DE102018128130A1

DE102018128130A1 - Mikroelektromechanisches-System(MEMS)-Trägheitssensoren mit Energieerntern und zugehörige Verfahren

Info

Publication number: DE102018128130A1
Application number: DE102018128130.7A
Authority: DE
Inventors: Xin Zhang
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2019-05-23
Anticipated expiration: 2038-11-10
Also published as: US20190154725A1; CN109813932B; CN109813932A; EP3486661B1; US10761108B2; EP3486661A1; DE102018128130B4

Abstract

Eine Mikroelektromechanisches-System(MEMS)-Einrichtung ist beschrieben. Die MEMS-Einrichtung kann Trägheitssensoren und Energieernter zum Umwandeln mechanischer Vibrationsenergie in elektrische Energie aufweisen. Die geerntete Energie kann verwendet werden, um einen elektronischen Schaltkreis mit Leistung zu versorgen, wie etwa den Schaltkreis, der zum Erfassen einer Beschleunigung von den Trägheitssensoren verwendet wird. Die Trägheitssensoren und die Energieernter können auf demselben Substrat angeordnet sein und können dieselbe Prüfmasse teilen. Die Energieernter können piezoelektrische Materialschichten aufweisen, die auf einer flexiblen Struktur angeordnet sind. Wenn sich die flexible Struktur als Reaktion auf eine Vibration biegt, entsteht eine Belastung in der piezoelektrischen Materialschicht, was zu der Erzeugung von Elektrizität führt. Beispiele für Trägheitssensoren schließen Beschleunigungsmesser und Gyroskope ein.

Description

GEBIET DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Mikroelektromechanisches-System(MEMS)-Trägheitssensoren.
HINTERGRUND
Manche MEMS-Beschleunigungsmesser weisen eine Prüfmasse auf, die dazu ausgebildet ist, sich als Reaktion auf Beschleunigung zu bewegen. Das Ausmaß, zu dem sich die Prüfmasse bewegt, liefert eine Angabe über den Betrag der Beschleunigung. Manche MEMS-Beschleunigungsmesser verwenden kapazitive Sensoren, um die Amplitude der Bewegung der Prüfmasse zu detektieren.
KURZDARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung ist eine Mikroelektromechanisches-System(MEMS)-Einrichtung bereitgestellt. Die MEMS-Einrichtung kann Trägheitssensoren und Energieernter zum Umwandeln mechanischer Vibrationsenergie in elektrische Energie aufweisen. Die geerntete Energie kann verwendet werden, um einen elektronischen Schaltkreis mit Leistung zu versorgen, wie etwa den Schaltkreis, der zum Erfassen einer Beschleunigung mit den Trägheitssensoren verwendet wird. Die Trägheitssensoren und die Energieernter können auf demselben Substrat angeordnet sein und können dieselbe Prüfmasse teilen. Die Energieernter können piezoelektrische Materialschichten aufweisen, die auf einer flexiblen Struktur angeordnet sind. Wenn sich die flexible Struktur als Reaktion auf eine Vibration biegt, entsteht eine Belastung in der piezoelektrischen Materialschicht, was zu der Erzeugung von Elektrizität führt. Beispiele für Trägheitssensoren schließen Beschleunigungsmesser und Gyroskope ein.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Anmeldung ist eine Mikroelektromechanisches-System(MEMS)-Einrichtung bereitgestellt. Die MEMS-Einrichtung kann Folgendes aufweisen: ein Substrat mit einer oberen Oberfläche; einen Trägheitssensor, der eine mit dem Substrat gekoppelte Prüfmasse aufweist, wobei der Trägheitssensor dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der Prüfmasse entlang wenigstens einer Achse zu erfassen; und einen Energieernter, der eine piezoelektrische Materialschicht aufweist, die zwischen dem Substrat und der Prüfmasse gebildet ist, wobei die piezoelektrische Materialschicht dazu ausgebildet ist, ein elektrisches Signal als Reaktion auf eine Bewegung der Prüfmasse in einer Richtung zu erzeugen, die senkrecht zu der oberen Oberfläche des Substrats ist.
Die wenigstens eine Achse kann parallel zu der oberen Oberfläche des Substrats sein.
Die wenigstens eine Achse kann eine erste Achse sein und der Trägheitssensor kann ferner dazu ausgebildet sein, eine Bewegung der Prüfmasse entlang einer zweiten Achse zu detektieren, die senkrecht zu der ersten Achse und parallel zu der oberen Oberfläche des Substrats ist.
Die piezoelektrische Materialschicht kann auf einem Balken gebildet sein, der zwischen der Prüfmasse und dem Substrat angeordnet ist.
Der Trägheitssensor kann dazu ausgebildet sein, eine Bewegung der Prüfmasse durch Erfassen einer Variation einer Kapazität eines Erfassungskondensators zu erfassen, der zwischen der Prüfmasse und dem Balken gebildet ist.
Der Balken kann dazu ausgebildet sein, sich als Reaktion auf eine Bewegung der Prüfmasse relativ zu der oberen Oberfläche des Substrats zu biegen.
Die Prüfmasse und der Balken können eine Aussparung bilden, wobei die Aussparung dazu ausgebildet ist, sich als Reaktion auf eine Bewegung der Prüfmasse relativ zu der oberen Oberfläche des Substrats zu verformen.
Der Trägheitssensor kann einen Beschleunigungsmesser aufweisen, der dazu ausgebildet ist, eine Beschleunigung entlang der wenigstens einen Achse durch Erfassen einer Bewegung der Prüfmasse entlang der wenigstens einen Achse zu erfassen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Anmeldung ist eine Mikroelektromechanisches-System(MEMS)-Einrichtung bereitgestellt. Die MEMS-Einrichtung kann Folgendes aufweisen: ein Substrat; einen piezoelektrischen Energieernter, der Folgendes aufweist: einen Balken, der mit dem Substrat gekoppelt ist, wobei wenigstens ein Teil des Balkens eine piezoelektrische Materialschicht aufweist; eine Prüfmasse, die mit dem Balken gekoppelt ist; und einen Trägheitssensor, der Folgendes aufweist: eine erste Elektrode, die mit der Prüfmasse gekoppelt ist; und eine zweite Elektrode, die mit dem Balken gekoppelt ist.
Das piezoelektrische Material kann dazu ausgebildet sein, ein elektrisches Signal als Reaktion auf eine Bewegung der Prüfmasse aus der Ebene heraus zu erzeugen.
Der Trägheitssensor kann dazu ausgebildet sein, eine Bewegung der Prüfmasse in der Ebene basierend auf einem Erfassungssignal zu erfassen, das durch die erste und zweite Elektrode erzeugt wird.
Die MEMS-Einrichtung kann ferner eine Aussparung aufweisen, die zwischen der Prüfmasse und dem Balken gebildet ist, wobei die erste Elektrode innerhalb der Aussparung angeordnet ist.
Der piezoelektrische Energieernter kann ferner eine dritte und vierte Elektrode aufweisen, die auf gegenüberliegenden Seiten der piezoelektrischen Materialschicht angeordnet sind.
Die piezoelektrische Materialschicht kann eine Rotationssymmetrie relativ zu einer Achse senkrecht zu einer oberen Oberfläche des Substrats aufzeigen und einen oder mehrere Spalte aufweisen.
Die Prüfmasse weist bevorzugt eine Höhe auf, die zwischen 500 µm und 5 mm liegt.
Der Trägheitssensor kann ein erster Trägheitssensor sein und der Balken ist ein erster Balken und die MEMS-Einrichtung kann ferner einen zweiten Trägheitssensor mit einer dritten Elektrode, die mit der Prüfmasse gekoppelt ist, und einer vierten Elektrode, die mit einem zweiten Balken gekoppelt ist, der zwischen dem Substrat und der Prüfmasse angeordnet ist, aufweisen, wobei der erste und zweite Trägheitssensor dazu ausgebildet sind, eine Bewegung differenziell zu erfassen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Anmeldung ist ein Verfahren zur Erfassung einer Bewegung unter Verwendung einer Mikroelektromechanisches-System(MEMS)-Einrichtung bereitgestellt. Das Verfahren kann Folgendes aufweisen: Umwandeln von Vibrationsenergie einer Prüfmasse, die mit einem Substrat gekoppelt ist, durch Erfassen von mechanischer Spannung in einer piezoelektrischen Materialschicht, die zwischen der Prüfmasse und dem Substrat gebildet ist, in elektrische Energie; mit einem Erfassungsschaltkreis, Erfassen einer Bewegung der Prüfmasse relativ zu dem Substrat entlang wenigstens einer Achse; und Versorgen des Erfassungsschaltkreises wenigstens teilweise mit der elektrischen Energie.
Die wenigstens eine Achse kann parallel zu einer oberen Oberfläche des Substrats sein.
Das piezoelektrische Material kann auf einem Balken angeordnet sein, der zwischen der Prüfmasse und dem Substrat gebildet ist, und das Erfassen einer mechanischen Spannung in der piezoelektrischen Materialschicht kann Erzeugen eines elektrischen Signals als Reaktion auf die mechanische Spannung aufweisen.
Das Erfassen einer Bewegung der Prüfmasse relativ zu dem Substrat kann Erfassen einer Variation einer Kapazität eines Erfassungskondensators aufweisen, der zwischen der Prüfmasse und dem Balken gebildet ist.
Figurenliste
Verschiedene Aspekte und Ausführungsformen der Anmeldung werden unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben. Es versteht sich, dass die Figuren nicht unbedingt maßstabsgerecht gezeichnet sind. In mehreren Figuren auftretende Elemente sind in allen Figuren, in welchen sie auftreten, durch die gleiche Bezugsziffer gekennzeichnet.

1 ist ein Blockdiagramm, das eine Mikroelektromechanisches-System(MEMS)-Einrichtung, die einen Energieernter und eine MEMS-Vorrichtung aufweist, gemäß manchen Ausführungsformen veranschaulicht.
2 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine MEMS-Einrichtung, die einen Energieernter und eine MEMS-Vorrichtung aufweist, gemäß manchen Ausführungsformen veranschaulicht.
3A ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für einen Trägheitssensor, der eine piezoelektrische Materialschicht aufweist, gemäß manchen Ausführungsformen veranschaulicht.
3B veranschaulicht den Trägheitssensor aus 3A, wenn er einer Beschleunigung entgegengesetzt zu der z-Achse ausgesetzt wird, gemäß manchen Ausführungsformen.
3C veranschaulicht den Trägheitssensor aus 3A, wenn er einer Beschleunigung in der Richtung der z-Achse ausgesetzt wird, gemäß manchen Ausführungsformen.
4 ist eine Querschnittsansicht, die einen Teil des Trägheitssensors aus 3A mit zusätzlichen Einzelheiten gemäß manchen Ausführungsformen veranschaulicht.
5A-5B sind Draufsichten, die mögliche Layouts für die piezoelektrische Materialschicht aus 3A gemäß manchen Ausführungsformen veranschaulichen.
6A ist eine perspektivische Ansicht einer Prüfmasse, die mehrere Trägheitssensoren aufweist, gemäß manchen Ausführungsformen.
6B ist eine Draufsicht, die die obere Oberfläche eines Substrats, das in Verbindung mit der Prüfmasse aus 6A verwendet werden kann, gemäß manchen Ausführungsformen veranschaulicht.
7 ist ein schematisches Diagramm, das eine Wearable-Vorrichtung, die die MEMS-Einrichtung aus 1 aufweist, gemäß manchen Ausführungsformen veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Der Anmelder hat erkannt, dass, während MEMS-Vorrichtungen (wie etwa Beschleunigungsmesser, Gyroskope und Resonatoren) allgegenwärtig sind, die Energie, die zur Versorgung von diesen Vorrichtungen mit Leistung benötigt wird, oft beschränkt ist, wodurch dementsprechend ihre Nutzbarkeit erheblich begrenzt wird. Gewisse Sensorknoten werden zum Beispiel an sehr entfernten Standorten eingesetzt, was die Kosten erheblich erhöhen kann, die zum periodischen Ersetzen der Batterien auftreten. Bei einem anderen Beispiel sind Gyroskope in Smartphones montiert und sind für Leistung auf die Batterie des Smartphones angewiesen. Jedoch werden die Batterien zwischen einer Vielfalt von Vorrichtungen geteilt, die in dem Smartphone montiert sind, wie etwa Lautsprecher, Mikrofone, Anzeigen, den Prozessoren usw. Infolgedessen ist eine Batterielaufzeit oft nur einige wenige Stunden lang, wodurch dementsprechend die Zeit beschränkt wird, in der das Gyroskop arbeiten kann.
Der Anmelder hat erkannt, dass die Nutzbarkeit von MEMS-Vorrichtungen verbessert werden kann, indem die MEMS-Vorrichtungen mit Energieerntern zum Aufnehmen von Energie aus der umliegenden Umgebung ausgerüstet werden. Auf diese Weise kann die Abhängigkeit der MEMS-Vorrichtung von externen Leistungsquellen, wie etwa Batterien, beschränkt, oder unter manchen Umständen sogar beseitigt werden. Manche Aspekte der vorliegenden Anmeldung betreffen MEMS-Einrichtungen mit einer MEMS-Vorrichtung (z. B. einem Trägheitssensor) und einem Energieernter, die auf demselben Substrat angeordnet sind. Dadurch, dass sie sich auf demselben Substrat befinden, sind die Position, bei der die Leistung erzeugt wird, und die Position, bei der die Leistung verwendet wird, nahe beieinander, wodurch dementsprechend Leistungsverluste beseitigt werden, die ansonsten entstehen können, falls die MEMS-Vorrichtung und der Energieernter auf getrennten Substraten angeordnet wären. Bei manchen Ausführungsformen kann der Energieernter eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material aufweisen, die zum Erzeugen elektrischer Ladungen, wenn sie mechanischer Spannung ausgesetzt wird, ausgebildet ist, wodurch dementsprechend mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.
Bei manchen Ausführungsformen weist die MEMS-Vorrichtung einen Beschleunigungsmesser auf, der zum Erfassen einer Linear- und/oder Winkelbeschleunigung ausgebildet ist. Der piezoelektrische Energieernter und der Beschleunigungsmesser können dieselbe Prüfmasse teilen. Bei diesen Ausführungsformen kann die Bewegung der Prüfmasse als Reaktion auf eine Beschleunigung zwei Effekte aufweisen: erstens kann sie bewirken, dass der Energieernter wenigstens einen Teil der mechanischen Energie, die durch die Bewegung erzeugt wird, aufnimmt; zweitens kann sie bewirken, dass der Beschleunigungsmesser ein Signal detektiert, das indikativ für die Beschleunigung ist, der die Prüfmasse ausgesetzt wird.
Manche MEMS-Einrichtungen dieser hier beschriebenen Typen können dazu ausgebildet sein, Energie aus einer Bewegung der Prüfmasse aus der Ebene heraus (z. B. zu dem Substrat hin oder von diesem weg) aufzunehmen und eine Bewegung der Prüfmasse aus der Ebene heraus zu detektieren. Andere MEMS-Einrichtungen dieser hier beschriebenen Typen können dazu ausgebildet sein, Energie aus einer Bewegung der Prüfmasse aus der Ebene heraus aufzunehmen und eine Bewegung der Prüfmasse in der Ebene (z. B. in einer Ebene parallel zu dem Substrat) zu detektieren. Noch andere Einrichtungen dieser hier beschriebenen Typen können dazu ausgebildet sein, Energie aus einer Bewegung der Prüfmasse aus der Ebene heraus aufzunehmen und eine Bewegung der Prüfmasse in der Ebene und aus der Ebene heraus zu detektieren.
1 ist ein Blockdiagramm, das eine Mikroelektromechanisches-System(MEMS)-Einrichtung 100 gemäß manchen Ausführungsformen veranschaulicht. Die MEMS-Einrichtung 100 weist ein Substrat 102, einen Energieernter 104, eine MEMS-Vorrichtung 106 und eine elektronische Schaltungsanordnung 108 auf. Der Energieernter 104 und die MEMS-Vorrichtung 106 sind auf dem Substrat 106 angeordnet. Während die elektronische Schaltungsanordnung 108 auch als auf dem Substrat 102 angeordnet gezeigt ist, sind nicht alle Ausführungsformen in dieser Hinsicht beschränkt, weil die elektronische Schaltungsanordnung alternativ außerhalb des Substrats angeordnet sein kann.
Das Substrat 102 kann unter Verwendung einer geeigneten Kombination aus Materialien gefertigt sein. Bei manchen Ausführungsformen ist das Substrat 102 aus Silicium (z. B. Einkristallsilicium) gefertigt. Der Energieernter 104 kann dazu eingerichtet sein, Energie aus der umliegenden Umgebung zu ernten und eine oder mehrere elektronische Komponenten, wie etwa die MEMS-Vorrichtung 106, die elektronische Schaltungsanordnung 108 und/oder andere Vorrichtungen, die auf dem oder außerhalb des Substrats 102 angeordnet sind, mit Leistung zu versorgen. Der Energieernter 104 kann mechanische Energie (z. B. Vibrationsenergie), elektromagnetische Energie, Solarenergie, Wärmeenergie oder einen beliebigen anderen Typ von Energie ernten. Optional kann die MEMS-Einrichtung 100 eine oder mehrere Energiespeichervorrichtungen 110 (wie etwa Batterien oder Superkondensatoren) zum Speichern von Energie, die durch den Energieernter 104 geerntet wird, aufweisen.
Die MEMS-Vorrichtung 106 kann eine beliebige geeignete Vorrichtung aufweisen, die unter Verwendung von MEMS-Techniken gefertigt wird. Bei einem Beispiel weist die MEMS-Vorrichtung 106 einen oder mehrere Trägheitssensoren, wie etwa Linear- und/oder Winkelbeschleunigungsmesser und Gyroskope, auf. Bei einem anderen Beispiel weist die MEMS-Vorrichtung 106 einen oder mehrere Resonatoren auf. Bei den Beispielen, bei denen die MEMS-Vorrichtung 106 aktive Komponenten aufweist, das heißt, die Vorrichtungen dazu ausgebildet sind, mit elektrischen Signalen getrieben zu werden, kann die Leistung, die zum Erzeugen der elektrischen Signale notwendig ist, wenigstens teilweise durch den Energieernter 104 bereitgestellt werden.
Die elektronische Schaltungsanordnung 108 kann Schaltkreise zum Erzeugen von Signalen zum Treiben der MEMS-Vorrichtung 106 und/oder Schaltkreise zum Empfangen von Signalen, die durch die MEMS-Vorrichtung 106 erzeugt werden, aufweisen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die elektronische Schaltungsanordnung 108 Schaltkreise zum Durchführen anderer Vorgänge, wie etwa zum Steuern der Temperatur des Substrats und/oder zum Steuern anderer Vorrichtungen, die auf dem Substrat angeordnet sind, aufweisen. Die elektronische Schaltungsanordnung 108 kann wenigstens bei manchen Ausführungsformen unter Verwendung von CMOS- Fertigungstechniken (CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductors - komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter) gefertigt werden. Bei den nichtbeschränkenden Ausführungsformen, bei denen die MEMS-Vorrichtung 106 einen oder mehrere Beschleunigungsmesser aufweist, kann die elektronische Schaltungsanordnung 108 Erfassungsschaltkreise zum Empfangen von Erfassungssignalen, die durch den (die) Beschleunigungsmesser erzeugt werden, und zum Bestimmen des Betrags (und/oder der Richtung) der Beschleunigung, welcher der (die) Beschleunigungsmesser ausgesetzt wird (werden), aufweisen. Bei den nichtbeschränkenden Ausführungsformen, bei denen die MEMS-Vorrichtung ein oder mehrere Gyroskope aufweist, kann die elektronische Schaltungsanordnung 108 Erfassungsschaltkreise zum Erfassen einer Bewegung des Gyroskops (der Gyroskope) und/oder Treiberschaltkreise zum Treiben der Resonatoren des Gyroskops (der Gyroskope) aufweisen.
Bei einem speziellen Beispiel weist der Energieernter 104 einen oder mehrere piezoelektrische Energieernter auf und weist die MEMS-Vorrichtung 106 einen oder mehrere Beschleunigungsmesser auf. Es versteht sich jedoch, dass nicht alle Ausführungsformen auf diese spezielle Anordnung beschränkt sind. Ein Beispiel für eine solche MEMS-Einrichtung ist in 2 veranschaulicht, die eine Querschnittsansicht in der x z-Ebene veranschaulicht. Eine MEMS-Einrichtung 200 weist ein Substrat 202 (das als das Substrat 102 dienen kann), eine Prüfmasse 210, mehrere Verbinder 212, die die Prüfmasse 210 mit dem Substrat 202 koppeln, und Trägheitssensoren 204, die zwischen jeweiligen Verbindern 212 und der Prüfmasse 210 angeordnet sind, auf.
Bei manchen Ausführungsformen weist das Substrat 202 eine obere Oberfläche 203 auf, von der wenigstens ein Teil parallel zu der x y-Ebene ist. Die obere Oberfläche 203 kann die freiliegende Oberfläche des Substrats repräsentieren, wie etwa die Oberfläche, die durch Zerteilen, Inscheibenschneiden, Spalten und/oder Ätzen eines Siliciumingots erhalten wird. Wie in 2 veranschaulicht, weist die Prüfmasse 210 eine Höhe H entlang der z-Achse, eine Breite W entlang der x-Achse und eine Tiefe D entlang der y-Achse (in 2 nicht gezeigt) auf. Die Höhe, Breite und Tiefe der Prüfmasse können so gewählt werden, dass eine gewünschte Trägheitsantwort bereitgestellt wird. Bei manchen Ausführungsformen ist die Höhe H ausreichend groß, um die MEMS-Vorrichtung empfindlich gegenüber einer geringen Beschleunigung (wie etwa weniger als 10 ng oder weniger als 1 ng) zu machen. Zum Beispiel kann die Höhe H zwischen 100 µm und 5 mm, zwischen 300 µm und 5 mm, zwischen 500 µm und 5 mm, zwischen 500 µm und 3 mm, zwischen 500 µm und 2 mm, zwischen 500 µm und 1 mm, zwischen 600 µm und 1 mm, zwischen 700 µm und 700 µm oder bei einem beliebigen Wert oder Bereich innerhalb solcher Bereiche liegen.
Bei manchen Ausführungsformen kann die MEMS-Einrichtung 200 dazu gedacht sein, in einer Umgebung eingesetzt zu werden, die hauptsächlich niederfrequenten Vibrationen ausgesetzt ist (wie etwa ein Wearable-Vorrichtungen, die einer Körperbewegung ausgesetzt sind). Von daher kann es wünschenswert sein, eine Breite W und eine Tiefe D ausreichend groß festzulegen, um die Reaktion auf Vibrationen bei den niedrigen Frequenzen (z. B. weniger als 1 kHz, weniger als 100 Hz, weniger als 50 Hz oder weniger als 10 Hz) zu verbessern. Zum Beispiel können die Breite W an die Tiefe D zwischen 500 µm und 1 cm, zwischen 500 µm und 5 mm, zwischen 1 mm und 1 cm, zwischen 1 mm und 5 mm, zwischen 5 cm und 10 cm oder innerhalb eines beliebigen Bereichs innerhalb solcher Bereiche liegen. Andere Bereiche sind ebenfalls möglich. Bei wenigstens manchen der Ausführungsformen, bei denen die MEMS-Einrichtung einen oder mehrere Beschleunigungsmesser und einen oder mehrere Energieernter aufweist, kann eine Bewegung der Prüfmasse 210 dazu eingesetzt werden, sowohl eine Beschleunigung zu erfassen als auch Energie zu ernten.
Die Trägheitssensoren 204 können mehrere Schichten aufweisen und können dazu ausgebildet sein, mechanische Energie zu ernten, wenn die Prüfmasse 210 vibriert. Von daher sind Trägheitssensoren 204 bei manchen Ausführungsformen nachgiebig, wodurch dementsprechend eine Bewegung der Prüfmasse 210 relativ zu dem Substrat 202 ermöglicht wird. Bei einem Beispiel kann wenigstens eine der Schichten des Trägheitssensors 204 eine piezoelektrische Materialschicht sein. Die piezoelektrische Materialschicht kann dazu eingerichtet sein, elektrische Ladungen zu erzeugen, wenn sie mechanischer Spannung ausgesetzt wird. Eine Belastung kann wenigstens bei manchen Ausführungsformen entstehen, wenn sich die Prüfmasse 210 relativ zu ihrer Ruheposition bewegt. Bei einem Beispiel kann eine Bewegung der Prüfmasse entlang der z-Achse bewirken, dass sich der Trägheitssensor biegt, wodurch dementsprechend eine Belastung in der piezoelektrischen Materialschicht erzeugt wird. Als Reaktion auf die Belastung kann das piezoelektrische Material elektrische Ladungen erzeugen, die unter Verwendung leitfähiger Leitungen gesammelt werden können. Bei manchen Ausführungsformen kann die auf diese Weise erzeugte elektrische Energie verwendet werden, um eine elektronische Schaltungsanordnung wenigstens teilweise mit Leistung zu versorgen, die auf, in oder außerhalb des Substrats 202 angeordnet sein kann.
Bei manchen Ausführungsformen können die Trägheitssensoren 204 dazu ausgebildet sein, eine Bewegung der Prüfmasse 210 zu erfassen. Das heißt, die Trägheitssensoren 204 können elektrische Signale erzeugen, die indikativ für den Betrag und/oder die Richtung der Bewegung der Prüfmasse sind. Bei den Ausführungsformen, bei denen die MEMS-Einrichtung 200 als ein Beschleunigungsmesser arbeitet (in 2 gezeigt), können der Betrag und/oder die Richtung der Beschleunigung, der die Prüfmasse ausgesetzt wird, aus der erfassten Bewegung der Prüfmasse abgeleitet werden. Jedoch können bei den Ausführungsformen, bei denen die MEMS-Einrichtung 200 als ein Gyroskop arbeitet, der Betrag und/oder die Richtung der Winkelgeschwindigkeit aus der erfassten Bewegung der Prüfmasse abgeleitet werden. Die MEMS-Einrichtung 200 kann als ein 1-achsiger Linearbeschleunigungsmesser (z. B. ein x-Achse-, y-Achse- oder z-Achse-Linearbeschleunigungsmesser), als ein 2-achsiger Linearbeschleunigungsmesser (z. B. ein x y-Ebene-Linearbeschleunigungsmesser, x z-Ebene-Linearbeschleunigungsmesser oder y z-Ebene-Linearbeschleunigungsmesser), als ein 3-achsiger Linearbeschleunigungsmesser, als ein 1-achsiger Winkelbeschleunigungsmesser (z. B. ein x-Achse-, y-Achse- oder z-Achse-Winkelbeschleunigungsmesser), als ein 2-achsiger Winkelbeschleunigungsmesser (z. B. ein x y-Ebene-Winkelbeschleunigungsmesser, x z-Ebene-Winkelbeschleunigungsmesser oder y z-Ebene-Winkelbeschleunigungsmesser) oder als ein 3-achsiger Winkelbeschleunigungsmesser arbeiten.
Eine Bewegung der Prüfmasse kann wenigstens bei manchen Ausführungsformen unter Verwendung kapazitiver Sensoren erfasst werden. Von daher können die Trägheitssensoren 204 bei manchen Ausführungsformen Kondensatoren aufweisen. Die Kondensatoren können so angeordnet sein, dass der Abstand zwischen ihren Elektroden variiert, wenn sich die Prüfmasse bewegt. Variationen des Abstands zwischen den Elektroden können zu Änderungen der Kapazität des Kondensators führen. Daher kann das Erfassungssignal, das indikativ für die Bewegung der Prüfmasse ist, bei solchen Ausführungsformen erzeugt werden, indem Variationen der Kapazität detektiert werden.
Die Verbinder 212 können auf zahlreiche Arten implementiert sein. Beispiele für die Verbinder 22 schließen unter anderem Kugelgitteranordnungen, Löthügel (wie in 2 gezeigt) und Kupfersäulen ein. Bei manchen Ausführungsformen sind die Verbinder 212 aus einem leitfähigen Material gefertigt, wodurch dementsprechend ein Transfer elektrischer Signale durch sie ermöglicht wird. Zum Beispiel können Erfassungssignale, die als Reaktion auf eine Bewegung der Prüfmasse 210 erzeugt werden, und/oder elektrische Energie, die durch Umwandeln von Vibrationsenergie der Prüfmasse erzeugt wird, über die Verbinder 212 übertragen werden.
Bei manchen Ausführungsformen weist die MEMS-Einrichtung 200 leitfähige Pads auf, die auf der oberen Oberfläche 203 gebildet sein können. Die leitfähigen Pads können elektrisch über Metallleitungen (in 2 nicht gezeigt) mit den Verbindern 212 verbunden sein. Die Metallleitungen können in dem Substrat vergraben sein oder können auf der oberen Oberfläche 203 geführt sein. Bei manchen Ausführungsformen kann eine Drahtbondung zu dem Substrat 202 durch Verbinden von Drähten 222 mit leitfähigen Pads 220 erreicht werden. Bei manchen Ausführungsformen können Erfassungssignale, die als Reaktion auf eine Bewegung der Prüfmasse erzeugt werden, über die Drahtbondungen zur weiteren Verarbeitung nach außerhalb des Substrats 202 geführt werden. Bei manchen Ausführungsformen können die Drahtbondungen verwendet werden, um elektrische Energie, die durch die MEMS-Einrichtung 200 geerntet wird, nach außerhalb des Substrats 202 zu transferieren, wodurch dementsprechend andere elektronische Schaltkreise mit Leistung versorgt werden. Es versteht sich, dass bei manchen Ausführungsformen eine Erfassungsschaltungsanordnung zum Ableiten der Beschleunigung und/oder Geschwindigkeit der Prüfmasse aus dem Erfassungssignal in dem Substrat 202 integriert sein kann. Bei manchen Ausführungsformen wird die Erfassungsschaltungsanordnung wenigstens teilweise mit der geernteten elektrischen Energie mit Leistung versorgt.
Ein nichtbeschränkendes Beispiel für einen Trägheitssensor 204 ist in 3A gemäß manchen Ausführungsformen dargestellt. Wie veranschaulicht, kann der Trägheitssensor 204 einen Balken 234, eine piezoelektrische Materialschicht 238, eine Aussparung 230, eine leitfähige Schicht 239 und Elektroden 235 und 236 aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen ist der Balken 234 aus dem gleichen Material wie die Prüfmasse 210 gefertigt, obwohl nicht alle Ausführungsformen in dieser Hinsicht beschränkt sind. Zum Beispiel können der Balken 234 und die Prüfmasse 210 aus Polysilicium gefertigt sein. Der Balken 234 kann durch eine Stütze 232 mit der Prüfmasse 210 verbunden sein. Bei manchen Ausführungsformen können mehrere Stützen 232 verwendet werden, um die Prüfmasse mit dem Balken zu verbinden. Bei manchen Ausführungsformen kann die Stütze 232 zum Beispiel in der xy-Ebene in einer Ringform herumgewickelt sein. Bei dem Beispiel aus 3A ist die Stütze 232 um den äußeren Perimeter der Aussparung 230 herumgewickelt. Bei manchen Ausführungsformen kann die Aussparung 230 vollständig zwischen der Prüfmasse 210, dem Balken 234 und der (den) Stütze(n) 232 eingeschlossen sein. Bei anderen Ausführungsformen kann die Aussparung 230 lediglich teilweise eingeschlossen sein. Zum Beispiel kann (können) die Stütze(n) dazu eingerichtet sein, um einen Teil des äußeren Parameters der Aussparung 230 herumgewickelt zu sein.
Bei manchen Ausführungsformen kann sich der Balken 234 als Reaktion auf eine Beschleunigung biegen. 3B-3C veranschaulichen den Trägheitssensor aus 3A, wenn er einer Beschleunigung entgegengesetzt zu der z-Achse bzw. in der Richtung der z-Achse ausgesetzt wird. Wie in 3B veranschaulicht, kann sich der Balken 234, wenn der Trägheitssensor einer Beschleunigung -a_z ausgesetzt wird, die entgegengesetzt zu der z-Achse gerichtet ist, biegen, sodass eine Bewegung der Prüfmasse 210 ermöglicht wird. Bei diesem Beispiel bewegt sich die Prüfmasse 210 zu der oberen Oberfläche 203 des Substrats 202 hin und biegt sich der Balken 234, sodass eine konkave Oberfläche 240 und eine konvexe Oberfläche 242 gebildet werden. Die konkave Oberfläche 240 kann der oberen Oberfläche 203 des Substrats 202 zugewandt sein, während die konvexe Oberfläche 242 von der oberen Oberfläche 203 abgewandt sein kann. Wie ferner in 3B veranschaulicht, kann sich die Aussparung 230 relativ zu ihrer Ruheform verformen, wenn sich die Prüfmasse 210 bewegt.
Bei manchen Ausführungsformen können der Betrag und/oder die Richtung der Beschleunigung unter Verwendung eines kapazitiven Sensors erfasst werden. Das heißt, der Betrag und/oder die Richtung der Beschleunigung können durch Erfassen von Variationen der Kapazität eines Erfassungskondensators abgeleitet werden. Bei den in 3A-3C gezeigten Konfigurationen sind die Erfassungskondensatoren zwischen den Elektroden 235 und 236 gebildet. Wie veranschaulicht, kann die Elektrode 235 auf dem Balken 234 angeordnet sein, zum Beispiel auf der Oberfläche des Balkens, die der Prüfmasse 210 zugewandt ist. Die Elektrode 236 kann auf einer Oberfläche der Prüfmasse 210 angeordnet sein, zum Beispiel der Außenoberfläche der Prüfmasse, die dem Balken 234 zugewandt ist. Die Aussparung 320 kann (unabhängig davon, ob sie mit einem dielektrischen Material, Luft oder anderen Typen von Gas gefüllt ist oder sich in einem Vakuum befindet) als das Isolationsmaterial zwischen den Elektroden dienen.
Wenn sich die Prüfmasse 210 entgegengesetzt zu der z-Achse bewegt, wie in 3B veranschaulicht, kann der Gesamtabstand zwischen den Elektroden 235 und 236 abnehmen. Das heißt, dass, während der Abstand mancher Teile der Elektroden im Wesentlichen unverändert bleiben oder sogar zunehmen kann (wie etwa die Ränder der Elektrode 235), der mittlere Abstand zwischen den Elektroden bei Betrachtung über die Oberflächenelektroden verringert wird. Infolgedessen wird die Kapazität des Erfassungskondensators relativ zu der Ruheposition (wenn keine Beschleunigung ausgeübt wird) erhöht. Diese Variation der Kapazität kann durch einen Erfassungsschaltkreis detektiert werden, der auf dem Substrat 202 oder außerhalb von diesem angeordnet sein kann und dazu ausgebildet sein kann, den Betrag und/oder die Richtung der Beschleunigung basierend auf der Variation der Kapazität zu abzuleiten.
Wie ferner in 3B veranschaulicht, kann sich die piezoelektrische Materialschicht 238, die auf einer Oberfläche des Balkens 234 gebildet sein kann (obwohl der Balken 234 bei manchen Ausführungsformen selbst aus einem piezoelektrischen Material bestehen kann), in der Anwesenheit einer Beschleunigung -a_z mit dem Balken biegen. Wenn sie gebogen ist, kann die piezoelektrische Materialschicht 238 eine Belastung (z. B. Zug- oder Druckbelastung) erfahren. Die Belastung kann wiederum aufgrund des piezoelektrischen Effekts elektrische Ladungen entstehen lassen. Von daher kann die piezoelektrische Materialschicht 238 als ein Wandler von Vibrationsenergie in elektrische Energie gesehen werden. Es versteht sich, dass die piezoelektrische Materialschicht 238 aus einem beliebigen geeigneten piezoelektrischen Material gefertigt sein kann, wie etwa Materialien mit einem piezoelektrischen Koeffizienten d₃₃ (oder d₃₁), der hinsichtlich eines Absolutwertes größer als 10^-13 m/V, 10^-12 m/V, 10^-11 m/V oder 10^-10 m/V ist. Beispiele für Materialien, die für das piezoelektrische Material 238 verwendet werden können, schließen unter anderem Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Aluminiumnitrid (AlN) oder andere Gruppe-III-Nitrid-Materialien, wie etwa Galliumnitrid oder Indiumnitrid (InN) ein.
Bei manchen Ausführungsformen können die elektrischen Ladungen, die in der piezoelektrischen Materialschicht 238 als Reaktion auf eine Belastung erzeugt werden, unter Verwendung leitfähiger Pfade gesammelt werden und können verwendet werden, um eine(n) oder mehrere elektronische Vorrichtungen oder Schaltkreise mit Leistung zu versorgen. Die leitfähigen Pfade können durch die leitfähige Schicht 239 (die in Kontakt mit den Verbindern 244 angeordnet sein kann und wenigstens bei manchen Ausführungsformen aus Nickel gefertigt sein kann) und die Verbinder 244 (in 3A gezeigt, aber nicht in 3B-3C) zu dem Substrat 202 geführt werden. Diese elektrischen Ladungen können (z. B. über die Drähte 222) nach außerhalb des Substrats geführt werden oder können in dem Substrat angeordnete Schaltkreise mit Leistung versorgen. Ein Beispiel für einen Schaltkreis, der unter Verwendung der elektrischen Ladungen mit Leistung versorgt werden kann, die durch die piezoelektrische Materialschicht 238 erzeugt werden, ist die oben beschriebene Erfassungsschaltungsanordnung.
Der Fall, bei dem eine Beschleunigung in der gleichen Richtung wie die z-Achse ausgeübt wird, ist in 3C dargestellt. Wie veranschaulicht, kann sich der Balken 234 biegen, so dass eine Bewegung der Prüfmasse 210 in einer Richtung senkrecht zu der oberen Oberfläche des Substrats ermöglicht wird. In diesem Fall bewegt sich die Prüfmasse 210 von der oberen Oberfläche 203 des Substrats 202 weg und biegt sich der Balken 234, sodass eine konkave Oberfläche 240 und eine konvexe Oberfläche 242 gebildet werden. Die konvexe Oberfläche 242 kann der oberen Oberfläche 203 des Substrats 202 zugewandt sein, während die konkave Oberfläche 240 von der oberen Oberfläche 203 abgewandt sein kann. Wie ferner in 3C veranschaulicht, kann sich die Aussparung 230 relativ zu ihrer Ruheform verformen. In diesem Fall kann der Gesamtabstand zwischen den Elektroden 235 und 236 zunehmen, was dementsprechend zu einer Abnahme der Kapazität des Erfassungskondensators führt. Eine solche Abnahme kann durch die Erfassungsschaltungsanordnung detektiert werden. Wie ferner in 3C veranschaulicht, kann sich die piezoelektrische Materialschicht 238 mit dem Balken 234 biegen und infolgedessen können elektrische Ladungen erzeugt werden. Wie bei dem in 3B veranschaulichten Fall können die elektrischen Ladungen verwendet werden, um elektronische Schaltkreise oder Vorrichtungen mit Leistung zu versorgen. Es versteht sich, dass die Bewegung der Prüfmasse 210 relativ zu dem Substrat in Richtungen außer jenen parallel zu der z-Achse eine Belastung in der piezoelektrischen Materialschicht 238 verursachen und infolgedessen mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln kann. Wenn zum Beispiel eine Bewegung der Prüfmasse 210 entlang der x-Achse auftritt, kann mechanische Energie über die Stütze(n) 232 an den Balken 234 übertragen werden, wodurch dementsprechend eine Krümmung des Balkens 234 verursacht wird.
Während der Trägheitssensor aus 3A-3C als ein Beschleunigungsmesser arbeitend beschrieben wurde, versteht es sich, dass beliebige andere geeignete Typen von Trägheitssensoren gemäß den hier beschriebenen Techniken arbeiten können. Zum Beispiel kann bei manchen Ausführungsformen ein Gyroskop unter Verwendung der Prüfmasse 210 gebildet werden. Das Gyroskop kann einen Resonator und einen Sensor aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen ist die Prüfmasse 210 ein Teil von sowohl dem Resonator als auch dem Sensor. Der Resonator kann unter Verwendung eines Treiberschaltkreises (der in dem oder außerhalb des Substrats 202 angeordnet sein kann) getrieben werden, der wenigstens teilweise unter Verwendung der mit der piezoelektrischen Materialschicht 238 erzeugten Elektrizität mit Leistung versorgt werden kann.
4 veranschaulicht einen Teil der piezoelektrischen Materialschicht 238 mit zusätzlichen Einzelheiten gemäß manchen Ausführungsformen. Bei manchen Ausführungsformen kann die piezoelektrische Materialschicht 238 zwischen Elektroden 402 und 404 sandwichartig dazwischenliegen, die dazu ausgebildet sein können, einen Kondensator mit der piezoelektrischen Materialschicht zu bilden. Von daher können elektrische Ladungen, die in dem piezoelektrischen Material 238 als Reaktion auf eine Belastung erzeugt werden, zu einer Spannung zwischen den Elektroden 402 und 404 führen. Die Elektroden 402 und 404 können aus einem beliebigen geeigneten leitfähigen Material, einschließlich unter anderem Aluminium, Kupfer und Molybdän, gefertigt sein. Die piezoelektrische Materialschicht 238 und die Elektroden 402 und 404 können über eine dielektrische Schicht 406, die bei manchen Ausführungsformen eine Siliciumoxidschicht sein kann, mit dem Balken 234 verbunden sein. Bei einem speziellen Beispiel befindet sich die Elektrode 404 in Kontakt mit der dielektrischen Schicht 406, die sich in Kontakt mit dem Balken 234 befindet.
Bei manchen Ausführungsformen kann der Trägheitssensor aus 3A eine Rotationssymmetrie mit Bezug auf eine Achse 350 (in 3A gezeigt) aufzeigen, obwohl nicht alle Ausführungsformen in dieser Hinsicht beschränkt sind. Bei manchen solchen Ausführungsformen kann die piezoelektrische Materialschicht 238 bei Betrachtung in der x y-Ebene als ein Ring (oder wenigstens ein Teil eines Rings) geformt sein. 5A und 5B sind zwei nichtbeschränkende Beispiele, die veranschaulichen, wie die piezoelektrische Materialschicht 238 in der x y-Ebene angeordnet werden kann. Bei dem Beispiel aus 5A ist das piezoelektrische Material 239 als ein Ring mit einer Lücke 241 geformt. Die zwei Enden des Rings (als „+“ (Plus) und „-“ (Minus) beschriftet) können als Anschlüsse dienen. Das heißt, leitfähige Leitungen 502 und 504 können mit dem Plus(+)- und Minus(-)-Ende verbunden sein und können verwendet werden, um Ströme zu unterstützen, wenn eine Spannung zwischen dem Plus(+)- und Minus(-)-Ende erzeugt wird. Die leitfähige Leitung 502 kann mit der Elektrode 402 verbunden sein und die leitfähige Leitung 504 kann mit der Elektrode 404 verbunden sein, obwohl die entgegengesetzte Konfiguration ebenfalls möglich ist.
Bei anderen Ausführungsformen können N Lücken 241 entlang der Länge der piezoelektrischen Materialschicht 238 gebildet sein, wie in 5B gezeigt ist. Bei dieser Anordnung kann die Spannung, die zwischen dem Plus(+)- und Minus(-)-Anschluss erzeugt wird, um einen Faktor N relativ zu dem in 5A gezeigten Fall zunehmen. Jedoch kann die elektrische Ladung und infolgedessen der elektrische Strom um einen Faktor N relativ zu dem in 5A gezeigten Fall abnehmen. Von daher kann die Anzahl an Lücken so gewählt werden, dass ein gewünschtes Gleichgewicht zwischen Strom und Spannung bereitgestellt wird. Zum Beispiel kann die Anzahl an Lücken bei Anwendungen, bei denen es wünschenswert ist, einen starken Strom zu erzeugen, verringert werden. Andernfalls kann die Anzahl an Lücken bei Anwendungen, bei denen es wünschenswert ist, eine hohe Spannung zu erzeugen, erhöht werden. Es versteht sich, dass die in 5A-5B veranschaulichten Lücken nicht notwendigerweise auf eine Verwendung in Verbindung mit piezoelektrischen Materialschichten, die eine Rotationssymmetrie aufweisen, beschränkt sind.
Die MEMS-Einrichtung aus 2 kann verwendet werden, um eine Beschleunigung in einer, zwei oder drei Dimensionen zum Beispiel unter Verwendung von mehreren Trägheitssensoren 204 zu erfassen. Eine Beschleunigung aus der Ebene heraus (in der z-Achse-Richtung) kann durch Detektieren von Gleichtakten über die mehreren Sensoren 204 erfasst werden. Eine Beschleunigung in der Ebene (in der x-Achse- und/oder der y-Achse-Richtung) kann durch Detektieren von Gegentakten über die mehreren Sensoren 204 erfasst werden.
6A ist eine perspektivische Ansicht eines Teils einer MEMS-Einrichtung zum Erfassen einer Beschleunigung in drei Dimensionen gemäß manchen Ausführungsformen. Insbesondere veranschaulicht 6A die Oberfläche (beschriftet als „S“) der Prüfmasse 210, die der oberen Oberfläche 203 des Substrats 202 zugewandt ist. Bei dieser Konfiguration ist die Prüfmasse 210 mit fünf Trägheitssensoren (204_A , 204_B , 204_C , 204_D und 204_E ) des hier beschriebenen Typs gekoppelt. Bei manchen Ausführungsformen sind die Trägheitssensoren 204_B und 204_D entlang der y-Achse ausgerichtet und sind dies die Trägheitssensoren 204_A and 204_A ebenso. Bei manchen Ausführungsformen sind die Trägheitssensoren 204_A und 204_B entlang der x-Achse ausgerichtet und sind dies die Trägheitssensoren 204_C and 204_D ebenso. 6B ist eine Draufsicht eines Substrats 202, das in Verbindung mit der Prüfmasse aus 6A verwendet werden kann. In diesem Fall weist das Substrat Verbinder 212_A , 212_B , 212_C , 212_D und 212_E auf, die mit den Trägheitssensoren 204_A , 204_B , 204_C , 204_D bzw. 204_E gekoppelt sein können. Außerdem können die Verbinder 212_A , 212_B , 212_C , 212_D und 212_E mit den leitfähigen Pads 220_A , 220_B , 220_C , 220_D bzw. 220_E gekoppelt sein.
Gleichtaktsignale über die leitfähigen Pads 220_A , 220_B , 220_C und 220_D können verwendet werden, um eine Beschleunigung in der z-Achse-Richtung zu detektieren. Eine Beschleunigung in der y-Achse-Richtung kann durch Erfassen von Gegentaktsignalen zwischen den leitfähigen Pads 220_A und 220_C und/oder den leitfähigen Pads 220_B und 220_D detektiert werden. Eine Beschleunigung in der x-Achse-Richtung kann durch Erfassen von Gegentaktsignalen zwischen den leitfähigen Pads 220_A und 220_B und/oder den leitfähigen Pads 220c und 220_D detektiert werden. Die von dem leitfähigen Pad 220_E erhaltenen Signale können zur Kalibrierung verwendet werden und können mit einem Drucksensor zum Messen des Drucks, der in dem Trägheitssensor 204_E ausgeübt wird, gekoppelt werden. Es versteht sich, dass die MEMS-Einrichtungen des hier beschriebenen Typs nicht auf die spezielle Anzahl an Trägheitssensoren oder die in 6A-6B veranschaulichte spezielle Anordnung beschränkt sind, weil eine beliebige andere geeignete Anzahl an Trägheitssensoren und Anordnungen verwendet werden kann, um eine Beschleunigung in einer, zwei oder drei Dimensionen zu erfassen.
Die MEMS-Einrichtung 100 kann in verschiedenen Situationen eingesetzt werden, um Beschleunigung, Geschwindigkeit und/oder Winkelraten zu detektieren, einschließlich Sport-, Gesundheitswesen-, Wissenschafts-, Militär- und Industrieanwendungen unter anderem. Bei manchen Ausführungsformen kann die MEMS-Einrichtung 100 in eine Wearable-Vorrichtung gepackt sein, die beim Überwachen von sportbezogener physischer Aktivität und Leistungsfähigkeit, Patientengesundheit, Militärpersonalaktivität oder anderen Anwendungen von Interesse eines Benutzers eingesetzt wird. Bei manchen Ausführungsformen kann die MEMS-Einrichtung 100 in einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung, wie etwa einem Schrittmacher, gepackt sein. Bei manchen Ausführungsformen kann die MEMS-Einrichtung 100 in einem Drahtlossensorknoten eingesetzt werden, der ein Teil eines Netzes aus Sensoren ist. Bei einer speziellen Anwendung kann das Netz aus Sensoren zum Erfassen von Erdbeben ausgebildet sein.
Bei einem Veranschaulichungsbeispiel kann die MEMS-Einrichtung 100 auf einer Wearable-Vorrichtung angeordnet sein, wie in 7 veranschaulicht ist. In diesem Fall ist die MEMS-Einrichtung 100 auf einer Smartwatch 702 angeordnet. Die MEMS-Einrichtung kann dazu eingerichtet sein, die bei niedrigen Frequenzen (wie etwa den typischen Frequenzen, mit denen sich ein Arm 700 bewegt) geerntete Energie zu verbessern. Zum Beispiel kann die Prüfmasse 210 ausreichend groß sein, um die Vibrationsantwort der Prüfmasse bei niedrigen Frequenzen zu verbessern. Die MEMS-Einrichtung 100 kann dazu ausgebildet sein, eine Linear- und/oder Winkelbeschleunigung zu erfassen und mechanische Energie, die durch die Bewegung des Arms 700 produziert wird, zu ernten.
Aspekte der vorliegenden Anmeldung können einen oder mehrere Vorteile bereitstellen, von denen einige zuvor beschrieben wurden. Nun werden manche nichtbeschränkende Beispiele für solche Vorteile beschrieben. Es versteht sich, dass nicht alle Aspekte und Ausführungsformen notwendigerweise alle der nun beschriebenen Vorteile bereitstellen. Ferner versteht es sich, dass Aspekte der vorliegenden Anmeldung zusätzliche Vorteile zu jenen nun beschriebenen bereitstellen können.
Aspekte der vorliegenden Anmeldung stellen einen Trägheitssensor bereit, der dazu ausgebildet ist, Energie aus der umliegenden Umgebung zu ernten. Bei manchen Ausführungsformen sind der Trägheitssensor und der Energieernter auf demselben Substrat angeordnet. Infolgedessen kann Energie, die durch den Ernter aufgenommen wird, verwendet werden, um den Trägheitssensor mit Leistung zu versorgen, während Leistungsverluste vermieden werden, die ansonsten entstehen können, wenn die Energie von einem Substrat zu einem anderen transferiert wird. Aspekte der vorliegenden Anmeldung stellen einen Trägheitssensor bereit, der dazu ausgebildet ist, sich selbst mit Leistung zu versorgen. Von daher kann der Trägheitssensor dazu ausgebildet sein, ohne Batterien zu arbeiten oder wenigstens eine Batterienutzung zu minimieren.

Claims

Mikroelektromechanisches-System(MEMS)-Einrichtung, die Folgendes aufweist: ein Substrat mit einer oberen Oberfläche; einen Trägheitssensor, der eine mit dem Substrat gekoppelte Prüfmasse aufweist, wobei der Trägheitssensor dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der Prüfmasse entlang wenigstens einer Achse zu erfassen; und einen Energieernter, der eine piezoelektrische Materialschicht aufweist, die zwischen dem Substrat und der Prüfmasse gebildet ist, wobei die piezoelektrische Materialschicht dazu ausgebildet ist, ein elektrisches Signal als Reaktion auf eine Bewegung der Prüfmasse relativ zu der oberen Oberfläche des Substrats zu erzeugen.
MEMS-Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Achse parallel zu der oberen Oberfläche des Substrats ist.
MEMS-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die wenigstens eine Achse eine erste Achse ist und wobei der Trägheitssensor ferner dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der Prüfmasse entlang einer zweiten Achse zu detektieren, die senkrecht zu der ersten Achse und parallel zu der oberen Oberfläche des Substrats ist.
MEMS-Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die piezoelektrische Materialschicht auf einem Balken gebildet ist, der zwischen der Prüfmasse und dem Substrat angeordnet ist.
MEMS-Einrichtung nach Anspruch 4, wobei der Trägheitssensor dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der Prüfmasse durch Erfassen einer Variation einer Kapazität eines Erfassungskondensators zu erfassen, der zwischen der Prüfmasse und dem Balken gebildet ist.
MEMS-Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Balken dazu ausgebildet ist, sich als Reaktion auf eine Bewegung der Prüfmasse relativ zu der oberen Oberfläche des Substrats zu biegen.
MEMS-Einrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei die Prüfmasse und der Balken eine Aussparung bilden, wobei die Aussparung dazu ausgebildet ist, sich als Reaktion auf eine Bewegung der Prüfmasse relativ zu der oberen Oberfläche des Substrats zu verformen.
MEMS-Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Trägheitssensor einen Beschleunigungsmesser aufweist, der dazu ausgebildet ist, eine Beschleunigung entlang der wenigstens einen Achse durch Erfassen einer Bewegung der Prüfmasse entlang der wenigstens einen Achse zu erfassen.
Mikroelektromechanisches-System(MEMS)-Einrichtung, die Folgendes aufweist: ein Substrat; einen piezoelektrischen Energieernter, der Folgendes aufweist: einen Balken, der mit dem Substrat gekoppelt ist, wobei wenigstens ein Teil des Balkens eine piezoelektrische Materialschicht aufweist; eine Prüfmasse, die mit dem Balken gekoppelt ist; und einen Trägheitssensor, der Folgendes aufweist: eine erste Elektrode, die mit der Prüfmasse gekoppelt ist; und eine zweite Elektrode, die mit dem Balken gekoppelt ist.
MEMS-Einrichtung nach Anspruch 9, wobei das piezoelektrische Material dazu ausgebildet ist, ein elektrisches Signal als Reaktion auf eine Bewegung der Prüfmasse aus der Ebene heraus zu erzeugen.
MEMS-Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Trägheitssensor dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der Prüfmasse in der Ebene basierend auf einem Erfassungssignal zu erfassen, das durch die erste und zweite Elektrode erzeugt wird.
MEMS-Einrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, die ferner eine Aussparung aufweist, die zwischen der Prüfmasse und dem Balken gebildet ist, wobei die erste Elektrode innerhalb der Aussparung angeordnet ist.
MEMS-Einrichtung nach einem der Ansprüche 9-12, wobei der piezoelektrische Energieernter ferner eine dritte und vierte Elektrode aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten der piezoelektrischen Materialschicht angeordnet sind.
MEMS-Einrichtung nach einem der Ansprüche 9-13, wobei die piezoelektrische Materialschicht eine Rotationssymmetrie relativ zu einer Achse senkrecht zu einer oberen Oberfläche des Substrats aufzeigt und einen oder mehrere Spalte aufweist.
MEMS-Einrichtung nach einem der Ansprüche 9-14, wobei die Prüfmasse eine Höhe aufweist, die zwischen 500 µm und 5 mm liegt.
MEMS-Einrichtung nach einem der Ansprüche 9-15, wobei der Trägheitssensor ein erster Trägheitssensor ist und der Balken ein erster Balken ist und wobei: die MEMS-Einrichtung ferner einen zweiten Trägheitssensor mit einer dritten Elektrode, die mit der Prüfmasse gekoppelt ist, und einer vierten Elektrode, die mit einem zweiten Balken gekoppelt ist, der zwischen dem Substrat und der Prüfmasse angeordnet ist, aufweist, wobei der erste und zweite Trägheitssensor dazu ausgebildet sind, eine Bewegung differenziell zu erfassen.
Verfahren zum Erfassen einer Bewegung unter Verwendung einer Mikroelektromechanisches-System(MEMS)-Einrichtung, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Umwandeln von Vibrationsenergie einer Prüfmasse, die mit einem Substrat gekoppelt ist, durch Erfassen von mechanischer Spannung in einer piezoelektrischen Materialschicht, die zwischen der Prüfmasse und dem Substrat gebildet ist, in elektrische Energie; mit einem Erfassungsschaltkreis, Erfassen einer Bewegung der Prüfmasse relativ zu dem Substrat entlang wenigstens einer Achse; und Versorgen des Erfassungsschaltkreises wenigstens teilweise mit der elektrischen Energie.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die wenigstens eine Achse parallel zu einer oberen Oberfläche des Substrats ist.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei das piezoelektrische Material auf einem Balken angeordnet ist, der zwischen der Prüfmasse und dem Substrat gebildet ist, und wobei das Erfassen einer mechanischen Spannung in der piezoelektrischen Materialschicht Erzeugen eines elektrischen Signals als Reaktion auf die mechanische Spannung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, 18 oder 19, wobei das Erfassen einer Bewegung der Prüfmasse relativ zu dem Substrat Erfassen einer Variation einer Kapazität eines Erfassungskondensators aufweist, der zwischen der Prüfmasse und dem Balken gebildet ist.