwischen Federelementen 42 und 44 federnd aufgehängt ist, dass der Dielektrikumkörper 36 in ein Kondensatorvolumen zwischen Elektrode 42 und 34 in die Kondensatoranordnung periodisch ein- und ebenso wieder austauchen kann. 3 shows an inventive embodiment of a capacitive energy converter. In a housing 30 For example, a vacuum or air or another gas or gas mixture can be generated. Between one on the housing 30 attached electrode 32 and one on the opposite side of the electrode 32 also on the case 30 fixed counter electrode 34 is a dielectric body with a relative permittivity ε _r in an initial state completely in the capacitor volume between the two electrodes 32 and 34 arranged vibrationally. In principle, it is also possible for the embodiment of the present invention that the electrodes 32 and 34 oscillatory to the dielectric body 36 that can be fixed, can be mobile. Basically, a dielectric body 36 spanned between at least two spring elements such that the dielectric body 36 in an initial state completely in the capacitor volume between electrode 32 and electrode 34 is provided. It is particularly advantageous if an axis of deflections through the. vibration 38 identical to an axis 40 is along the spring elements 42 and 48 Most effectively perform a periodic change in length. According to 3 and formula (3) are electrode 32 and counter electrode 34 inside the case 30 during which a dielectric body 36 such between spring elements 42 and 44 is resiliently suspended, that the dielectric body 36 in a capacitor volume between electrode 42 and 34 in the capacitor assembly periodically on and can submerge again.

Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass eine Änderung von Δε_r, d. h. die Änderung von der relativen Permittivität ε_r im Vergleich zur Änderung von ΔA bzw. Δd wesentlich größer ausfallen kann. Eine relative Permittivität innerhalb der Kapazitätsanordnung kann sich beispielsweise zu 1 ergeben, und zwar wenn im Kondensatorvolumen Vakuum oder Luft bereitgestellt ist, wenn sich der Dielektrikumkörper 36 komplett außerhalb des Kondensatorvolumens befindet. Das Kondensatorvolumen ist mit der Bezugszahl 46 bezeichnet. Befindet sich das Dielektrikum bzw. der Dielektrikumkörper, der beispielsweise aus Silizium besteht, komplett innerhalb der Kondensatoranordnung, so liegt die relative Permittivität bei etwa ε_r = 11,8. Es existieren andere Materialien, die höhere Permittivitäten, beispielsweise bis einige 1000 aufweisen. Ein Beispiel für eine sehr hohe Permittivität ist Bleizirkonat-Titanat, das mit PZT abgekürzt wird.This has the decisive advantage that a change of Δε _r , ie the change of the relative permittivity ε _r compared to the change of ΔA or Δd can be much larger. For example, a relative permittivity within the capacitance arrangement may be 1, if vacuum or air is provided in the capacitor volume when the dielectric body 36 completely outside the capacitor volume. The capacitor volume is indicated by the reference number 46 designated. If the dielectric or the dielectric body, which consists for example of silicon, is located completely within the capacitor arrangement, the relative permittivity is approximately ε _r = 11.8. There are other materials that have higher permittivities, for example up to several thousand. An example of a very high permittivity is lead zirconate titanate, which is abbreviated PZT.

Diese Größenordnung an Kapazitätsänderung ist mit den herkömmlichen Ansätzen kaum erreichbar. Beim ΔA-Ansatz ist maximal ein Änderungsfaktor von 1 erreichbar, und zwar Fläche = 0 oder die Maximalfläche. Beim Δd-Ansatz können sinnvollerweise kaum Faktoren größer als 10 erreicht werden, da man beim minimalen Abstand begrenzt ist. Diese Begrenzung liegt zum einen in der Durchbruchfeldstärke begründet, und zwar nach dem Paschen-Gesetz. Zum anderen muss sichergestellt werden, dass die mechanische Rückstellkraft gegenüber der elektrostatisch anziehend wirkenden Kraft dominant bleibt, da es ansonsten zum Verkleben bzw. ”Sticking” kommen kann. Diese mechanische Instabilität führt dann zum Versagen des Bauteils, beispielsweise zu einem elektrischen Kurschluss.This magnitude of capacity change is hardly achievable with the conventional approaches. With the ΔA approach, a maximum of one modification factor of 1 can be achieved, namely area = 0 or the maximum area. For the Δd approach, it is reasonable to barely reach factors greater than 10, since the minimum distance is limited. This limitation is based on the one hand in the breakdown field strength, according to the Paschen law. On the other hand, it must be ensured that the mechanical restoring force remains dominant over the electrostatically attractive force, otherwise sticking or sticking can occur. This mechanical instability then leads to failure of the component, for example to an electrical short circuit.

4 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Energiewandlers auf kapazitiver Basis, und zwar auf MEMS-Technologie basierend. Der kapazitive Energiewandler auf MEMS-Basis ist hier als ein dreifacher Waferstapel erzeugt. Zwei äußere Elektrodenwafer 52 und 54 erzeugen mit zwei gegenüberliegenden, jeweils einen dazugehörigen elektrischen Anschluss 56 und 58 Elektrodenflächen 60 und 62 ein Kondensatorvolumen 64. Ein mittlerer Wafer erzeugt einen an Federelementen 68 aufgehängten Dielektrikumkörper 66. Gemäß der Ausgestaltung nach 4 sind die beiden äußeren Elektrodenwafer 52 und 54 mittels Pyrex erzeugt, wobei der mittlere Wafer 66 ein Siliziumwafer ist. Zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen 56 und 58 ist ein externer elektrischer Lastwiderstand R_L elektrisch angeschlossen. 4 zeigt eine Abbildung der prinzipiellen Realisierung eines dielektrischen kapazitiven Energiewandlers in MEMS-Technologie einschließlich eines externen elektrischen Lastwiderstandes R_L. Der MEMS-Wandler besteht aus einem dreifachen Waferstack der Schichtfolge Pyrex – Silizium – Pyrex. Die Pyrex-Wafer enthalten die Elektrode bzw. Gegenelektrode 52 und 54 mit den dazugehörigen elektrischen Anschlüssen 56 und 58. Der Siliziumwafer 66 enthält die eigentliche an Federn 68 aufgehängte und damit bewegliche Struktur des Dielektrikumkörpers 66, bzw. der entsprechenden Dielektrikumstruktur. 4 shows a further inventive embodiment of a power converter on a capacitive basis, based on MEMS technology. The capacitive energy converter based on MEMS is produced here as a triple wafer stack. Two outer electrode wafers 52 and 54 generate with two opposite, in each case an associated electrical connection 56 and 58 electrode surfaces 60 and 62 a capacitor volume 64 , A middle wafer produces one on spring elements 68 suspended dielectric body 66 , According to the embodiment according to 4 are the two outer electrode wafers 52 and 54 produced by Pyrex, the middle wafer 66 is a silicon wafer. Between the two electrical connections 56 and 58 An external electrical load resistor R _{L is} electrically connected. 4 shows an illustration of the basic realization of a dielectric capacitive energy converter in MEMS technology including an external electrical load resistor R _L. The MEMS converter consists of a triple wafer stack of the sequence Pyrex - silicon - Pyrex. The Pyrex wafers contain the electrode or counterelectrode 52 and 54 with the associated electrical connections 56 and 58 , The silicon wafer 66 Contains the actual feathers 68 suspended and thus movable structure of the dielectric body 66 , or the corresponding dielectric structure.

5 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Energiewandlers. Dabei sind die beiden Elektrodenflächen 60 und 62 auf einer Elektrode und einer Gegenelektrode erzeugt, die zusammen mit dem Dielektrikumkörper 66 als digitale Fingerstrukturen ausgeführt sind. 5 zeigt eine Elektrode 70, eine Gegenelektrode 72 und das Dielektrikum bzw. den Dielektrikumkörper 74. Diese Elemente sind als digitale Fingerstrukturen ausgeführt, so wie dies in 5 dargestellt ist. Das Dielektrikum 74 ist an in Längsrichtung zwei gegenüberliegenden Federn schwingfähig gehalten. Die Achse der Auslenkungen der Vibration ist identisch mit der Längsachse des Dielektrikumkörpers 74. Auf diese Weise wird der Dielektrikumkörper 74 aufgrund der Vibration derart periodisch verschoben, dass der Dielektrikumkörper 74 bzw. die jeweilige dazugehörige Fingerstruktur periodisch in die dazugehörigen Kondensatorvolumen der einzelnen Fingerstrukturen aus einer Ausgangsposition entfernt und wieder hinzugefügt wird. Eine Fingerbreite liegt vorteilhaft im Bereich der Schwingungsamplitude des federnd aufgehängten Dielektrikums 74. Dies hat den Vorteil, dass sich somit pro Schwingungsperiode das Dielektrikum 74 sowohl mindestens einmal komplett außerhalb als auch mindestens einmal komplett innerhalb des Kondensatorvolumens der Kondensatoranordnung aufhält. Ein derartiges Verhalten macht eine Änderung Δε_r maximal. 5 zeigt eine Draufsicht der einzelnen Wafer mit den jeweiligen digitalen Fingerstrukturen. Die digitale Fingerstruktur des Dielektrikumkörpers 74 ist in Längsrichtung von zwei Federelementen 76 gehalten. Die Richtung der Auslenkung der Vibration entspricht einer Längsrichtung des Dielektrikumkörpers 74. 5 shows a further embodiment of an inventive energy converter according to the invention. Here are the two electrode surfaces 60 and 62 generated on an electrode and a counter electrode, which together with the dielectric body 66 are executed as digital finger structures. 5 shows an electrode 70 , a counter electrode 72 and the dielectric or the dielectric body 74 , These elements are implemented as digital finger structures, as in 5 is shown. The dielectric 74 is held swingable in the longitudinal direction of two opposing springs. The axis of the deflections of the vibration is identical to the longitudinal axis of the dielectric body 74 , In this way, the dielectric body 74 due to the vibration so periodically shifted that the dielectric body 74 or the respective associated finger structure periodically removed in the associated capacitor volume of the individual finger structures from a starting position and is added again. A finger width is advantageous in the range of the vibration amplitude of the resiliently suspended dielectric 74 , This has the advantage that thus per dielectric period, the dielectric 74 both at least once completely outside and at least once completely within the capacitor volume of the capacitor assembly stops. Such a behavior makes a change Δε _r maximum. 5 shows a plan view of the individual wafers with the respective digital finger structures. The digital finger structure of the dielectric body 74 is in the longitudinal direction of two spring elements 76 held. The direction of the deflection of the vibration corresponds to a longitudinal direction of the dielectric body 74 ,

Claims

Capacitive energy converter for converting mechanical vibration into electrical energy, comprising a capacitor volume generated by two electrode surfaces arranged at a distance from one another, characterized in that a total _dielectric is provided in the capacitor _volume variable in time with respect to a relative total permittivity ε _{rG as a} function of the vibration, so that a This caused capacity change is used for conversion into electrical energy.

Energy converter according to claim 1, characterized in that the total dielectric with the Gesamtpermittivität ε _rG is generated by means of a first relative permittivity ε _{r1 having} medium or vacuum in the capacitor volume to which a second relative permittivity ε _r2 exhibiting dielectric body according to the vibration periodically added and Will get removed.

Energy converter according to claim 2, characterized in that the two electrode surfaces are produced on an electrode and a counter electrode, which are fixed to a housing, wherein the dielectric body is arranged in an initial state completely vibratable in the capacitor volume.

Energy converter according to claim 3, characterized in that the dielectric body in the initial state is completely in the capacitor volume, suspended between at least one spring element attached to the housing.

Energy converter according to claim 4, characterized in that an axis of deflections by the vibration is identical to an axis, along which the spring elements most effectively perform a periodic length change, deflection or shape change.

Energy converter according to claim 2, 3, 4 or 5, characterized in that the medium is air or another gas and the dielectric body consists of silicon or lead zirconate titanate.

Energy converter according to one of the preceding claims, characterized in that the microsystem (MEMS) based energy converter is produced as a triple wafer stack, wherein two outer electrode wafers with two opposite, each having an associated electrical connection electrode surfaces produce the capacitor volume, in which formed on spring elements suspended dielectric body by means of a middle wafer.

Energy converter according to claim 7, characterized in that the two outer electrode wafer Pyrexwafer and the middle wafer is a silicon wafer, wherein between the two electrical terminals, an external electrical load resistor is electrically connected.

Energy converter according to one of the preceding claims 2 to 8, characterized in that the two electrode surfaces are produced on an electrode and a counter electrode, which are designed together with the dielectric body as digital finger structures.

Energy converter according to claim 9, characterized in that a width of the digital finger structures is approximated to a vibration amplitude of the resiliently suspended dielectric body.

Method for capacitive energy conversion from mechanical vibration to electrical energy, carried out by means of a capacitor volume generated by two electrode surfaces arranged at a distance from one another, characterized in that a total _dielectric is provided in the capacitor _volume variable in time with respect to a relative total permeability ε _{rG as a} function of the vibration, so that a capacity change caused thereby is used for conversion into electrical energy.

A method according to claim 11, characterized in that the total dielectric with the total permittivity ε _rG is generated by means of a first relative permittivity ε _{r1 having} medium or vacuum in the capacitor volume to which a second relative permittivity ε _r2 exhibiting dielectric body according to the vibration periodically added and Will get removed.

A method according to claim 12, characterized in that the two electrode surfaces are produced on an electrode and a counter electrode, which are fixed to a housing, wherein the dielectric body is arranged in an initial state completely vibratable in the capacitor volume.

A method according to claim 13, characterized in that the dielectric body in the initial state is completely in the capacitor volume, suspended between at least one spring element attached to the housing.

A method according to claim 14, characterized in that an axis of deflections by the vibration is identical to an axis along which the spring elements most effectively perform a periodic change in length, deflection or shape change.

A method according to claim 12, 13, 14 or 15, characterized in that the medium is air or another gas and the dielectric body consists of silicon or lead zirconate titanate.

Method according to one of the preceding claims 11 to 16, characterized in that the microsystem (MEMS) based energy converter is produced as a triple wafer stack, wherein two outer electrode wafers with two opposite, each having an associated electrical connection electrode surfaces generate the capacitor volume, in which a dielectric body suspended from spring elements is formed by means of a middle wafer.

A method according to claim 17, characterized in that the two outer electrode wafer Pyrexwafer and the middle wafer is a silicon wafer, wherein between the two electrical terminals, an external electrical load resistor is electrically connected.

Method according to one of the preceding claims 12 to 18, characterized in that the two electrode surfaces are produced on an electrode and a counter electrode, which are designed together with the dielectric body as digital finger structures.

A method according to claim 19, characterized in that a width of the digital finger structures is approximated to a vibration amplitude of the resiliently suspended dielectric body.