DE102012215600B4 - Kapazitiver Energiewandler und Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Energiewandlers - Google Patents

Abstract

Kapazitiver Energiewandler für mikro- und feinwerktechnische Systeme zur Umwandlung kinetischer Energie aus einer in einer Umgebung vorhandenen Vibration in elektrische Energie im elektrostatischen Feld,
umfassend eine kapazitive Anordnung aus relativ zueinander bewegbaren Elektroden in einer out-of-plane-Konfiguration,
bestehend aus einer Stator-Elektrode (1) mit einem Rahmen und einer schwingungsfähig aufgehängten Schwing-Elektrode (2),
wobei der Körper der Schwing-Elektrode parallel zur Ebene des Körpers der Stator-Elektrode orientiert ist, die kapazitive Anordnung durch eine Kontur der Schwing-Elektrode und eine dazu korrespondierende Kontur der Stator-Elektrode ausgebildet ist, und die Relativbewegung der beiden Elektroden senkrecht zur Ebene der Elektrodenanordnung erfolgt,
wobei für die Schwing-Elektrode durch den Rahmen der Stator-Elektrode hindurch Schwingbewegungen ausführbar sind,
wobei sich dabei die kapazitiv wirksame Fläche zwischen den sich gegenüberstehenden Konturen der Stator-Elektrode und der Schwing-Elektrode ändert.

Description

• Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Energiewandler nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Energiewandlers nach den Ansprüchen 5 und 8.
• Durch das vermehrte Interesse an der Nutzung autarker Mikrosysteme und der Entwicklung immer energiesparenderer Sensor-Aktor-Systeme und Elektronikschaltungen haben sogenannte Energy Harvester an Bedeutung gewonnen. Dabei handelt es sich um Systeme, die die in ihrer Umgebung zur Verfügung stehende und in der Regel nicht genutzte Energie in elektrische Energie umwandein. Dazu zählt unter anderem die mechanische Energie aus Vibrationen, die zum Beispiel an Maschinen, Fahrzeugen oder Bauwerken entstehen. Derartige Vibrationen liegen im Bereich von Bruchteilen eines Hz bis in den kHz-Bereich vor. Bekannte Vibrationswandler beruhen auf dem piezoelektrischen, dem elektromagnetischen oder dem elektrostatischen Prinzip.
• Dabei sind die auf dem elektrostatischen Prinzip beruhenden Wandler als kapazitive Wandler ausgebildet. Diese sind besonders einfach in mikro- und feinwerktechnische Systeme integrierbar. Kapazitive Wandler basieren auf einer Umwandlung der kinetischen Energie aus der in der Umgebung vorhandenen Vibration in die elektrische Energie im elektrostatischen Feld, wobei zum Umsetzen der mechanischen in elektrische Energie auf eine Änderung der Kapazität einer Elektrodenanordnung zurückgegriffen wird.
• Bei einer Schwingungsanregung einer derartigen kapazitiven Elektrodenanordnung ändert sich dabei deren Kapazität und schwingt zwischen einem Wert Cmin und Cmax. Die dabei dem Energiewandler entnehmbare Energie ist proportional zur Differenz zwischen diesen beiden Werten. Daraus ergibt sich die Forderung nach einer möglichst großen Differenz zwischen Cmax und Cmin und einem großen Verhältnis zwischen den beiden Kapazitätswerten.
• Die Kapazität kann über die Permittivität, den Elektrodenabstand und die wirksame Elektrodenfläche beeinflusst werden. Verbreitete Grundstrukturen von kapazitiven Wandlern wurden in „Energy Scavenging for wireless sensor networks“, Kluwer Academic Publishers, 2004 durch die Autoren Roundy, Wright und Rabaey zusammengefasst und beschrieben. Die Autoren beschreiben kapazitive Wandler mit mindestens einer feststehenden und mindestens einer beweglichen Elektrode. Diese werden im Folgenden als Elektrodenpaar bezeichnet. Durch die äußere Anregung des Systems durch Vibrationen wird jede bewegliche Elektrode gegenüber zugehörigen festen Elektroden in ihrer Lage verändert. So kommt es entweder zur Veränderung der wirksamen Elektrodenfläche oder des Abstandes der Elektroden.
• Bekannt sind so genannte „In-Plane“-Strukturen der Elektrodenpaare. Wie in 1 beispielhaft dargestellt, bedeutet „In-plane“, dass die Bewegung der bewegten Elektrode innerhalb einer Ebene der Gesamtanordnung der Elektroden erfolgt. Bei niederfrequenten Anregungen ergeben sich große Wegamplituden der bewegten Elektrode. Bei den bekannten „In-Plane“-Varianten wird eine entsprechend große Chipfläche benötigt. Darüber hinaus muss bei verschiedenen Bewegungsamplituden ein anderes Chipdesign gewählt werden. Nachteilig bei allen bisher dargestellten in-plane-Konfigurationen ist, dass mechanische Anschläge notwendig sind, um eine Kollision der Elektroden zu verhindern.
• Die US 2010/0019616 A1 offenbart ein elektrostatisches Betriebsgerät. Dieses zeigt eine Elektrodenkonfiguration von einem so genannten out-of-plane/gap closing-Typ: Die Schwingung der Elektroden erfolgt dort in eine Richtung, die aus der Ebene der Elektroden hinaus gerichtet ist - also out of plane - , aber die Kapazitätsänderung wird dort durch die Veränderung des Abstandes, d.h. des Spaltes zwischen den Elektroden - gap closing - realisiert, wobei die kapazitiv wirksame Fläche gleich bleibt.
• Die DE 10 2005 018 321 A1 offenbart einen kapazitiven Mikrogenerator für multifrequente Vibrationsquellen. Die Druckschrift offenbart eine Anordnung aus einer Wafer-Elektrode und Gegenelektroden. Diese wirkt als eine Anordnung aus mehreren Feder-Masse-Systemen. Über die Schwingungsrichtungen der dort gezeigten Systeme sind dort keine Angaben zu entnehmen.
• Die US 2005/0040654 A1 offenbart einen Vibrator zum Generieren von Schwingungsenergie. Bei der dort gezeigten Vorrichtung handelt es sich nicht um einen Energiewandler zum Umsetzen von Vibrationsenergie in elektrische Energie. Die dort gezeigte Vorrichtung soll zugeführte elektrische Energie in Schwingungen überführen. Die Vibration erfolgt gemäß der dort enthaltenen Lehre senkrecht zur Elektrodenebene (out-of-plane), wobei allerdings der Abstand der Elektrodenflächen variiert wird (closing gap) und die kapazitiv wirksame Fläche gleichbleibt.
• Die US 2005/0093302 A1 offenbart einen Energiewandler zur Umwandlung von Schwingungs- in elektrische Energie und ein entsprechendes Verfahren. Die Schwingungsrichtung bei der dort gezeigten Anordnung verläuft so, dass eine Probemasse in einem stationären Kamm, also in-plane, schwingt.
• Die US 2011/0109195 A1 offenbart einen Generator zum Umsetzen von Schwingungs- in elektrische Energie. Die Konfiguration der dort gezeigten Elektrodenanordnung ist so ausgebildet, dass dort eine feste erste Elektrodenanordnung vorgesehen ist, wobei in deren Rahmen eine zweite Elektrodenanordnung schwingt. Die Schwingung erfolgt dabei innerhalb der Ebene der zweiten Elektrode, also in-plane, und bei einem im Wesentlichen gleichbleibenden Abstand, also im overlap-Modus. Die Druckschrift offenbart außerdem eine Konfiguration, die out-of-plane und gap closing betrieben werden kann, bei der also die Kapazität über einen variablen Abstand zwischen den Elektroden verändert wird.
• Die WO 95/10878 A1 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie und eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens. Vorgesehen ist dort eine rotierende, somit keine schwingende Elektrodenanordnung. Diese soll Drehbewegungen, aber keine Vibrationen in elektrische Energie umsetzen oder auch als Motor wirken.
• Bei den bekannten Arten der kapazitiven Energiewandler gestaltet sich das direkte Bestimmen des zeitlichen Verlaufs der Kapazitäten durch eine Messung der Spannung an der Wandler-Kapazität als schwierig. Zum einen ist der an der Wandler-Kapazität auftretende Spannungsverlauf durch die dort stattfindenden Schaltvorgänge unstetig. Das größere Problem ist jedoch die überhöhte Spannung an der Wandler-Kapazität selbst. Da die Messschaltungen von einem Speicherelement, beispielsweise einer Batterie versorgt werden, überschreitet die zu messende Spannung die Betriebsspannung der Messschaltungen, was eine leistungsarme Messung bei kleineren Leistungsklassen unter Umständen erheblich verkompliziert.
• Schließlich erweisen sich die kapazitiven Energiewandler in Hinblick auf die Größe des von ihnen entnehmbaren Energiebetrages als stark verbesserungsbedürftig.
• Es besteht somit die Aufgabe, einen Kapazitiven Energiewandler anzugeben, der zum einen die Nachteile bekannter Energiewandler dieser Art beseitigt. Weiterhin ist ein Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Energiewandlers gesucht, bei dem der zeitliche Verlauf der Wandlerkapazität mit einem minimalen Messaufwand präzise gemessen werden kann und es besteht die Aufgabe, einen kapazitiven Energiewandler so zu betreiben, dass die in ihm zu elektrischer Energie umgesetzte Arbeit effektiv entnommen werden kann.
• Die Aufgabe wird mit einem Energiewandler nach Anspruch 1 sowie einem Verfahren zum Betreiben eines Energiewandlers mit den Merkmalen der Ansprüche 5 und 8 gelöst. Die jeweiligen Unteransprüche enthalten zweckmäßige und/oder vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung bzw. der Verfahren.
• Erfindungsgemäß ist vorrichtungsseitig ein kapazitiver Energiewandler vorgesehen, der eine kapazitive Anordnung aus relativ zueinander bewegbaren Elektroden in einer out-of-plane-Konfiguration umfasst. Dieser besteht aus einer Stator-Elektrode mit einem Rahmen und einer Schwing-Elektrode, wobei der Körper der Schwingelektrode parallel zur Ebene des Körpers der Stator-Elektrode orientiert ist. Dabei ist die kapazitive Anordnung durch eine Kontur der Schwing-Elektrode und eine Kontur der Stator-Elektrode ausgebildet, wobei die Relativbewegung der beiden Elektroden senkrecht zur Ebene der Elektrodenanordnung erfolgt. Erfindungswesentlich ist weiterhin, dass für die Schwing-Elektrode durch den Rahmen der Stator-Elektrode hindurch Schwingbewegungen ausführbar sind, wobei sich dabei die kapazitiv wirksame Fläche zwischen den sich gegenüber stehenden Konturen der Stator-Elektrode und der Schwing-Elektrode ändert.
• Diese out-of-plane-Konfiguration kommt ohne Anschlagbegrenzer aus. Die Schwingelektrode kann hierbei durch den Rahmen der Stator-Elektrode hindurch ungehinderte Schwingbewegungen ausführen. Die kapazitive Anordnung besteht aus den sich gegenüber stehenden Außen- und Innenkonturen der Schwing-Elektrode und der Stator-Elektrode. Die durch die äußere Anregung bewirkte Schwingung ändert dabei die kapazitiv wirksame Fläche zwischen den sich gegenüber stehenden Konturen und bewirkt somit die Kapazitätsänderung des Energiewandlers.
• Bei einer zweckmäßigen Ausbildung hat die Außenkontur der Schwingelektrode eine Kammstruktur aus einer Vielzahl von Fingern, und die Innenkontur der Stator-Elektrode weist eine zur Kammstruktur der Schwingelektrode korrespondierende Kammstruktur auf. Dadurch wird die Größe der kapazitiven Gesamtfläche der Elektrodenanordnung stark erhöht.
• Bei einer zweckmäßigen Ausbildung dieses Aufbaus weist die Stator-Elektrode einen Sandwichaufbau aus einer Top-Elektrode und einer Down-Elektrode auf, wobei die Auslenkung der Schwing-Elektrode den Bereich der Top-Elektrode und der Down-Elektrode überstreicht. Eine derartige Anordnung führt dazu, dass sich die Kapazität der gesamten Elektrodenanordnung bei einer Schwingungsanregung mit einem Phasenwinkel von 180° statt 360° ändert. Es werden somit beide Maxima innerhalb einer Schwingungsdauer genutzt, wodurch sich die Energieausbeute je Periode erhöht.
• Ergänzend zu den genannten Ausführungsformen kann die Schwing-Elektrode zusätzlich an einer piezoelektrisch aktiven Aufhängung angeordnet sein, wobei die piezoelektrisch aktive Aufhängung als piezoelektrischer Energiewandler betreibbar ist.
• Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Kapazitiven Energiewandlers der einer mechanischen Anregung unterliegt, umfassend eine kapazitive Anordnung aus relativ zueinander bewegbaren Elektroden, wobei eine Stator-Elektrode mit einem Rahmen und eine Schwing-Elektrode sich innerhalb einer Ebene befinden und eine Aufhängung der Schwing-Elektrode nur Schwingungen in einer zu dieser Ebene senkrechten Richtung zulässt, wobei für die Schwing-Elektrode durch den Rahmen der Stator-Elektrode hindurch Schwingbewegungen ausführbar sind, und wobei sich dabei die kapazitiv wirksame Fläche zwischen den sich gegenüber stehenden Konturen der Stator-Elektrode und der Schwing-Elektrode ändert, wird eine kontinuierliche Bestimmung von Zeitpunkten einer maximalen und/oder minimalen Kapazität bei variabler mechanischer Anregung wie folgt ausgeführt:
• Es erfolgt ein Anordnen einer Sensor-Kapazität im Elektrodenbereich, bestehend aus mindestens einer von der übrigen Elektrodenanordnung isolierten Sensor-Elektrode. Die Sensor-Kapazität wird mit einer Sensorspannung vorgeladen. Anschließend erfolgt ein Abgreifen eines Spannungsverlaufs an der Sensor-Kapazität und Auswerten des zeitlichen Spannungsverlaufs.
• Die Sensor-Kapazität dient somit als eine Indikatorkapazität, die als ein baulicher, allerdings schaltungstechnisch abgetrennter Teil der Elektrodenanordnung fungiert. Damit lässt sich die Kapazitätsänderung am Ort der Energiewandlung direkt erfassen.
• In Verbindung damit können eine Schalteranordnung und eine Spannungsteilerschaltung vorgesehen sein, wobei über die Spannungsteilerschaltung die Sensorspannung eingestellt wird und einer der Schalter für ein Schalten des Spannungsteilers auf einen leistungslosen Zustand vorgesehen ist. Ergänzend ist über die Schalteranordnung ein Nachladen der Sensor-Kapazität zum Ausgleichen von Entladungs-Leckströmen ausführbar.
• Ein Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Energiewandlers, wobei durch eine Schwingungsanregung die Kapazität einer kapazitiven Elektrodenanordnung geändert wird und zwischen einem Wert Cmin und Cmax schwingt, zeichnet sich erfindungsgemäß durch ein mehrstufiges Betreiben des Energiewandlers in einer Kaskadenschaltung aus. Bei der Kaskadenschaltung ist eine Gesamtkapazität des Energiewandlers schaltungstechnisch auf mindestens zwei Teilkapazitäten mit einer bereits vorhandenen Grundladung verteilt. Beim Erreichen einer ersten Amplitude in einer ersten Halbperiode einer äußeren mechanischen Anregung ist dabei eine erste Teilkapazität maximal und eine zweite Teilkapazität minimal und beim Erreichen einer zweiten Amplitude in einer zweiten Halbperiode ist die erste Teilkapazität minimal und die zweite Teilkapazität maximal. In einem Kaskadenbetrieb erster Art erfolgen bei der ersten und bei der zweiten Amplitude jeweils ein Vorladen der momentan maximalen Teilkapazität und ein Extrahieren eines gewandelten Energiebetrages aus der momentan minimalen Teilkapazität.
• Bei dem Kaskadenbetrieb erster Art werden somit in jeder Halbperiode Energiebeträge aus dem Energiewandler entnommen, wobei lediglich ein Vorladen der jeweiligen Teilkapazität erfolgt.
• Es ist Teil des erfindungsgemäßen Gedankens, dass alternativ dazu zum Betreiben mindestens eines kapazitiven Energiewandlers ein mehrstufiges Betreiben des Energiewandlers in einer Kaskadenschaltung ausgeführt wird, wobei eine Gesamtkapazität des Energiewandlers schaltungstechnisch auf mindestens zwei Teilkapazitäten mit einer bereits vorhandenen Grundladung verteilt ist und bei dem ein Kaskadenbetrieb zweiter Art zum Betreiben der Anordnung erfolgt. Dabei erfolgt beim Erreichen der zweiten Amplitude innerhalb der zweiten Halbperiode ein Umladen eines von einer der beiden Teilkapazitäten gewandelten Energiebetrages auf die jeweils andere Teilkapazität. Der gewandelte Energiebetrag wird somit von einer Teilkapazität auf die andere übertragen und erst von dort einer Energieverwertungsschaltung zugeführt. Es erfolgt somit ein „Fördern“ von Energiebeträgen von der einen zur anderen Teilkapazität.
• Ein Kaskadenbetrieb zweiter Art kann zu einem n-stufigen Kaskadenbetrieb ausgebaut sein. Bei einem solchen mehrstufigen Betrieb sind n Teilkapazitäten vorgesehen, wobei bei dem Erreichen jeweils einer Amplitude der äußeren Anregung ein kaskadenartiges Umladen eines von einer n-ten Teilkapazität gewandelten Energiebetrages auf eine n-1-te Teilkapazität erfolgt. Es wird somit innerhalb des Kaskadenbetriebes der gewandelte Energiebetrag durch die Kaskadenschaltung an eine an der ersten Teilkapazität angeordnete Energieextraktionsschaltung gefördert.
• Möglich ist auch ein aktives Umschalten zwischen dem Kaskadenbetrieb erster Art und dem Kaskadenbetrieb zweiter Art in Abhängigkeit von dem momentan vorliegenden mechanischen Anregungszustand. Dadurch wird die Energieausbeute des Energiewandlers optimiert und den jeweiligen Bedingungen angepasst.
• Der erfindungsgemäße Energiewandler und das Verfahren zu Betreiben eines Energiewandlers sollen nachfolgend anhand beispielhafter Ausführungsformen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die 1 bis 13. Es werden für gleiche bzw. gleich wirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
• Es zeigt:
• 1 kapazitive Energiewandler in einer in-plane-Konfiguration nach dem Stand der Technik,
• 2 einen erfindungsgemäßen kapazitiven Energiewandler in einer prinzipiellen Darstellung,
• 3 den erfindungsgemäßen kapazitiven Energiewandler aus dem Beispiel aus 2 in einer beispielhaften isometrischen Ansicht,
• 4 ein Ausführungsbeispiel des kapazitiven Energiewandlers in einer doppelt wirkenden Konfiguration und einem kapazitiven 180°-Phasenversatz,
• 5 das Ausführungsbeispiel aus 4 in einer Seitenansicht im Schnitt und in einer Draufsicht,
• 6 eine beispielhafte Ausführungsform für eine im Energiewandler angeordnete Sensor-Kapazität,
• 7 eine der Sensor-Kapazität aus 6 zugeordnete beispielhafte Schaltung,
• 8 zwei beispielhafte Ausführungsformen einer Kaskadenschaltung für den Kaskadenbetrieb erster Art,
• 9 eine beispielhafte Ausführungsform einer Kaskadenschaltung für den Kaskadenbetrieb erster oder zweiter Art mit passiven Dioden,
• 10 eine beispielhafte Ausführungsform einer Kaskadenschaltung für den Kaskadenbetrieb erster oder zweiter Art mit aktiven Dioden,
• 11 eine beispielhafte Ausführungsform einer Kaskadenschaltung für einen Kaskadenprozess erster oder zweiter Art mit Schaltern,
• 12 eine beispielhafte Ausführungsform einer höherstufigen Kaskadenschaltung,
• 13 eine zu der Kaskadenschaltung aus 12 korrespondierende Ausführungsform eines Energiewandlers in einer in-plane-Konfiguration,
• 1 zeigt beispielhafte kapazitive Energiewandler in einer in-plane-Konfiguration nach dem Stand der Technik. Die hier vorliegenden Energiewandler bestehen aus einer festen Elektrode A und einer beweglichen, insbesondere schwingungsfähigen Elektrode B. Die Elektrode B ist an einer Federaufhängung befestigt, die durch äußere Anregungen in Schwingungen versetzt wird. Sowohl die Elektrode A als auch die Elektrode B sind flächig ausgebildet und liegen in einer Ebene. Diese Ebene ist dann auch die Schwingungsebene der Elektrode B. Weil hier Elektrodenebene und Schwingungsebene zusammenfallen, ist die hier vorliegende Konfiguration des Energiewandlers eine inplane-Konfiguration.
• 2 zeigt eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Energiewandlers. Der kapazitive Energiewandler besteht aus einer Stator-Elektrode 1 und einer Schwing-Elektrode 2. Die Schwing-Elektrode 2 ist an einer Aufhängung 3 befestigt. Zusätzlich ist die Schwing-Elektrode im Zentrum mit einer definierten Masse m belegt. Zusammen mit einer Federkonstanten der Aufhängung 3 definiert die Masse m eine Eigenfrequenz der Schwing-Elektrode 2.
• Eine derartige Mechanik ermöglicht den Einsatz von Dünnschichtfedern zum Zwecke der Aufhängung. Die Aufhängung 3 kann als ein piezoelektrisches Element ausgebildet sein, das durch die Schwingung zusätzlich als piezoelektrischer Energiewandler wirken kann.
• Bei dem hier vorliegenden Beispiel liegen beide Elektroden innerhalb einer Ebene, die hier die x-y-Ebene ist. Die Aufhängung 3 lässt allerdings nur Schwingungen in einer senkrechten Richtung zu dieser Ebene, also in z-Richtung zu. Die Schwing-Elektrode schwingt somit aus der Tafelebene hinaus und hinein.
• Die kapazitive Anordnung aus den Elektroden 1 und 2 wird durch die Außenkontur der Schwing-Elektrode und die Innenkontur der Stator-Elektrode gebildet, die zueinander korrespondieren. Dabei ist die kapazitiv wirksame Fläche zwischen beiden Elektroden jeweils durch Kammstrukturen aus einer Vielzahl einzelner Finger 4 gebildet. Beim Schwingen der Schwing-Elektrode ändert sich die kapazitiv wirksame Fläche zwischen den Elektroden und somit auch die Kapazität.
• Für Ladung begrenzende kapazitive Wandler bzw. den hier vorliegenden Energiewandler oder Harvester ergibt sich dabei im Idealfall ein Energiegewinn pro Schwingungsperiode von $$\mathrm{\Delta }E=\frac{1}{2}{\text{U}}_{in}^2\left(C_{\text{max}}-C_{\text{min}}\right)\left(\frac{C_{\text{max}}}{C_{\text{min}}}\right)=\frac{1}{2}{U}_{in}^2{C}_{\text{max}}\left(\frac{C_{\text{max}}}{C_{\text{min}}-1}\right)$$

  
• Dabei ist:

ΔE

abgegebene Energie

U_in

Eingangsspannung des ES Harvesters _...

C_max

maximal Kapazität (maximale Elektrodenüberdeckung)

C_min

minimale Kapazität (minimale Elektrodenüberdeckung)

• Daraus ergibt sich die Forderung nach einer möglichst großen Differenz zwischen Cmax und Cmin und einem großen Verhältnis zwischen den beiden Kapazitätswerten. Die Kapazität kann über die Permittivität, den Elektrodenabstand und die wirksame Elektrodenfläche beeinflusst werden.
• 3 zeigt eine der Prinzipdarstellung aus 2 entsprechende isometrische Ansicht der Vorrichtung. Die Stator-Elektrode 1 umgibt die Schwing-Elektrode 2 rahmenartig. Die Finger 4 der Kammstrukturen an beiden Elektroden bilden zueinander eine Vielzahl von Einzelkapazitäten aus, die aus einer Vielzahl von einander gegenüber stehenden Gegenelektroden aufgebaut sind und sich zu einer großen Kapazität addieren. Die Masse m innerhalb der Schwing-Elektrode wird auch als „bulk“ bezeichnet.
• Eine derartige Konfiguration kommt ohne Anschlag aus. Die Schwing-Elektrode ist in ihrer Amplitude nicht eingeschränkt. Es können somit große Amplituden gefahren werden, ohne dass die Gefahr einer Überlastung des Energiewandlers besteht.
• Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel ermöglicht nur eine Energiegewinnung je Schwingungsperiode, nämlich genau dann, wenn eine der beiden Amplituden von der Schwing-Elektrode durchlaufen worden ist. Es kann also nur eine der beiden vertikalen Auslenkungen zum Energieabgriff genutzt werden, bzw. es erfolgt nur eine Energiegewinnung innerhalb einer Phase von 360°.
• 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, bei der beide Bewegungsamplituden während einer Schwingungsperiode genutzt werden können und die somit eine erhöhte Energieausbeute liefert.
• Das hier gezeigte Beispiel weist einen zweiteiligen Aufbau der Stator-Elektrode auf. Dieser besteht aus einer Top-Elektrode 5 und einer Down-Elektrode 6, die sandwichartig aufeinander aufliegen und durch die isolierende Zwischenschicht 7 getrennt sind. Die Schwing-Elektrode 2, d.h. deren Kammstruktur, überstreicht während einer vollen Periode sowohl den Bereich der Top-Elektrode als auch den der Down-Elektrode. Dabei kann in beiden Stellungen Energie abgegriffen werden. Durch diesen mechanischen Aufbau bedingt weist diese Anordnung eine starre 180° Phasenverschiebung in der zeitlichen Änderung ihrer Kapazität auf. Insbesondere erreicht die Kapazität C_o im Bereich der Top-Elektrode genau dann ihr Maximum, wenn C_u im Bereich der Down-Elektrode minimal ist und umgekehrt.
• Ein beispielhafter Aufbau eines erfindungsgemäßen kapazitiven Wandlers mit in Bewegungsrichtung symmetrisch gegenüberliegend angeordneten Kammstrukturen wird in 5 dargestellt. Gezeigt ist der in 4 dargestellte Aufbau in einer Schnittdarstellung mit den Top- und Down-Elektroden 5 und 6 sowie der Zwischenschicht 7 sowie eine Draufsicht auf diese Konfiguration. Die Draufsicht entspricht in ihrer äußeren Form dem Aufbau gemäß 3. Durch eine einfache Veränderung der im Aufbau in 3 dargestellten Bestandteile des Wandlers lässt sich somit der in 5 gezeigte Aufbau sehr einfach realisieren. Ein solcher Aufbau vereint die vorteilhaften Aspekte der Ausführungsform gemäß 3 mit dem vorteilhaften Phasenversatz von 180° beim Energieabgriff.
• 6 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform für eine im Energiewandler angeordnete Sensor-Kapazität. Die Sensor-Kapazität dient zur kontinuierlichen Bestimmung der Zeitpunkte des Erreichens der maximalen bzw. minimalen Kapazitäten eines kapazitiven Vibrations-Energiewandlers. Denn diese Zeitpunkte markieren genau den Moment, an dem sich ein maximaler Energiebetrag aus dem Energiewandler entnehmen lässt. Die Bestimmung des Amplitudenzeitpunktes ist vor allem bei variabler mechanischer Anregung notwendig, bei der der Schwingungsverlauf nicht vorab bekannt sein kann.
• Das Arbeitsprinzip eines kapazitiven Energiewandlers ist wie im Folgenden dargestellt. Durch eine äußere mechanische Anregung ergibt sich eine zeitlich veränderliche Kapazität. Die Energieextraktion aus dem Wandler beruht grundsätzlich auf der Beziehung $$C=\frac{Q}{U}.$$

  
• Bei einer als konstant angenommenen Ladung Q auf dem Wandler folgt die Spannung U reziprok zur Kapazität C.
• Wird nun in einem solchen schwingenden System zum Zeitpunkt der maximalen Kapazität C_EH = C_Max eine Ladung Q auf die Kapazität C_EH bei der Spannung U_EH = U_Min aufgebracht, und zum Zeitpunkt der minimalen Kapazität C_EH = C_Min bei der Spannung U_EH = U_Max wieder entzogen, ergibt sich wie bereits oben beschrieben ein maximaler Energiegewinn von: $${\text{E}}_{\text{g}}=\mathrm{½}{\text{C}}_{\text{Min}}{\text{U}}^2{}_{\text{Max}}-\mathrm{½}{\text{C}}_{\text{Min}}{\text{U}}^2{}_{\text{Max}}=\mathrm{½}{\text{U}}^2{}_{\text{Min}}\left({\text{C}}_{\text{max}}-{\text{C}}_{\text{min}}\right)\left({\text{C}}_{\text{max}}{\text{/C}}_{\text{min}}\right)$$

  
• Wobei sich U_max aus $$U_{\text{max}}=\frac{C_{\text{max}}}{C_{\text{min}}}{U}_{in}$$

  

  ergibt.
• Eine elektronische Baugruppe eines kapazitiven Vibrationswandlers dient dazu, um die Steuerung der Umladung der sich zeitlich verändernden Kapazitäten zu bewirken, und so die durch die Vibrationen gewonnene Energie zu extrahieren. Möglich ist hier die Verwendung von passiven bzw. aktiven Dioden. Eine andere mögliche Realisierung ist die Verwendung von Schaltern. Um nun allerdings die Schalter entsprechend anzusteuern, ist die Kenntnis des zeitlichen Verlaufs der Kapazitäten erforderlich.
• Das direkte Bestimmen des zeitlichen Verlaufs der Kapazitäten durch eine Messung der Spannung an der Wandler-Kapazität, gestaltet sich in einem integrierten System in mehrerer Hinsicht als schwierig. Einerseits ist der an der Wandler-Kapazität auftretende Spannungsverlauf durch die dort stattfindenden Schaltvorgänge unstetig. Das größere Problem ist die überhöhte Spannung an der Wandler-Kapazität. Da die Messschaltungen von der Batterie versorgt werden, überschreitet die zu messende Spannung die Betriebsspannung der Messschaltungen, was eine leistungsarme Messung erheblich verkompliziert.
• Die Aufgabe der elektronischen Baugruppe eines kapazitiven Vibrationswandlers ist die Steuerung der Umladung der sich zeitlich verändernden Kapazitäten, um die durch die Vibrationen gewonnene Energie zu extrahieren. Stand der Technik ist die Verwendung von passiven bzw. aktiven Dioden. Eine andere mögliche Realisierung ist die Verwendung von Schaltern. Um nun allerdings die Schalter entsprechend anzusteuern, ist die Kenntnis des zeitlichen Verlaufs der Kapazitäten erforderlich.
• In dieser Erfindung werden die Zeitpunkte des Erreichens der maximalen bzw. minimalen Kapazitäten eines kapazitiven Vibrationswandlers nicht über die Wandler-Kapazität sondern über eine elektrisch isolierte separate „Sense“-Kapazität C_Sense detektiert. Dies lässt sich erzielen, indem mindestens eine Elektrode elektrisch isoliert von den restlichen Elektroden als separater Kontakt nach außen geführt wird. In 6 ist eine mögliche Ausführungsform eines Wandlers mit einer derartigen isolierten Elektrode dargestellt.
• Eine mögliche Schaltungsanordnung ist in 7 dargestellt. C_Sense wird mit einer niedrigeren Spannung über die Schalter S_a und S₄ und den Spannungsteiler R_1,z vorgeladen. Der Schalter S_a sorgt im ungenutzten Fall dafür, den Spannungsteiler leistungslos zu schalten. Der Spannungsverlauf auf C_Sense folgt der zeitlichen Änderung der eigentlichen Harvester Kapazität C_EH .
• Durch eine geeignete Dimensionierung von R₁ und R₂ wird sichergestellt, dass die Spannung an C_Sense unter allen mechanischen Anregungsbedingungen unterhalb der Betriebsspannung der Batterie liegt. Hierdurch wird eine leistungsärmere Detektion des zeitlichen Verlaufs der Kapazität ermöglicht. Aus dieser Information lassen sich nun die optimalen Schaltzeitpunkte für die Schalter S₁ und S₂ bestimmen. Die Aufgabe des Blocks „Steuerelektronik“ in 7 ist die Detektion der Extrema des Spannungsverlaufs über C_Sense. Aus dieser Information lassen sich die Steuersignale für die Schalter generieren.
• Über die Schalter S_a und S₄ kann C_Sense nachgeladen werden, um ein langsames Entladen durch Leckströme ausgleichen zu können.
• In 7 ist lediglich die Realisierung eines einstufigen Energiewandler dargestellt. Das Prinzip ist allerdings auch auf einen mehrstufigen Wandleraufbau übertagbar.
• Bei den nun nachfolgenden Beispielen wird auf das Betreiben eines kapazitiven Energiewandlers, insbesondere in Hinblick auf kaskadierte Kapazitäten eingegangen. Bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen wurde bereits beschrieben, dass sich der kapazitive Energiewandler gemäß der Ausführungsbeispiele aus 4 und 5 so realisieren lässt, dass eine starre 180° Phasenverschiebung in der zeitlichen Änderung von Teilkapazitäten zustande kommt. Nachfolgend soll ein kaskadiertes Betreiben eines derartigen Energiewandlers mit mehreren Stufen beschrieben werden.
• Einstufige kapazitive Energiewandler, wie in seiner einfachsten Verschaltung in 8 dargestellt, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die weiteren Schaltungsteile, welche zur Extraktion der gewandelten Energie aus der Zwischenspeicherkapazität C_Sto dienen, sind in 8 ausgelassen und können beliebig ausgelegt werden, beispielsweise durch eine Flybackschaltung.
• Wie in 8 dargestellt, existieren grundsätzlich zwei Möglichkeiten, um die Umladung der Kapazitäten vorzunehmen. Dies wäre der Einsatz von Schaltern oder Dioden. Unter der Annahme idealer Bauelemente gibt es keinen Unterschied bei der Energieausbeute bei beiden Varianten. Reale Bauelemente zeigen nichtideale Eigenschaften wie Flussspannung, Einschaltwiderstand, Leckstrom oder Schaltverzögerung. Deshalb kann pauschal keine Aussage getroffen werden, welche Variante die meisten Vorteile bietet. Dies muss im Einzelfall abgewogen werden.
• Ohne Einschränkung wird im Folgenden das Prinzip der Kaskadierung am Beispiel der Schalter-Realisierung erläutert. Mögliche Realisierungen kaskadierter Energiewandler für passive und aktive Dioden sind in 9 und 10 dargestellt.
• Ziel dieses Aufbaus ist es, mit einem gleichen mechanischen Aufbau eine hohe Ausgangsspannung zu erzielen. Bei geringen Bewegungsamplituden würde dies bei einstufiger Verschaltung zu einer Abnahme des Verhältnisses von C_max/C_min und somit zu einer Abnahme der Ausgangsspannung führen.
• Diesem Problem kann begegnet werden, indem der kapazitive Wandler mehrstufig zu betrieben wird. Dies bedeutet, die Aufteilung einer Gesamtkapazität auf Einzelkapazitäten. Beispielhaft kann dies an 4 dargelegt werden: Die in 4 dargestellten Kapazitäten C_o und C_u werden gemäß 13 auf Kapazitäten C1, C3 respektive C2, C4 aufgeteilt und wie im Folgenden beschrieben verschaltet.
  Der Vorteil liegt darin, dass die an der Zwischenspeicherkapazität C_Sto ideal erzielbare Sättigungsspannung (t→∞) sich um die Anzahl der Stufen n potenziert. $$U_{Sto,t\to \infty }=U_{Bat}{\left(\frac{C_{Max}}{C_{Min}}\right)}^n$$

  
• Die an dem Energiewandler maximal tolerierbaren Spannungsamplituden werden primär durch die eingesetzten Schalter und die dazugehörige Steuer- und Energieextraktionselektronik begrenzt.
• Da die aus dem Energiewandler gewonnene Energie mit dem Quadrat der an dem Harvester Kapazitäten C_1,2 auftretenden Spannungen skaliert, lässt sich bei mehrstufigen Wandlern eine Regelung implementieren. Ziel der Regelung ist es, durch ein Umschalten der Anzahl der Stufen das Wandler-System nahe an seinem optimalen Arbeitspunkt der maximalen Energieextraktion, unter Berücksichtigung der zugelassenen Betriebsgrenzen der Bauelemente (insbesondere der Schalter), maximal möglichen Ausgangsspannung, zu halten.
• In den folgenden Erläuterungen bedeutet „kurzzeitig geschlossen“ einen Ein- und Ausschaltezyklus eines Schalters mit einer Einschaltdauer, die einen vollständigen Ladungsausgleich zwischen den beiden geschalteten Kapazitäten ermöglicht, aber auf der anderen Seite vernachlässigbar klein gegenüber Periodendauer der schwingenden Kapazitäten ist. Dies hat zur Folge, dass die Kapazität während des Schaltvorgangs als quasi konstant betrachtet werden kann. Die minimale Einschaltdauer bestimmt sich aus der Zeitkonstante, welche aus dem Einschaltwiderstand der Schalter und den beteiligten Kapazitäten gebildet wird.
• Die folgende Beschreibung des Betriebes einer einstufigen Verschaltung geht davon aus, dass sich auf allen Kapazitäten bereits eine Grundladung befindet. Die angegebenen Größen und die Grundschaltungsanordnung sind der 11 zu entnehmen.
• Als Ausgangszustand für die Beschreibung wird angenommen, dass die mechanische Anregung ein Extremum erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt betragen C₁ = C_1,Max und C₂ = C_2,Min. Hier wird der Schalter S₁ kurzzeitig geschlossen, um C₁ auf U_ln vorzuladen. Weiterhin wird der Schalter S_a kurzzeitig geschlossen, um die gewandelte Energie aus C₂ zu extrahieren.
  Nachdem nun eine halbe Schwingungsperiode vergangen ist, hat die mechanische Anregung das entgegengesetzte Extremum mit C₁ = C_1,Min und C_z = C_2,Max erreicht. Nun werden die komplementären Schalter angesteuert. S₄ wird kurzzeitig geschlossen, um C_z auf U_In vorzuladen und S₅ wird kurzzeitig geschlossen, um die gewandelte Energie aus C₁ zu extrahieren. Der Schalter S₂ bleibt bei der einstufigen Verschaltung dauerhaft ausgeschaltet.
• Die folgende Beschreibung des Betriebes der zweistufigen Verschaltung geht davon aus, dass sich auf allen Kapazitäten bereits eine Grundladung befindet. Die angegebenen Größen und die Grundschaltungsanordnung sind wie bei der Beschreibung der einstufigen Verschaltung der 11 zu entnehmen.
  Als Ausgangszustand für die Beschreibung wird angenommen, dass die mechanische Anregung ein Extremum erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt betragen C₁ = C_1,Max und C_z = C_2,Min. Hier wird der Schalter S₁ kurzzeitig geschlossen, um C₁ auf U_I-n vorzuladen. Weiterhin wird der Schalter S_a kurzzeitig geschlossen, um die gewandelte Energie aus C_z zu extrahieren. Nachdem nun eine halbe Schwingungsperiode vergangen ist, hat die mechanische Anregung das entgegengesetzte Extremum mit C₁ = C_1,Min und C₂= C_2,Max erreicht. Hier wird nun der Schalter S₂ kurzzeitig geschlossen, um die von C₁ gewandelte Energie auf C₂ umzuladen.
• In Abhängigkeit der Extraktionsmethode für die Energie aus C_z kann noch ein zusätzlicher Schaltvorgang vor dem Schalten von S_z eingefügt werden. Falls die Spannung an C_z bereits unter U_I-n gefallen ist, kann der Schalter S₄ kurzzeitig geschlossen werden, um C_z auf U_In vorzuladen. Der Schalter S₅ bleibt bei der zweistufigen Verschaltung dauerhaft ausgeschaltet. Je nach Anregung wird zwischen diesen beiden Verschaltungen gewechselt, um eine optimale Energieextraktion zu ermöglichen, wie oben beschrieben.
• Die folgende Beschreibung des Betriebes der einstufigen Verschaltung geht davon aus, dass sich auf allen Kapazitäten bereits eine Grundladung befindet. Die angegebenen Größen und die Grundschaltungsanordnung sind 12 zu entnehmen.
  Die Schalter S_7,B sind bei der einstufigen Verschaltung dauerhaft geschlossen und die Schalter S_2,2,4 dauerhaft geöffnet.
• Als Ausgangszustand für die Beschreibung wird angenommen, dass die mechanische Anregung ein Extremum erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt beträgt C₁ = C_1,Max, C₂ = C_2,Min, C₃ = C_3,Max und C₄ = C_4,Min. Hier wird der Schalter S₁ kurzzeitig geschlossen, um C_1,3 auf U_In vorzuladen. Weiterhin wird der Schalter S₅ kurzzeitig geschlossen, um die gewandelte Energie aus C_2,4 zu extrahieren. Nachdem nun eine halbe Schwingungsperiode vergangen ist, hat die mechanische Anregung das entgegengesetzte Extremum mit C₁ = C_1,Min, C₂ = C_2,Max, C₃ = C_3,Min und C₄ = C_4,Max. erreicht. Nun werden die komplementären Schalter angesteuert. S₆ wird kurzzeitig geschlossen, um C_2,4 auf U_In vorzuladen und S₉ wird kurzzeitig geschlossen, um die gewandelte Energie aus C_1,3 zu extrahieren.
• Die folgende Beschreibung des Betriebes der zweistufigen Verschaltung geht davon aus, dass sich auf allen Kapazitäten bereits eine Grundladung befindet. Die angegebenen Größen und die Grundschaltungsanordnung sind ebenfalls 12 zu entnehmen.
• Die Schalter S_7,8 sind bei der zweistufigen Verschaltung dauerhaft geschlossen und die Schalter S_2,4,9 dauerhaft geöffnet. Als Ausgangszustand für die Beschreibung wird angenommen, dass die mechanische Anregung ein Extremum erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt beträgt C₁ = C_1,Max, C₂ = C_2,Min, C₃ = C_3,Max und C₄ = C_4,Min. Hier wird der Schalter S₁ kurzzeitig geschlossen, um C_1,3 auf U_ln vorzuladen. Weiterhin wird der Schalter S₅ kurzzeitig geschlossen, um die gewandelte Energie aus C_2,4 zu extrahieren.
• Nachdem nun eine halbe Schwingungsperiode vergangen ist, hat die mechanische Anregung das entgegengesetzte Extremum mit C₁ = C_1,Min, C₂ = C_2,Max, C₃ = C_3,Min und C₄, = C_4,Max. erreicht. Hier wird nun der Schalter S₃ kurzzeitig geschlossen, um die von C_1,3 gewandelte Energie auf C_2,4 umzuladen. (In Abhängigkeit der Extraktionsmethode für die Energie aus C_2,4 kann noch ein zusätzlicher Schaltvorgang vor dem Schalten von S₃ eingefügt werden. Falls die Spannung an C_2,4 bereits unter U_ln gefallen ist, kann der Schalter S₆ kurzzeitig geschlossen werden, um C_2,4 auf U_ln vorzuladen.
• Die folgende Beschreibung des Betriebes der vierstufigen Verschaltung geht davon aus, dass sich auf allen Kapazitäten bereits eine Grundladung befindet. Die angegebenen Größen und die Grundschaltungsanordnung sind ebenfalls 12 zu entnehmen.
• Die Schalter S_8,9 sind bei der vierstufigen Verschaltung dauerhaft geöffnet. Als Ausgangszustand für die Beschreibung wird angenommen, dass die mechanische Anregung ein Extremum erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt betragen C₁ = c_1,Max, C_z = C_2,Min, C_a = C_3,Max und C₄ = C_4,Min. Der Schalter S₁ kurzzeitig geschlossen, um C₁ auf U_I-n vorzuladen. Hier wird nun der Schalter S_a kurzzeitig geschlossen, um die von C_z gewandelte Energie auf C_a umzuladen.
• Falls die Spannung an C_a bereits unter U_In gefallen ist, kann vor dem Schalten von S_a noch ein zusätzlicher Schaltvorgang eingefügt werden für S₁₀ eingefügt werden, um C₃ auf C_ln vorzuladen. Weiterhin wird der Schalter S₅ kurzzeitig geschlossen, um die von C₄ gewandelte Energie zu extrahieren.
• Nachdem nun eine halbe Schwingungsperiode vergangen ist, hat die mechanische Anregung das entgegengesetzte Extremum mit C₁ = C_1,Min, C_z = C_2,Max, C_a = C_3,Min und C₄ = C_4,Max. erreicht. Hier wird nun der Schalter S_z kurzzeitig geschlossen, um die von C₁ gewandelte Energie auf C_z umzuladen. Weiterhin wird der Schalter S₄ kurzzeitig geschlossen, um die von C_a gewandelte Energie auf C₄ , umzuladen. (Falls die Spannung an C_a bzw. C_a bereits unter U_In gefallen ist, kann vor dem Schalten von S_z bzw. S_4, noch ein zusätzlicher Schaltvorgang eingefügt werden für S₆ bzw. S₁₁ eingefügt werden, um C_z bzw. C₄ , auf U_In vorzuladen.)
• Dieses Funktionsprinzip setzt sich für Energiewandler mit einer höheren Anzahl von Stufen analog fort.
• Der erfindungsgemäße kapazitive Energiewandler sowie die Verfahren zum Betreiben des Energiewandlers wurden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im Rahmen fachmännischen Handelns sind weitere Ausführungsformen möglich. Diese ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen.
• Bezugszeichenliste

A

feste Elektrode

B

schwingungsfähige Elektrode

1

Stator-Elektrode

2

Schwing-Elektrode

3

Aufhängung

4

Finger in Kammstruktur

5

Top-Elektrode

6

Down-Elektrode

7

Zwischenschicht

8

erste einzelne Stator-Elektrode

9

zweite einzelne Stator-Elektrode

10

dritte einzelne Stator-Elektrode

11

vierte einzelne Stator-Elektrode

Claims (9)

1. Kapazitiver Energiewandler für mikro- und feinwerktechnische Systeme zur Umwandlung kinetischer Energie aus einer in einer Umgebung vorhandenen Vibration in elektrische Energie im elektrostatischen Feld, umfassend eine kapazitive Anordnung aus relativ zueinander bewegbaren Elektroden in einer out-of-plane-Konfiguration, bestehend aus einer Stator-Elektrode (1) mit einem Rahmen und einer schwingungsfähig aufgehängten Schwing-Elektrode (2), wobei der Körper der Schwing-Elektrode parallel zur Ebene des Körpers der Stator-Elektrode orientiert ist, die kapazitive Anordnung durch eine Kontur der Schwing-Elektrode und eine dazu korrespondierende Kontur der Stator-Elektrode ausgebildet ist, und die Relativbewegung der beiden Elektroden senkrecht zur Ebene der Elektrodenanordnung erfolgt, wobei für die Schwing-Elektrode durch den Rahmen der Stator-Elektrode hindurch Schwingbewegungen ausführbar sind, wobei sich dabei die kapazitiv wirksame Fläche zwischen den sich gegenüberstehenden Konturen der Stator-Elektrode und der Schwing-Elektrode ändert.
2. Kapazitiver Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur der Schwing-Elektrode (2) eine Kammstruktur aus einer Vielzahl von Fingern (4) hat, und die Innenkontur der Stator-Elektrode (1) eine zur Kammstruktur der Schwing-Elektrode korrespondierende Kammstruktur aufweist.
3. Kapazitiver Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stator-Elektrode (1) einen Sandwichaufbau aus einer Top-Elektrode (5) und einer Down-Elektrode (6) mit einer isolierenden Zwischenschicht (7) aufweist, wobei durch die Auslenkung der Schwing-Elektrode der Bereich der Top-Elektrode und der Down-Elektrode überstreichbar ist.
4. Kapazitiver Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwing-Elektrode (2) an einer piezoelektrisch aktiven Aufhängung angeordnet ist, wobei die piezoelektrisch aktive Aufhängung als zusätzlicher piezoelektrischer Energiewandler betreibbar ist.
5. Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Energiewandlers, der einer mechanischen Anregung unterliegt, umfassend eine kapazitive Anordnung aus relativ zueinander bewegbaren Elektroden, wobei eine Stator-Elektrode (1) mit einem Rahmen und eine Schwing-Elektrode (2) sich innerhalb einer Ebene befinden und eine Aufhängung (3) der Schwing-Elektrode (2) nur Schwingungen in einer zu dieser Ebene senkrechten Richtung zulässt, wobei für die Schwing-Elektrode durch den Rahmen der Stator-Elektrode hindurch Schwingbewegungen ausführbar sind, wobei sich dabei die kapazitiv wirksame Fläche zwischen den sich gegenüberstehenden Konturen der Stator-Elektrode und der Schwing-Elektrode ändert, wobei eine kontinuierliche Bestimmung eines Zeitpunktes einer maximalen und/oder minimalen Kapazität bei variabler mechanischer Anregung wie folgt ausgeführt wird: - Anordnen einer Sensor-Kapazität (Csense) im Bereich der Elektroden, bestehend aus einem von der übrigen Elektrodenanordnung isolierten Teilbereich in Form mindestens einer Sensor-Elektrode, - Vorladen der Sensor-Kapazität, - Abgreifen eines zeitlichen Spannungsverlaufs an der Sensor-Kapazität und Auswerten des zeitlichen Spannungsverlaufs.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkapazität eine Schalteranordnung (S4; S5) und eine Spannungsteilerschaltung (R1; R2) zugeordnet ist, wobei über die Spannungsteilerschaltung die Sensorspannung einstellbar ist und einer der Schalter für ein Schalten des Spannungsteilers auf einen leistungslosen Zustand vorgesehen ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass über die Schalteranordnung (S4; S5) ein Nachladen der Sensor-Kapazität zum Ausgleichen von Entladungs-Leckströmen ausführbar ist.
8. Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Energiewandlers, wobei durch eine Schwingungsanregung die Kapazität einer kapazitiven Elektrodenanordnung geändert wird und zwischen einem Wert Cmin und Cmax schwingt, gekennzeichnet durch ein mehrstufiges Betreiben des Energiewandlers in einer Kaskadenschaltung, bei der eine Gesamtkapazität des Energiewandlers schaltungstechnisch auf mindestens zwei Teilkapazitäten verteilt ist, wobei beim Erreichen einer ersten Amplitude in einer ersten Halbperiode einer äußeren mechanischen Anregung eine erste Teilkapazität maximal und eine zweite Teilkapazität minimal ist und beim Erreichen einer zweiten Amplitude in einer zweiten Halbperiode die erste Teilkapazität minimal und die zweite Teilkapazität maximal ist, wobei in einem Kaskadenbetrieb erster Art bei der ersten und bei der zweiten Amplitude jeweils ein Vorladen der momentan maximalen Teilkapazität und ein Extrahieren eines gewandelten Energiebetrages aus der momentan minimalen Teilkapazität erfolgt, oder in einem Kaskadenbetrieb zweiter Art beim Erreichen der zweiten Amplitude innerhalb der zweiten Halbperiode ein Umladen eines von einer der beiden Teilkapazitäten gewandelten Energiebetrages auf die jeweils andere Teilkapazität erfolgt, wobei ein aktives Umschalten zwischen dem Kaskadenbetrieb der ersten Art und dem Kaskadenbetrieb der zweiten Art in Abhängigkeit von dem momentan vorliegenden mechanischen Anregungszustand erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den Kaskadenbetrieb zweiter Art ein Kaskadenbetrieb n-ter Stufe vorgesehen ist, bei dem n Teilkapazitäten vorgesehen sind, wobei bei dem Erreichen jeweils einer Amplitude der äußeren Anregung ein kaskadenartiges Umladen eines von einer n-ten Teilkapazität gewandelten Energiebetrages auf eine n-1-te Teilkapazität erfolgt, wobei innerhalb des Kaskadenbetriebes der gewandelte Energiebetrag durch die Kaskadenschaltung an eine an der ersten Teilkapazität angeordnete Energieextraktionsschaltung gefördert wird.

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