DE112010005588B4

DE112010005588B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung von Schwingungen

Info

Publication number: DE112010005588B4
Application number: DE112010005588.2T
Authority: DE
Inventors: Jan Mehner; Jörg Schaufuß; Dirk Scheibner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2014-10-30
Anticipated expiration: 2030-05-27
Also published as: DE112010005588A5; WO2011147430A1

Abstract

Vorrichtung mit einem schwingfähigen Feder-Masse-System (1) mit Elektrodenstrukturen (3) an zumindest einer Seite des Feder-Masse-Systems (1), insbesondere eine Kammstruktur, das mechanische Schwingungen (m) erfasst, wobei die Vorrichtung eine Abdeckung, bestehend aus einem Elektret (2), umfasst, welche das schwingfähige Feder-Masse-System (1) oder eine mit dem schwingfähigen Feder-Masse-System elektrisch verbundene Elektrode zur Eigenfrequenzabstimmung partiell überdeckt dadurch gekennzeichnet, dass zur Abstimmung der Eigenfrequenz eine Verschiebung (x) der Abdeckung (2) senkrecht zur Schwingrichtung der schwingenden Masse erfolgt.

Description

Fachgebiet der Erfindung
Unter Mikrosystemen, MEMS – Micro-Electro-Mechanical-Systems, versteht man miniaturisierte Geräte, die für eine bestimmte Aufgabe entwickelt wurden. Die Bezeichnung Mikrosystem leitet sich daraus ab, dass die Komponenten kleinste Abmessungen (im Mikrometerbereich) haben und als System zusammenwirken. Im Allgemeinen besteht ein Mikrosystem aus einem oder mehreren Sensoren, Aktoren und einer Steuerungselektronik auf einem Substrat bzw. Chip.
Einrichtungen, bzw. Generatoren, die mechanische Schwingungen in elektrische Energie umwandeln, sind unter dem Begriff „kinetische Energy Harvester” bereits bekannt. Als Energy Harvesting bezeichnet man die Erzeugung von Strom aus Quellen wie Temperaturgradienten, Vibrationen oder Luftströmungen. Es werden heute bereits Energiequellen für drahtlose Sensornetzwerke oder Anwendungen entwickelt wie etwa Fernbedienungen an schwer erreichbaren Stellen. Energy Harvesting vermeidet bei Drahtlostechnologien Einschränkungen durch kabelgebundene Stromversorgung oder Batterien.
Aus der US 2004/0207369 A1 ist beispielsweise bereits ein elektromechanischer Umrichter mit einem schwingfähigen Feder-Masse-System und einer Abdeckung bestehend aus einem Elektret, bekannt.
Zur optimalen Leistungsausbeute ist es nötig, die Eigenfrequenz kinetischer Energy Harvester auf die Frequenz der Vibrationsquelle abzustimmen. Außerhalb dieser Frequenz ist die generierte Leistung viel geringer und im Regelfall so gering, dass sie selbst für Anwendungsfälle in der Elektronik mit geringem Energiebedarf nicht ausreicht.
Sensoren und kinetische Energy Harvester werden auch als Mikrosystem ausgeführt.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zur Erfassung von Schwingungen.
Für eine optimale Leistungsausbeute der Energy Harvester ist es dabei nötig deren Eigenfrequenz/Resonanzfrequenz auf die Frequenz der Vibrationsquelle abzustimmen. Außerhalb dieser Frequenz ist die entziehbare Leistung viel geringer und im Regelfall zu gering um selbst Elektronik mit sehr geringem Energiebedarf ausreichend mit Energie zu versorgen.
Durch Veränderung der Parameter Masse m oder der Federsteifigkeit k bei der Fertigung kann die Eigenfrequenz des Mikrosystems entsprechend folgender Gleichung
angepasst werden. Dies setzt jedoch Kenntnis über die für die Energiegewinnung interessanten Frequenzen voraus. Der Generator muss im Voraus passend ausgelegt werden und ist dann nicht universell auf alle Vibrationsquellen einsetzbar. Die feste Frequenz unterliegt zudem durch Fertigungstoleranzen gewissen Abweichungen.
Stand der Technik
Um eine Eigen-/Resonanzverschiebung im Betrieb zu realisieren, sind verschiedene Methoden bekannt:

a) Erzeugung einer zusätzlichen Federkonstante mit positivem oder negativem Vorzeichen durch äußere wegabhängige Kräfte durch Anlegen einer zusätzlichen Spannung an der Elektrode, siehe z. B. Scheibner, D., et. al. „A Frequency Selective Silicon Vibration Sensor with Direct Electrostatic Stiffness Modulation”, Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 37, 35–43, 2003.
b) Nutzung des sogenannten Stress-Stiffening-Effekt, hierbei bewirken Zugkräfte in den Federn eine Erhöhung der Federkonstante.
c) Variation des Lastwiderstandes-Sterken, T.; Fiorini, P.; Baert, K.; Puers, R.; Borghs, G.: „An elektret based electrostatic μ-generator.” Proc. Transducers '03, 2003, S. 1291–1294
d) Variation der Position des Masseschwerpunktes, Wu, X.; Lin, J.; Kato, S.; Zhan, K.; Ren, T. & Liu, L.: „A frequency adjustable vibration energy harvester.” in Proceedings of PowerMEMS 2008 + microEMS 2008, 2008, S. 245–248.

Aufgabe der Erfindung ist es, die oben genannten Probleme zu lösen und eine Vorrichtung sowie ein Verfahren anzugeben, welches ein Abstimmprinzip umfasst, das nur zur Einstellung der Eigen-/Resonanzfrequenz Energie benötigt. Weiterhin soll eine Vorrichtung und ein Verfahren angegeben werden, die nach Einstellung der Frequenz im weiteren Betrieb ohne zusätzlichen Energiebedarf arbeitet.
Darstellung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1. Die Vorrichtung umfasst ein schwingfähiges Feder-Masse-System mit Elektrodenstrukturen an zumindest einer Seite des Feder-Masse-Systems, insbesondere mit einer Kammstruktur, das mechanische Schwingungen (m) erfasst. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Abdeckung, welche das schwingfähige Feder-Masse-System oder eine mit dem schwingfähigen Feder-Masse-System elektrisch verbundenen Elektrode zur Eigenfrequenzabstimmung partiell überdeckt.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst gemäß Patentanspruch 9 durch ein Verfahren zur Erfassung von mechanischen Schwingungen in einem schwingfähigen Feder-Masse-System mit zumindest einer Elektrodenstruktur an zumindest einer Seite, insbesondere eine Kammstruktur. Eine Abdeckung, welche das schwingfähige Feder-Masse-System oder eine mit der schwingenden Masse elektrisch verbundene Elektrode zur Eigenfrequenzabstimmung partiell überdeckt, wird verschoben.
Die erfindungsgemäße Lösung ist eine Weiterentwicklung der oben genannten Lösungsansätze.
Die Kraft F an einer Kammelektrode im Overlap-Prinzip berechnet sich mit

n: Anzahl der Finger pro Kamm,
h: Höhe der Kammelektroden,
ε₀: Dielektrizitätskonstante,
ε: relative Dielektrizitätszahl des Mediums zwischen den Elektroden,
d: Abstand zwischen den Elektroden.

Aus dieser Gleichung wird ersichtlich, dass die Kraft konstant ist, so lange auch die Spannung U konstant ist. Wird die Spannung aber so gesteuert, dass sich die Kräfte wegabhängig verändern, so hat dies einen Einfluss auf die Gesamtfedersteifigkeit und somit auf die Resonanzfrequenz des Systems.
Diese Erfindung ermöglicht eine entsprechende Steuerung, die nur zum Verstellen der Resonanzfrequenz Energie benötigt. Der weitere Betrieb des Harvesters/Sensors auf der abgestimmten Frequenz erfolgt ohne weiteren Energieaufwand.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhafterweise als Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden, der mechanische Schwingungen des schwingfähigen Feder-Masse-System in elektrische Energie umwandelt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird diese alternativ als Schwingungssensor verwendet.
Die Abdeckung des schwingfähigen Feder-Masse-Systems oder einer mit der schwingfähigen Feder-Masse-System elektrisch verbundene Elektrode kann vorteilhafterweise auch aus einem Elektret bestehen.
Ein Elektret ist ein elektrisch isolierendes Material, das quasi-permanent gespeicherte elektrische Ladungen oder quasi-permanent ausgerichtete elektrische Dipole enthält und somit ein quasi-permanentes elektrisches Feld in seiner Umgebung oder in seinem Inneren erzeugt. Heute werden Elektrete meist aus Polymeren hergestellt, teilweise aber auch aus anorganischen Dielektrika wie Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid.
Über die Spannung U kann die Kraft F an den Elektroden beeinflusst werden. Neu an dieser Erfindung ist, die Spannung durch Veränderung der wirksamen Fläche des Elektrets (bezogen auf einer elektrisch leitfähigen aber zum Elektret elektrisch isolierten Schicht, z. B. Silizium) zu verändern und somit die Resonanzfrequenz zu beeinflussen. Die mechanische Verstellung kann z. B. über eine angepasste Form des Schrittschaltwerkes erfolgen und so realisiert werden, dass sie selbsthaltend ist (beispielsweise über Klinken oder Rasten).
Die Resonanzabstimmung des schwingfähigen Systems kann autonom ohne manuelle Eingriffe des Anwenders erfolgen.
Bei kapazitiven Generatoren ist durch den Einsatz des Elektrets keine zusätzliche Spannungsquelle zur Erzeugung der Vorspannung/Polarisationsspannung nötig.
Vorteilhafterweise beinhaltet die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest zwei Elektrodenstrukturen, welche sich an zwei, sich gegenüberliegenden Seiten des schwingfähigen Feder-Masse-System befinden.
Die Vorrichtung kann dabei zumindest teilweise als mikromechanische Struktur ausgeführt sein.
Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungsformen
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigen
1a: eine schematische Darstellung der Draufsicht zur Verdeutlichung der variablen Überdeckung u des Elektrets mit dem darunter liegenden leitfähigen Material (hier Silizium),
1b: Zugehörige Seitenansicht mit schematischer Darstellung
1c: Simulationsergebnisse für den Leistungsabfall über R zur Verdeutlichung der Resonanzverschiebung für das dargestellte System durch Veränderung von U_pol aufgrund der Elektretverschiebung.
2: ein Piezoelektrischer Energy Harvester mit veränderlicher Resonanzfrequenz durch Variation der Elektret-Überdeckung.
zeigt schematisch die Idee dieser Erfindung am Beispiel eines kapazitiv arbeitenden Energy Harvesters. Durch die Veränderung der Überdeckung u durch Verschiebung des Elektrets um die Relativverschiebung x verändern sich die Spannungsabfälle über den Kondensatoren (hier C₁ und C₂). Schwingt die Masse m nicht, lässt sich leicht die Spannung an diesen Kondensatoren berechnen (der Spannungsabfall über den Widerständen R wird Null). Sie wird Polarisationsspannung U_Pol genannt und kann mit
berechnet werden. Die Ladung Q variiert mit der Überdeckung u. Auch die Kapazität zwischen Elektret und in diesem Falle Silizium ändert sich, die Gesamtkapazität C_gesamt wird dadurch aber nicht so stark beeinflusst wie die Ladung Q. Dadurch ist die Polarisationsspannung über die Relativverschiebung x der Position des Elektrets zur leitfähigen Schicht beeinflussbar. Schwingt die Masse m entlang der in 1a dargestellten Richtung, bleibt die wirksame Überdeckung des Elektrets durch eine entsprechende konstruktive Umsetzung konstant, C₁ und C₂ verändern sich aber gegensinnig. Durch die hochohmigen Widerstände R (können beispielsweise die Verbraucher bei den Energy Harvestern sein) können die Ladungen aus den variablen Kondensatoren nur verzögert abfließen. Am kleiner werden Kondensator stellt sich somit eine größere Spannung und folglich größere Kraftwirkung ein. Am anderen Kondensator verhält es sich genau umgekehrt.
Es entsteht eine zusätzliche Kraft, die die Resonanzfrequenz beeinflusst.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Harvester oder piezoelektrischen/piezoresistiven Sensors wird hier ebenfalls dadurch gesteuert, dass die Überdeckung zwischen Elektret und der Siliziumfläche variabel gestaltet ist und sich damit die elektrische Spannung an den Kammelektroden einstellen lässt. Über die Kammelektroden werden elektrostatische Kräfte auf den Schwinger ausgeübt, die in Richtung Nulllage wirken. Die Gesamtfedersteifigkeit wird damit erhöht.

Claims

Vorrichtung mit einem schwingfähigen Feder-Masse-System (1) mit Elektrodenstrukturen (3) an zumindest einer Seite des Feder-Masse-Systems (1), insbesondere eine Kammstruktur, das mechanische Schwingungen (m) erfasst, wobei die Vorrichtung eine Abdeckung, bestehend aus einem Elektret (2), umfasst, welche das schwingfähige Feder-Masse-System (1) oder eine mit dem schwingfähigen Feder-Masse-System elektrisch verbundene Elektrode zur Eigenfrequenzabstimmung partiell überdeckt dadurch gekennzeichnet, dass zur Abstimmung der Eigenfrequenz eine Verschiebung (x) der Abdeckung (2) senkrecht zur Schwingrichtung der schwingenden Masse erfolgt.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Generator verwendet wird zur Erzeugung elektrischer Energie, der mechanische Schwingungen (m) des schwingfähigen Feder-Masse-System (1) in elektrische Energie umwandelt.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Schwingungssensor verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass die Fläche der wirksamen Überdeckung des Schwingkörpers durch die Abdeckung (2) konstant bleibt bei Schwingung des schwingfähigen Feder-Masse-Systems (1).
Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet dass sie zumindest zwei Elektrodenstrukturen (3) beinhaltet, welche sich an zwei, sich gegenüberliegenden Seiten des schwingfähigen Feder-Masse-System (1) befinden.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet dass diese zumindest teilweise als mikromechanische Struktur ausgeführt ist.
Verfahren zur Erfassung von mechanischen Schwingungen (m) in einem schwingfähiges Feder-Masse-System (1) mit zumindest einer Elektrodenstruktur (3) an zumindest einer Seite, insbesondere eine Kammstruktur, bei dem eine Abdeckung (2) bestehend aus einem Elektret, welche die schwingende Masse oder eine mit dem schwingfähiges Feder-Masse-System elektrisch verbundene Elektrode zur Eigenfrequenzabstimmung partiell überdeckt, verschoben (x) wird dadurch gekennzeichnet, dass zur Abstimmung der Frequenz die Abdeckung (2) senkrecht (x) zur Schwingrichtung (m) des Schwingkörpers verschoben wird.
Verfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung elektrischer Energie ein Generator die mechanischen Schwingungen (m) in elektrische Energie umwandelt.
Verfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet dass das Verfahren zum Erfassen von Schwingungen als Schwingungssensor verwendet wird.
Verfahren nach Patentanspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Schwingung des schwingfähigen Feder-Masse-Systems (1) die Fläche der wirksamen Überdeckung des schwingfähigen Feder-Masse-Systems (1) durch die Abdeckung (2) konstant bleibt.