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Die Erfindung betrifft einen Biegewandler mit einem Biegeelement sowie ein energieautarkes Mikrosystem.
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Sensoren finden derzeit viele neue Anwendungsgebiete. Diese konzentrieren sich beispielsweise auf die Automobilindustrie, die Industrieautomatisierung oder die Medizintechnik.
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Häufig ist es zweckmäßig, Mikrosysteme, beispielsweise Sensorsysteme, energieautark zu betreiben. Hierzu wird an Stelle einer klassischen Energieversorgung durch Batterien Energie aus der direkten Umgebung genutzt. Dazu wird die in der Umgebung vorhandene Primärenergie, beispielsweise mechanische Energie, mittels Energiewandler, etwa auf dem Gebiet des „energy harvesting“, in für Mikrosysteme nutzbare elektrische Energie gewandelt. Mikrosysteme mit solchen Energiewandlern können folglich kabellos und wartungsfrei betrieben werden.
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Zunehmend werden Mikrosysteme mit Energiewandlern in MEMS-Technologie (MEMS = „Micro Elektro Mechanical Systems“, also mikroelektromechanische Systeme) eingesetzt. In derartigen Systemen werden Energiewandler eingesetzt, welche mechanische Umgebungsenergie nutzen, um ein Biegeelement des Biegewandlers in Schwingung zu versetzen. Die mechanische Vibrationsenergie des Biegeelements kann nachfolgend mittels piezoelektronischer Effekte, kapazitiver und/oder induktiver oder weiterer Verfahren in elektrische Energie gewandelt werden.
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Es ist vor dem Hintergrund des Standes der Technik Aufgabe der Erfindung, einen Biegewandler anzugeben, welcher mechanische Energie besonders effizient in elektrische Energie wandeln kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein energieautarkes Mikrosystem anzugeben, welches eine besonders effiziente Energieversorgung aufweist.
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Diese Aufgabe wird mit einem Biegewandler mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Biegewandler mit den in Anspruch 15 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzuge Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
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Der erfindungsgemäße Biegewandler weist zumindest ein Biegeelement auf. Weiterhin umfasst der Biegewandler einen Koppelbereich, an welchem das Biegeelement mittels einer phononischen Kristallstruktur angebunden ist.
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Zweckmäßiger Weise umfasst der Biegewandler ein weiteres Bauelement, welches den Koppelbereich aufweist. Das Biegeelement und das weitere Bauelement sind somit über diesen Koppelbereich miteinander verbunden. Zweckmäßiger Weise ist das weitere Bauelement ein Substrat oder ein Handhabungsteil des Biegewandlers, mittels welchem der Biegewandler einstückig oder einteilig handhabbar ist, etwa ein Handhabungsblock.
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Über die Anbindung des Biegeelements an den Koppelbereich mittels der phononischen Kristallstruktur lassen sich Dämpfungsverluste im Koppelbereich deutlich verringern und die erzielbare Güte des Biegewandlers erheblich erhöhen: Wird das Biegeelement des Biegewandlers zu Schwingungen angeregt, so breitet sich typischerweise Körperschall im Biegeelement aus. Dieser Körperschall kann in herkömmlichen Biegewandlern in den Koppelbereich einkoppeln und darüber hinaus über den Koppelbreich in weitere, an den Koppelbereich schallgekoppelte, Festkörperelemente übergehen. Auf diese Weise verliert das Biegeelement Energie in Form von Schallenergie, wenn der Körperschall das Biegeelement verlässt.
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Vermittels der Anbindung des Biegeelements mittels einer phononischen Kristallstruktur hingegen lässt sich diese Energiedissipation des Biegeelements reduzieren. Denn phononische Kristallstrukturen weisen in der Regel Bandlücken, das heißt Frequenzbereiche, in welchen sich Körperschall mit Frequenzen dieses Frequenzbereichs nicht durch die phononische Kristallstruktur hindurch ausbreiten kann. Vermittels der phononischen Kristallstruktur lässt sich das Biegeelement folglich effizient vom Koppelbereich des Biegewandlers schallentkoppeln.
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Zweckmäßiger Weise ist das Biegeelement vermittels einer zweidimensionalen phononischen Kristallstruktur an den Koppelbereich angebunden. Eine solche zweidimensionale phononische Kristallstruktur ist insbesondere mittels (Tiefen-)Trockenätzen auf (DRIE = „Deep Reactive Ion Etching“) gefertigt.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Biegewandlers ist die phononische Kristallstruktur eine dreidimensionale phononische Kristallstruktur. Geeigneter Weise ist die dreidimensionale phononische Kristallstruktur mittels eines elektrochemischen Ätzverfahrens mit Flusssäure (HF) gefertigt. Insbesondere ist die phononische Kristallstruktur als poröses Silizium ausgebildet. Idealerweise ist die phononische Kristallstruktur durch Variation von Prozessparametern wie insbesondere der Lichtintensität und/oder des elektrischen Stroms gefertigt.
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Vorteilhafterweise ist bei dem erfindungsgemäßen Biegewandler das Biegeelement an dem Koppelbereich festgelegt. Bereiche des Biegeelements, welche vom Koppelbereich beanstandet sind, lassen sich so in der Art von Biegeschwingungen des Biegeelements auslenken. Der Koppelbereich bildet demnach einen Knoten der angeregten Biegeschwingungen.
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Geeigneterweise weist bei dem erfindungsgemäßen Biegewandler die phononische Kristallstruktur eine phononische Bandlücke auf. In dieser Weiterbildung weist das Biegeelement zweckmäßigerweise eine Resonanzfrequenz auf, welche innerhalb dieser Bandlücke befindlich ist. In typischen Anwendungen von Biegewandlern schwingt das Biegeelement im Betriebsfall mit seiner Resonanzfrequenz. Dementsprechend sind Energieverluste bei Frequenzen der Resonanzfrequenz über den Koppelbereich bei herkömmlichen Biegewandlern besonders hoch. In der vorstehend erläuterten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Biegewandlers hingegen kann sich gerade Körperschall mit der Resonanzfrequenz des Biegeelements nicht durch die phononische Kristallstruktur hindurch und somit auch nicht in den Koppelbereich hinein ausbreiten. Folglich sind die Energieverluste besonders wirksam reduziert und die Energieeffizienz des Biegewandlers ist deutlich erhöht
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Bevorzug ist bei dem erfindungsgemäßen Biegewandler das Biegeelement ein piezoelektronisches Biegeelement. Mittels eines piezoelektronischen Biegeelements lässt sich mechanische Energie über den piezoelektronischen Effekt besonders leicht in elektrische Energie umwandeln. Zweckmäßigerweise umfasst das Biegeelement eine zwischen zwei schichtartig ausgebildeten Elektroden befindliche piezoelektrische Schicht, welche gemeinsam mit den beiden Elektroden schichtartig auf eine biegfähige Trägerschicht aufgebracht ist. Bevorzugt ist diese Trägerschicht mit oder aus Silizium gebildet. Die piezoelektrische Schicht ist bevorzugt aus oder mit einer Piezokeramik, insbesondere PZT, gebildet.
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Alternativ oder zusätzlich zu vorgenannten Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Biegewandlers ist bei dem Biegewandler das Biegeelement ein kapazitives oder induktives Biegeelement.
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Idealerweise ist bei dem erfindungsgemäßen Biegewandler das Biegeelement ein Biegebalken. Zweckmäßiger Weise weist der Biegebalken zwei einander abgewandte Flachseiten auf, welche sich entlang einer Längsachse des Biegebalkens erstrecken. Mithin weist der Biegebalken eine definierte Geometrie auf, entlang welcher sich Körperschallwellen in definierter Weise ausbreiten. Somit lässt sich ein phononischer Kristall einfach hinsichtlich ausgezeichneter Kristallrichtungen der phononischen Kristallstruktur an das Biegeelement anpassen.
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Idealerweise ist bei dem erfindungsgemäßen Biegewandler der Koppelbereich mit einem Einspannbereich für den Biegebalken gebildet. Entsprechend ist der Biegebalken, insbesondere an zwei Einspannflächen des Einspannbereichs, in Kontakt. Auf diese Weise ist eine mechanische Kopplung von Biegebalken und Koppelbereich besonders klar definiert. In dieser Weiterbildung lässt sich die phononische Kristallstruktur einfach an des Biegeelement anpassen.
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Zweckmäßig ist bei dem erfindungsgemäßen Biegewandler zumindest der Koppelbereich zumindest bereichsweise mit einer phononischen Kristallstruktur gebildet. Idealerweise ist die phononische Kristallstruktur eine dreidimensionale phononische Kristallstruktur, das heiß insbesondere weist die phononische Kristallstruktur in allen drei Raumrichtungen eine phononische Bandlücke auf. In dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Biegewandlers ist insbesondere bei flächiger Anlage des Biegeelements mittels Anlageflächen an den Koppelbereich eine phononische Kopplung senkrecht zu diesen Anlageflächen wirksam gemindert oder vermieden.
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Alternativ oder zusätzlich ist bei dem erfindungsgemäßen Biegewandler das Biegeelement vorteilhaft zumindest bereichsweise mit einer phononischer Kristallstruktur gebildet. In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Biegewandlers ist bei einer flächigen Erstreckung des Biegeelements, etwa mit einander abgewandten Flachseiten, die phononische Kristallstruktur als zweidimensionale phononische Kristallstruktur gebildet, wobei die zweidimensionale phononische Kristallstruktur sich entlang der flächigen Erstreckungsrichtungen des Biegeelements erstreckt. Auf diese Weise ist eine Ausbreitung von Körperschallwellen entlang der flächigen Erstreckung des Biegeelements wirksam vermieden.
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Insbesondere ist bei dem erfindungsgemäßen Biegewandler der Koppelbereich bevorzug in der Art eines Vorsprungs ausgebildet. Zweckmäßigerweise bildet dieser Vorsprung zumindest einen Teil eines Einspannbereichs für das Biegeelement, idealerweise für ein Biegeelement in Gestalt eines Biegebalkens. Bevorzug ist bei dem erfindungsgemäßen Biegewandler der Biegebalken als Flachteil mit zumindest einer Flachseite ausgebildet, wobei die Flachseite an dem Koppelbereich angebunden ist. Insbesondere in dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Biegewandlers ist die mechanische Kopplung zwischen Biegeelement und Koppelbereich, und damit der zu vermeidende phononische Transferweg, besonders leicht handhabbar ausgebildet.
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Zweckmäßiger Weise weist bei dem erfindungsgemäßen Biegewandler das Biegeelement einen schwingfähigen Bereich auf, welcher sich, zumindest in einem unausgelenkten Zustand des Biegeelements, in einer Längsachse von einem Koppelbereich vorstreckt, wobei sich zumindest ein Teil der phononischen Kristallstruktur in Richtung der Längsachse an ein dem Koppelbereich nahes Längsende des Biegeelements anschließt oder dieses bildet.
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Alternativ und ebenfalls bevorzugt weist bei dem erfindungsgemäßen Biegewandler das Biegeelement einen schwingfähigen Bereich auf, welcher sich, zumindest in einem unausgelenkten Zustand des Biegeelements, in einer Ebene vom Koppelbereich fortstreckt, wobei sich zumindest ein Teil der phononischen Kristallstruktur in der Ebene an einen der dem Koppelbereich nahen Rand des Biegeelements anschließt oder diesen bildet.
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Zweckmäßiger Weise ist in beiden vorgenannten Weiterbildungen die phononische Kristallstruktur als zweidimensionale phononische Kristallstruktur ausgebildet, welche sich in Richtung der Längsachse oder in Richtung der Ebene erstreckt.
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Dabei weist bei dem erfindungsgemäßen Biegewandler die phononische Kristallstruktur zumindest in Richtung der Längsachse oder zumindest in Richtung der Ebenen eine Bandlücke auf. Dabei weist das Biegeelement zweckmäßiger Weise eine Resonanzfrequenz auf, welche innerhalb dieser Bandlücke liegt.
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Das erfindungsgemäße energieautarke Mikrosystem ist insbesondere ein Sensorsystem. Erfindungsgemäß weist das energieautarke Mikrosystem einen Biegewandler wie zuvor erläutert auf.
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Zweckmäßigerweise weist das energieautarke Mikrosystem einen Energiespeicher auf, welcher zur Speicherung der vom Biegewandler gewandelten elektrischen Energie ausgebildet ist. Bevorzugt weist das energieautarke Mikrosystem einen Sensor und/oder einen Aktuator auf. Zweckmäßiger Weise ist der Sensor und/oder der Aktuator zur Bespeisung mit der von dem erfindungsgemäßen Biegewandler gewandelten Energie ausgebildet. Besonders bevorzugt weist das energieautarke Mikrosystem eine Kommunikationseinrichtung, insbesondere zur drahtlosen Kommunikation auf, welche mit dem Sensor und/oder Aktuator signalverbunden ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 schematisch einen erfindungsgemäßen Biegewandler eines erfindungsgemäßen energieautarken Mikrosystems schematisch im Querschnitt,
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2 ein Ausführungsbeispiel des Biegeelements und des Koppelbereichs des erfindungsgemäßen Biegewandlers gemäß 1 schematisch in einer Draufsicht,
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3 Biegeelement und Koppelbereich gemäß 2 schematisch in einer Draufsicht und im Querschnitt,
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4 ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Biegewandlers gemäß 1 schematisch im Querschnitt und
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5 das Biegeelement und den Koppelbereich gemäß 4 schematisch in einer Detailskizze im Querschnitt.
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Die erfindungsgemäßen Biegewandler, wie sie in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, weisen hinsichtlich des Biegeelements und des Koppelbereichs die in 1 dargestellte Struktur auf. Wie in 1 dargestellt ist das Biegeelement stets als Biegebalken 5 ausgebildet, welcher eine quaderförmige Struktur mit einander abgewandten Flachseiten 10, 15 aufweist. Der Biegebalken 5 weist ein freies, schwingfähiges Längsende FLE auf. Das übrige Längsende SLE ist mittels in 1 nicht eigens dargestellter Spannmittel entlang eines Längsabschnitts 28 flächig auf eine Flachseite 30 einer Handhabe, hier eines Handhabungsblocks 35 in Form eines quaderförmigen Blocks aufgespannt.
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Wie in 2 dargestellt ist der Biegebalken 5 entlang seines freien, schwingfähigen Längsabschnitt 40 massiv und unstrukturiert ausgebildet. Entlang des Längsabschnitt 28, welcher mit dem Handhabungsblock 35 zur Anlage gelangt, ist der Biegebalken 5 in der Art eines phononischen Kristalls 45 ausgebildet. Der Anlageblock 35 ist aus einer phononischen Kristallstruktur 50 gebildet. Sowohl der phononische Kristall 45 des Biegebalkens 5 als auch der phononische Kristall 50 des Anlageblocks 35 sind jeweils als zweidimensionale phononische Kristallstruktur ausgebildet, das heißt wie in 3 dargestellt weisen die phononischen Kristallstrukturen 45, 50 eine Periodizität entlang der Erstreckungsrichtungen der Flachseiten 10, 15 des Biegebalkens 5 auf.
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In dem in 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die phononische Kristallstrukturen 45, 50 als quadratische Lochgitter mit kreiszylindrischen Löchern ausgebildet. Die Periodizität dieses quadratischen Lochgitters weist Einheitszellen mit Abmessungen im Mikrometerbereich auf. Auf diese Weise weisen die phononischen Kristallstrukturen Bandlücken im Megahertz- bis Gigahertzbereich auf. Der Biegebalken 5 weist eine Resonanzfrequenz auf, die in der phononischen Bandlücke der phononischen Kristallstrukturen 45, 50 liegt.
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Das in den 2 und 3 dargestellte Ausführungsbeispiel ist hinsichtlich der phononischen Kristallstrukturen 45, 50 mittels (Tiefen-)Trockenätzens (DRIE = „Deep Reactive Ion Etching“) realisiert. Der Körperschall des Biegebalkens 5 kann sich nicht entlang der Längsachse L des Biegebalkens 5 ausbreiten.
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Das in den 4 und 5 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht dem in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel mit Ausnahme der Gitterstruktur der phononischen Kristallstruktur 45; 50; von Biegebalken 5- und Handhabungsblock 35.
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Die Kristallstrukturen 45 des Biegebalkens 5 und 50 des Handhabungsblocks 35 sind in dem in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel als dreidimensionale phononische Kristallstruktur ausgebildet. Die Kristallstrukturen 45; 50; weisen dabei identische Abmessungen der Einheitszellen verglichen mit denjenigen Einheitszellen des Ausführungsbeispiels gemäß 2 und 3 auf.
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Hergestellt sind diese dreidimensionalen phononischen Kristallstrukturen 45, 50 mittels eines elektrochemischen Ätzverfahrens mit Flusssäure (HF). Dabei sind Handhabungsblock 35 und Biegebalken 5 ursprünglich aus massivem Silizium ausgebildet, in welches einander berührende oder durchdringende sphärische Poren 52 eingebracht sind. Die Durchmesser dieser Poren sind dabei mittels der Variation von Prozessparametern wie beispielsweise der Lichtintensität und/oder des elektrischen Stroms variiert, um die sphärische Gestalt der einzelnen Poren 55 zu erreichen.
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Des Weiteren können in nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen den in den 2 und 3 bzw. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen entsprechen, die erzeugten Hohlräume auch andere Formen aufweisen, beispielsweise Wabenstrukturen (z. B. mittels Rapid Prototyping und/oder Laserintern gefertigt).
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Wie in 5 dargestellt sind Biegebalken 5 und Handhabungsblock 35 als Siliziumschicht ausgebildet. Der Biegebalken 5 umfasst an seiner dem Handhabungsblock 35 nahen Flachseite 15 eine flächige Trägerschicht 60. An ihrer vom Handhabungsblock 35 abgewandten Flachseite weist die Trägerschicht 60 eine flächige, an ihren Flachseiten von flächigen Platinelektroden 65 eingefasste piezoelektronische Schicht 70 aus PZT auf. Die Trägerschicht 60 des Biegebalkens 5 ist mittels Bondpads 80 aus Gold oder Titan gegen den Handhabungsblock 35 gespannt. Die in 5 dargestellte Ausbildung des freien Längsendes FLE des Biegebalkens 5 ist dabei auf sämtliche Ausführungsbeispiele wie zuvor beschrieben übertragbar.
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Das erfindungsgemäße energieautarke System (nicht explizit dargestellt) weist einen Biegewandler wie zuvor beschrieben auf. Das energieautarke System umfasst zudem wie von energieautarken System mit herkömmlichen Biegewandlern bekannt eine elektrische Schaltung, an welche der Biegewandler elektrisch angebunden ist. Die elektrische Schaltung umfasst ferner eine Energiespeichereinrichtung, mittels welcher die vom Biegewandler bereitgestellte elektrische Energie gespeichert werden kann.
