-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wandlung mechanischer Energie in elektrische Energie mit zumindest einem Substrat mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, auf welchem zumindest ein bewegliches Element angeordnet ist, welches zumindest ein piezoelektrisches Material enthält. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung.
-
Aus S. P. Beeby, M. J. Tudor, and N. M. White, Meas. Sci. Technol. 17 (2006), p. 190 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt. Diese bekannte Vorrichtung verwendet die Schwingungen einer piezoelektrischen Membran, welche mikromechanisch hergestellt wurde, um bei Erschütterung eine elektrische Spannung bzw. einen elektrischen Strom bereitzustellen. Diese elektrische Energie kann zur Versorgung einer nachfolgenden elektronischen Schaltung eingesetzt werden.
-
Diese bekannte Vorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, dass die Membran einen Resonator hoher Güte darstellt, d. h. die Resonanzfrequenz der Membran ist scharf begrenzt. Mit Anregungsfrequenzen außerhalb dieser Resonanz können daher nur geringe Schwingungsamplituden der Membran angeregt und nur eine geringe oder keine elektrische Nutzleistung bereitgestellt werden. Für mikromechanisch hergestellte Membranen, welche einen Durchmesser von weniger als 1 mm aufweisen, liegt diese Resonanzfrequenz und damit die Wandlungsfrequenz oberhalb von 1 kHz.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur autonomen Energieversorgung elektrischer Schaltungen anzugeben, welche eine zuverlässige Energieversorgung sicherstellt, auch wenn keine mechanischen Schwingungen im Frequenzbereich oberhalb von 1 kHz auftreten.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren zu deren Herstellung gemäß Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in der Beschreibung und den Unteransprüchen.
-
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, auf einem Substrat eine Membran anzuordnen, welche ein piezoelektrisches Material enthält. Wenn das Substrat Teil eines elektrischen bzw. elektronischen Gerätes ist, welches im Betrieb bewegt wird, so führt diese Bewegung zur einer Schwingung der piezoelektrischen Membran. Diese führt zu einer Ladungstrennung im Material der Membran, sodass auf den zwei Seiten der flächig ausgebildeten Membran unterschiedliche elektrische Potenziale anliegen. An den zwei Seiten der Membran kann somit eine elektrische Spannung bzw. ein elektrischer Strom abgegriffen werden.
-
Erfindungsgemäß wurde nun erkannt, dass die Membran statt einer scharfen Resonanzfrequenz ein breites Anregungsspektrum besitzt, wenn diese nicht eben ausgeführt ist, sondern im entspannten Zustand auf zumindest einer Seite zumindest einen konkaven und zumindest einen konvexen Flächenbereich aufweist. Aufgrund der Krümmung der Membran sinkt die Güte des Resonator, sodass ein breites Frequenzband möglicher Anregungsfrequenzen zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden kann. Weiterhin wurde erkannt, dass das Maximum der Resonanzfrequenz in einen niedrigeren Frequenzbereich verschoben werden kann. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Maximum der Resonanzfrequenz unter 500 Hz, unter 200 Hz oder unter 150 Hz liegen. Dies erlaubt die effiziente Energieerzeugung auch dann, wenn das die Vorrichtung enthaltende Gerät nur langsam bzw. mit geringen Frequenzen bewegt wird. Schließlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einigen Ausführungsformen der Erfindung auch in Medien hoher Dämpfung betrieben werden, beispielsweise in einer Flüssigkeit, ohne die entnehmbare elektrische Leistung übermäßig einzuschränken.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Membran zumindest eine piezoelektrische Schicht enthalten, welche Bariumtitanat und/oder Blei-Zirkonat-Titanat und/oder Aluminiumnitrid und/oder Galliumorthophosphat und/oder Lithiumniobat enthält. Die genannten Materialien können einerseits als Dünnschicht abgeschieden und mikromechanisch strukturiert werden. Gleichzeitig erlauben diese eine hinreichend große Ausgangsspannung bzw. einen hinreichend großen Ausgangsstrom der erfindungsgemäßen Vorrichtung, um eine nachfolgende elektronische Schaltung mit elektrischer Energie zu versorgen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die maximale elektrische Ausgangsleistung größer sein als 2 mW, größer als 5 mW, größer als 10 mW oder größer als 20 mW.
-
Einige der genannten Verbindungen, insbesondere solche, welche kein Blei und kein Zink enthalten, weisen daneben den Vorteil verbesserter Biokompatibilität auf, sodass diese auch innerhalb eines lebenden Organismus eingesetzt werden können, beispielsweise innerhalb eines menschlichen oder tierischen Körpers. Damit kann die vorgeschlagene Vorrichtung in einigen Ausführungsformen auch Implantate bzw. intracorporale Sensoren mit elektrischer Energie versorgen.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Membran einen mehrschichtigen Aufbau aufweisen. Der mehrschichtige Aufbau kann in einigen Ausführungsformen aus zumindest einer piezoelektrischen Schicht zur Erzeugung elektrischer Energie und zumindest einer auf oder unter der piezoelektrischen Schicht angeordneten Tragschicht bestehen. Die Tragschicht kann dabei aus einem elektrisch isolierenden oder einem elektrisch leitfähigen Material bestehen bzw. ein solches enthalten. Damit kann die Tragschicht in einigen Ausführungsformen der Erfindung auch als Kontaktschicht zur elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Schicht eingesetzt werden.
-
In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Tragschicht zur mechanischen Stabilisierung der piezoelektrischen Schicht dienen. Weiterhin kann die Tragschicht in Verbindung mit der piezoelektrischen Schicht eine mechanische Spannung erzeugen, welche die Ausbildung von je zumindest einem konkaven und zumindest einem konvexen Flächenbereich der Membran bewirkt. Schließlich kann eine Tragschicht als Ätzstopschicht bei der Herstellung der Membran eingesetzt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Tragschicht auch mehrere der genannten Funktionen gleichzeitig oder sequenziell ausüben.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der mehrschichtige Aufbau der Membran auch eine Mehrzahl von Tragschichten und/oder eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten umfassen. In diesem Fall können die Tragschichten als zusätzliche elektrische Kontaktschichten und/oder zur zusätzlichen mechanischen Stabilisierung und/oder zur Erzeugung mechanischer Spannungen innerhalb der Membran dienen. Eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten kann die Ausgangsspannung und/oder den Ausgangsstrom der Vorrichtung und damit die von der Vorrichtung bereitgestellte elektrische Leistung erhöhen. Wahlweise können zwischen zwei piezoelektrischen Schichten eine oder mehrere Tragschichten angeordnet sein.
-
Zumindest eine Tragschicht und/oder eine piezoelektrische Schicht der Membran kann als Teilbeschichtung ausgeführt sein, d. h. nur eine Teilfläche der Membran bedecken. Eine solche Schicht kann zum Einstellen der Resonanzfrequenz der Membran, zur Einstellung der Güte des durch die Membran gebildeten Resonators und/oder zur mechanischen Stabilisierung der Membran eingesetzt werden. Somit können durch Auswahl der Schichtdicken, der Schichtmaterialien und der lateralen Strukturierung in der Ebene der Membran die Eigenschaften der Vorrichtung an gewünschte Soll-Eigenschaften angepasst werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann so die Resonanzfrequenz und/oder die Breite der Resonanzkurve an vorgebbare Sollwerte angepasst werden.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eine Tragschicht und/oder zumindest eine piezoelektrische Schicht in einem Magnetron-Sputter-Verfahren abgeschieden werden. In einigen Ausführungsformen kann es sich um ein RF-Magnetron-Sputter-Verfahren handeln, d. h. das zur Abscheidung verwendete Plasma wird mit elektromagnetischer Strahlung von etwa 8 MHz bis etwa 15 MHz angeregt. Dieses Abscheideverfahren erlaubt eine zügige Schichtdeposition, sodass die vorgeschlagene Vorrichtung schnell, einfach, reproduzierbar und kostengünstig hergestellt werden kann. Weiterhin erlaubt die Verwendung eines Sputterverfahrens durch Einstellen der Prozessparameter die Kontrolle der in den Schichten erzeugten mechanischen Spannungen, sodass damit die Krümmung bzw. die Lage und Anzahl konkaver bzw. konvexer Flächenbereiche der Membran kontrollierbar ist. Da dieser Parameter die Güte des Resonators und die Resonanzfrequenz bestimmt, kann letztlich durch Wahl der Verfahrensparameter des Sputterprozesses der Energieertrag der Vorrichtung in einem vorgebbaren Anwendungsfall eingestellt werden.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann eine isolierende Tragschicht SixNy und/oder SiO2 und/oder Al2O3 und/oder Diamant enthalten oder daraus bestehen. Wahlweise kann eine einzelne Tragschicht einen mehrschichtigen Aufbau aufweisen, sodass eine Tragschicht eine Mehrzahl der genannten Materialien enthält. Diese können in an sich bekannter Weise aus der Gasphase einfach auf einem Substrat abgeschieden und nötigenfalls lateral strukturiert, d. h. durch Ätzen und/oder Polieren zumindest teilweise wieder entfernt werden.
-
Eine elektrisch leitfähige Tragschicht kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung Aluminium, Titan, Wolfram, Nickel, Chrom, Vanadium, Platin, Gold, dotierten Diamant und/oder Indium-Zinnoxid enthalten oder daraus bestehen. Die genannten Metalle können als reinelementare Phase, als Mischkristallphase oder als Legierung in der Tragschicht vorhanden sein. Auch diese Metalle können aus der Gasphase abgeschieden werden, beispielsweise durch Magnetron-Sputtern. Elektrisch leitfähiger Diamant kann als Dotierstoff Bor enthalten. Diamant zeichnet sich dabei durch seine hohe mechanische Belastbarkeit und gute Biokompatibilität aus.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Tragschichten neben den genannten Materialien weitere nicht genannte Elemente aufweisen, entweder als Dotierstoff oder als unvermeidbare Verunreinigung.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Membran eine Dicke von etwa 0,1 μm bis etwa 10 μm aufweisen. Der genannte Dickenbereich gewährleistet einerseits eine Resonanzfrequenz unterhalb von 500 Hz, eine hinreichende mechanische Belastbarkeit der Vorrichtung und eine hinreichende elektrische Leistung.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Dicke einer Tragschicht und/oder die Dicke einer piezoelektrischen Schicht etwa 0,01 μm bis etwa 10 μm betragen. Hierdurch wird sichergestellt, dass die elektrische Leitfähigkeit hinreichend groß ist, um die von der zumindest einen piezoelektrischen Schicht erzeugte elektrische Leistung von der Schicht abzuführen. Weiterhin gewährleisten die genannten Schichtdicken eine hinreichende mechanische Spannung, um der Membran die gewünschte nicht ebene Geometrie zu geben und eine hinreichende mechanische Festigkeit, um den Einsatz der Vorrichtung über deren Lebensdauer zu ermöglichen.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat Silicium enthalten. Daneben kann das Substrat weitere Elemente enthalten, entweder als Dotierstoff zur Einstellung einer bestimmten, vorgebbaren Leitfähigkeit oder als unvermeidbare Verunreinigung. Ein Substrat, welches Silicium enthält oder daraus besteht, kann in einfacher Weise mit an sich bekannten Verfahren aus der Halbleitertechnologie bearbeitet werden.
-
Dadurch wird die Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vereinfacht. Weiterhin kann die vorgeschlagene Vorrichtung zusammen mit weiteren elektronischen Bauelementen, wie z. B. Transistoren, MOS-FETs, Widerständen, Kondensatoren oder Leiterbahnen, auf einem Substrat monolithisch integriert werden. Somit können elektronische Halbleiterbauelemente bereitgestellt werden, welche bei Erschütterung ohne weitere Energieversorgung betrieben werden können.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eine Membran durch Abscheiden zumindest einer Schicht auf das Substrat und nachfolgendes Entfernen des Substrates von zumindest einer Teilfläche erhältlich sein. Dies erlaubt eine Schichtabscheidung mit üblichen, an sich bekannten Verfahren auf einem einfach handhabbaren Substrat, welches beispielsweise eine Dicke von mehr als 100 μm aufweisen kann. Nach der Schichtabscheidung kann das Substrat entfernt werden, sodass sich in diesem Flächenbereich eine Aussparung bzw. ein Loch im Substrat bildet. Dieses wird einseitig von den zuvor abgeschiedenen Schichten begrenzt, sodass diese als Membran in der Öffnung schwingend gelagert sind. Sofern die Schichten eine mechanische Spannung aufweisen, kann diese nach dem Entfernen des Substrates relaxieren, sodass sich die gewünschte, nicht ebene Geometrie der Membran einstellt, welche zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz un/oder zu einer Verbreiterung der Resonanzkurve führt.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Entfernen des Substrates durch nass- oder trockenchemisches Ätzen erfolgen. In diesem Fall kann die Membran bzw. eine Schicht der Membran als Ätzstoppschicht ausgebildet sein, sodass das Ätzen des Substrates an der Membran stoppt, ohne diese zu beschädigen.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann ein Substrat eine Mehrzahl von Membranen tragen, sodass auf dem Substrat eine größere Ausgangsspannung und/oder ein größerer Ausgangsstrom bereitgestellt werden kann. In diesem Fall können die Membranen seriell oder parallel auf dem Substrat verschaltet sein. Dies kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung durch Metallisierungsschichten erfolgen, welche auf dem Substrat angeordnet und nachfolgend strukturiert werden. Wahlweise kann auch eine Gruppe von parallel verschalteten Membranen wieder seriell verschaltet sein oder eine Gruppe von seriell verschalteten Membranen parallel verschaltet sein.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zur Erhöhung der elektrischen Leistung eine Mehrzahl von Substraten in einer der erfindungsgemäßen Vorrichtungen vorhanden sein. Für jedes dieser Substrate kann eine oder mehrere Membrane tragen. Die Mehrzahl von elektrisch und mechanisch miteinander verbundenen Substraten kann in einem Gehäuse angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Gehäuse durch Verguss von zumindest einem Substrat in einer Vergussmasse erhalten werden. Die Vergussmasse kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung Polymethylmetacrylat enthalten oder daraus bestehen. Durch den Verguss kann die Vorrichtung gas- und/oder flüssigkeitsdicht eingeschlossen werden, sodass die Vorrichtung auch unter rauen Bedingungen, zum Beispiel in korrosiven Medien eingesetzt werden kann.
-
Die Verbindung zwischen einer Mehrzahl von Substraten kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung durch Löten, Kleben oder Bonden erfolgen. Hierdurch wird eine zuverlässige Verbindung und gleichzeitig eine einfache Fertigung in Einklang gebracht.
-
Nachfolgend die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigen die
-
1–6 verschiedene Verfahrensschritte eines möglichen Herstellerverfahrens der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
7 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung mit drei Substraten.
-
8 zeigt das elektrische Schaltbild der Vorrichtung gemäß 7.
-
9 zeigt schematisch eine Membran einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
10 zeigt schematisch eine Membran einer bekannten Vorrichtung.
-
1 zeigt ein Substrat 100 mit einer ersten Seite 101 und einer zweiten Seite 102. Das Substrat kann beispielsweise Silicium enthalten oder daraus bestehen. Um eine vorgebbare Leitfähigkeit zu erzielen, kann das Substrat 100 zumindest teilweise mit einem Dotierstoff versehen sein. Der Dotierstoff kann beispielsweise Bor, Aluminium, Gallium, Stickstoff, Phosphor und/oder Arsen enthalten. Daneben kann das Substrat 100 unvermeidbare Verunreinigungen enthalten, beispielsweise Wasserstoff oder Kohlenstoff.
-
Auf und/oder in dem Substrat 100 können weitere, in 1 nicht dargestellte isolierende oder leitfähige oder halbleitende Strukturen angeordnet sein, um auf diese Weise eine elektronische Schaltung auf dem Substrat 100 zu realisieren.
-
Auf der zweiten Oberfläche 102 des Substrates 100 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel eine erste Tragschicht 200 mit einer ersten Seite 201 und einer zweiten Seite 202 abgeschieden. Nach der Abscheidung der ersten Tragschicht 200 ist die erste Seite 201 der Tragschicht auf der zweiten Seite 102 des Substrates 100 angeordnet. Die Tragschicht 200 kann als Voll- oder Teilbeschichtung der zweiten Seite 102 des Substrates 100 ausgeführt sein. Die erste Tragschicht 200 kann elektrisch leitfähig oder elektrisch isolierend oder elektrisch halbleitend ausgebildet sein. Hierzu kann die erste Tragschicht 200 SixNy und/oder SiO2 und/oder Al2O3, ein Metall oder eine Legierung oder Diamant enthalten. Es ist darauf hinzuweisen, dass die erste Tragschicht 200 optional ist und in einigen Ausführungsformen der Erfindung auch entfallen kann.
-
2 zeigt den Querschnitt durch das Substrat gemäß 1, nachdem ein weiterer Verfahrensschritt zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt wurde. In diesem Verfahrensschritt wird auf die zweite Seite 202 der ersten Tragschicht 200 eine erste piezoelektrische Schicht 300 mit einer ersten Seite 301 und einer zweiten Seite 302 abgeschieden. Dabei ist die erste Seite 301 der piezoelektrischen Schicht 300 auf der zweiten Seite 202 der ersten Tragschicht 200 angeordnet. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die piezoelektrische Schicht 300 Aluminiumnitrid enthalten oder daraus bestehen. In diesem Fall kann die Vorrichtung biokompatible Eigenschaften aufweisen und so innerhalb eines menschlichen oder tierischen Körpers eingesetzt werden, ohne dem Lebewesen Schaden zuzufügen.
-
Die piezoelektrische Schicht 300 kann in einigen Ausführungsformen durch Magnetron-Sputtern abgeschieden werden. Hierbei kann eine mechanische Spannung innerhalb der piezoelektrischen Schicht 300 erzeugt werden, d. h. das Material der piezoelektrischen Schicht 300 weist eine Verspannung und/oder eine Gitterfehlanpassung gegenüber der darunter angeordneten Tragschicht 200 bzw. dem darunter liegenden Substrat 100 auf.
-
3 zeigt den Querschnitt durch das Substrat 100 nach einem weiteren Verfahrensschritt. In diesem Schritt wird eine optionale zweite Tragschicht 400 mit einer ersten Seite 401 und einer zweiten Seite 402 abgeschieden. Die zweite Tragschicht 400 wird zumindest als Teilbeschichtung ausgeführt. Nach dem Abscheiden der zweiten Tragschicht 400 ist deren erste Seite 401 auf der zweiten Seite 302 der piezoelektrischen Schicht 300 angeordnet.
-
Die zweite Tragschicht 400 kann ebenso wie die erste Tragschicht 200 elektrisch leitfähig oder isolierend oder halbleitend ausgebildet sein. Die zweite Tragschicht 400 kann aus demselben, einem ähnlichen oder einem unterschiedlichen Material wie die erste Tragschicht 200 gefertigt sein. Die zweite Seite 402 der zweiten Tragschicht 400 bildet nach Abschluss des Verfahrensschrittes die Oberfläche des Substrates 100 mit den darauf angeordneten Schichten. In einigen Ausführungsformen, welche nicht in den Figuren dargestellt sind, kann auf die zweite Seite 402 der zweiten Tragschicht 400 zumindest eine weitere Schicht abgeschieden werden, beispielsweise eine zweite piezoelektrische Schicht oder eine dritte Tragschicht oder eine Kombination aus mehreren piezoelektrischen Schichten und mehreren Tragschichten.
-
In 4 ist ersichtlich, wie die zweite Tragschicht 400 strukturiert wurde. Hierzu wird auf die zweite Seite 402 der zweiten Tragschicht 400 eine Maskierungsschicht abgeschieden, beispielsweise als Fotolack oder als Hartmaske. Nach dem Belichten, Entwickeln und Ätzen weist die zweite Seite 402 der zweiten Tragschicht 400 erste Flächenbereiche auf, welche von der Maskierungsschicht bedeckt sind und zweite Flächenbereiche, welche von der Maskierungsschicht unbedeckt sind.
-
Nachfolgend kann durch nass- oder trockenchemisches Ätzen die zweite Tragschicht 400 in zumindest einem von der Maskierungsschicht unbedecktem Flächenbereich 410 entfernt werden, sodass an dieser Stelle die zweite Seite 302 der piezoelektrischen Schicht 300 hervortritt. Im Anschluss an diesen Ätzschritt kann die Maskierungsschicht vollflächig entfernt werden, sodass der in 4 ersichtliche Querschnitt erhalten wird. Die Form und Größe des Flächenbereichs 410 kann durch die Strukturierung der Maskierungsschicht beeinflusst werden. Beispielsweise kann der Flächenbereich 410 polygonal oder rund sein. Der Flächenbereich 410 kann einen Durchmesser von etwa 0,01–1 mm aufweisen. Ein polygonaler Flächenbereich kann eine Breite von etwa 0,1–1 mm und eine Länge von 0,1–3 mm aufweisen.
-
5 zeigt den Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach einem weiteren Verfahrensschritt. Zur Durchführung dieses Verfahrensschrittes wird die erste Seite 101 des Substrates mit einer Maskierungsschicht versehen, wie vorstehend anhand der zweiten Seite 402 der zweiten Tragschicht bereits erläutert wurde. Nachfolgend wird das Substrat 100 von zumindest einer Teilfläche 115 entfernt, sodass sich eine Öffnung 110 im Substrat 100 ergibt. Die Öffnung 110 kann in einigen Ausführungsformen durch nass- oder trockenchemisches Ätzen erhalten werden. In einigen Ausführungsformen kann die Öffnung 110 durch reaktives Ionenätzen erzeugt werden. Sofern ein Ätzmittel gewählt wird, welches das Material der auf der zweiten Seite 102 des Substrates angeordneten Schicht 200 nicht angreift, stoppt der Ätzprozess ohne weiteren Eingriff. Im dargestellten Ausführungsbeispiel stoppt der Ätzprozess an der ersten Seite 201 der ersten Tragschicht 200. In den freigestellten Flächenbereichen 410 und 115 bildet sich somit eine Membran 350. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Membran 350 einen zweischichtigen Aufbau auf, bestehend aus der ersten Tragschicht 200 und der piezoelektrischen Schicht 300. Sofern in anderen Ausführungsformen der Erfindung weniger oder weitere Schichten auf das Substrat 100 abgeschieden wurden, kann die Membran 350 in anderen Ausführungsformen der Erfindung auch eine, drei oder mehr Schichten aufweisen. Die Erfindung lehrt nicht die Verwendung von genau zwei Schichten für die Membran 350 als Lösungsprinzip.
-
Aufgrund der mechanischen Druckspannung der piezoelektrischen Schicht 300 kommt es nach dem Wegfall der Zwangskräfte, welche das Substrat 100 auf die Schichten 200 und 300 ausgeübt hat, zu einer Relaxierung der Membran 350. Diese weist somit in ihrer Ruhestellung konkave Flächenbereiche 370 und konvexe Flächenbereiche 360 auf. Diese Geometrie der Membran 350 führt zu einer geringeren Güte des durch die Membran 350 gebildeten Resonators, sodass dieser von einem breiteren Frequenzspektrum zu Schwingungen angeregt werden kann. Weiterhin ändert sich die Resonanzfrequenz des Resonators. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann diese geringer als 500 Hz, geringer als 200 Hz oder geringer als 150 Hz sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung liegt die Resonanzfrequenz zwischen etwa 1 Hz und etwa 200 Hz oder zwischen etwa 50 Hz und etwa 150 Hz.
-
Das in 5 gezeigte Bauelement kann bereits als Vorrichtung 1 zur Wandlung mechanischer in elektrische Energie genutzt werden. Eine zyklische Bewegung der Vorrichtung 1 führt zu einer Schwingung der Membran 350, wodurch eine elektrische Spannung erzeugt wird. Diese kann an der zweiten Seite der zweiten Tragschicht 402 und an der ersten Tragschicht 200 abgegriffen werden. Sofern das Substrat 100 zumindest abschnittsweise elektrisch leitfähig dotiert ist, kann die Spannung auch an der ersten Seite 101 des Substrates 100 abgegriffen werden. Zur Erhöhung der Ausgangsspannung und/oder des Stromes kann ein einzelnes Substrat 100 eine Mehrzahl von Membranen 350 aufweisen, welche parallel bzw. seriell miteinander verschaltet sind.
-
6 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Wandlung mechanischer in elektrische Energie, welche mehrere Substrate 100 enthält. Jedes einzelne dieser Substrate entspricht der in 5 dargestellten Ausführungsform. Diese werden dann seriell miteinander verbunden, sodass an den Anschlusskontakten 520 und 510 die Summe der Ausgangsspannungen der einzelnen Membranen 350 zur Verfügung steht. Zur elektrisch leitfähigen Verbindung der Substrate dienen Kontaktelemente 500, welche beispielsweise als Lötperle, als elektrisch leitfähig gefüllter Klebstoff oder als Bondverbindung ausgebildet sein können.
-
7 zeigt nochmals eine Explosionszeichnung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Ausführungsform gemäß 7 enthält drei in etwa rechteckige Substrate 100a, 100b und 100c. Jedes der Substrate weist vier Membranen auf, von denen die drei Membranen 350a, 350b und 350c in 7 dargestellt sind. Jede der Membranen 350 kann beispielsweise gemäß den in den 1 bis 5 beschriebenem Verfahren erhältlich sein. Aufgrund der Schnittdarstellung der Substrate 100 ist die vierte Membran in 7 nicht sichtbar.
-
Die von den Membranen 350a, 350b und 350c erzeugten Piezospannungen eines einzelnen Substrates 100a oder 100b oder 100c werden in einer elektrischen Parallelschaltung abgeführt, sodass an der zweiten Seite 402 der zweiten Tragschicht und der ersten Seite 101 des Substrates die einfache Spannung, aber der vierfache Strom einer einzelnen Membran 350 bereitgestellt werden kann. Durch Kombination von drei Substraten in der in 6 gezeigten Art können diese Parallelschaltungen von vier Membranen seriell verschaltet werden, um die dreifache Ausgangsspannung einer Membran 350 bereitzustellen.
-
8 zeigt nochmals ein elektrisches Schaltbild der Ausführungsform gemäß 7. Dabei sind die vier Membranen 350 eines Substrates parallel verschaltet und die drei Substrate 100a, 100b und 100c seriell. Dadurch wird an den Anschlüssen A und B eine Ausgangsspannung bereitgestellt, welche der dreifachen Spannung einer Membran 350 entspricht und ein Ausgangsstrom, welcher dem vierfachen Strom einer Membran entspricht. Damit ist die elektrische Ausgangsleistung etwa zwölfmal so groß wie die Leistung einer Membran 350.
-
Da die Membranen eine Wechselspannung mit der Frequenz ihrer Schwingung erzeugen, muss diese für die Versorgung einer elektronischen Schaltung gleichgerichtet werden. Hierzu dient ein Gleichrichter 710 und eine optionale Ladekapazität 720. Der Lastwiderstand 730 symbolisiert die an die Vorrichtung angeschlossene elektrische Last, beispielsweise ein Sensornetzwerk, einen Schrittmacher oder ein anderer elektrischer Verbraucher. Der Gleichrichter 710 und die Ladekapazität 720 können monolithisch auf einem der Substrate 100 integriert sein.
-
8 zeigt nochmals eine perspektivische Darstellung der Membran 350, welche von der zweiten Tragschicht 400 begrenzt ist. Aufgrund der bei der Abscheidung zumindest einer Schicht der Membran 350 entstehenden mechanischen Spannung bildet sich in der Membran 350 eine Druckspannung aus, welche zu einer welligen bzw. gerippten Oberfläche der Membran 350 führt. Eine solche wellige Oberfläche zeichnet sich durch konkave Flächenbereiche 370 und konvexe Flächenbereiche 360 aus. Im dargestellten Ausführungsbeispiel der 9 ergeben sich zwei konvexe Flächenbereiche 360a und 360b und ein konkaver Flächenbereich 370. Sofern die Membran 350 von ihrer Unterseite betrachtet wird, sind hingegen zwei konkave Flächenbereiche und ein konvexer Flächenbereich erkennbar.
-
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in 9 gezeigte Ausführungsform begrenzt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können sich andere Formen der Membran 350 ergeben, je nachdem wie groß die bei der Schichtabscheidung erzeugten mechanischen Spannungen und die Anzahl der Einzelschichten gewählt wurde.
-
10 zeigt im Vergleich nochmals eine zur Energiewandlung verwendete Membran aus einer bekannten Vorrichtung. Diese weist eine geringe Zugspannung auf, sodass die Membran im Ruhezustand nahezu eben ist. Sofern durch das Eigengewicht der Membran 350 eine Krümmung hervorgerufen wird, so weist die Membran lediglich eine konkave oder konvexe Fläche auf. Dadurch bildet die bekannte Membran gemäß der 10 einen Resonator hoher Güte, welcher bei lediglich einer scharf begrenzten Anregungsfrequenz zur Energiewandlung genutzt werden kann. Weiterhin liegen diese Resonanzfrequenzen meist bei Frequenzen von mehr als 1 kHz, welche bei vielen Anwendungen nicht zur Anregung zur Verfügung stehen.
-
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste” und „zweite” Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
