NL2027140B1

NL2027140B1 - A method of capacitively transferring energy and a semiconductor component and device for use with the method

Info

Publication number: NL2027140B1
Application number: NL2027140A
Authority: NL
Inventors: Herman Johan Mensink Clemens
Original assignee: Herman Johan Mensink Clemens
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2022-07-11

Abstract

De uitvinding betreft een werkwijze voor het capacitief overdragen van energie van een apparaat zoals een 5 draagbaar apparaat, naar een separaat halfgeleidercomponent zoals een CMOS—component, waarbij het apparaat een spanningsbron zoals een wisselspanningsbron en een daarmee verbonden anode elektrode omvat en de halfgeleidercomponent een met een elektrische last verbonden cathode elektrode l0 omvat, welke elektroden geconfigureerd zijn voor het vormen van een capacitief gekoppeld paar waarbij de anode elektrode een alternerend elektrisch veld opwekt waarbij door elektrostatische inductie een alternerende ladingsverplaatsing optreedt in de cathode elektrode, welke ladingsverplaatsing 15 gebruikt wordt voor het elektrisch voeden van de elektrische last van de halfgeleidercomponent. De uitvinding betreft tevens een halfgeleidercomponent zoals een CMOS—component en een apparaat zoals een draagbaar apparaat voor gebruik met een werkwijze 20 volgens de uitvinding.The invention relates to a method for capacitively transferring energy from a device such as a portable device to a separate semiconductor component such as a CMOS device, wherein the device comprises a voltage source such as an alternating voltage source and an anode electrode connected thereto and the semiconductor component comprises a comprises an electrically load connected cathode electrode 10, the electrodes being configured to form a capacitively coupled pair wherein the anode electrode generates an alternating electric field wherein by electrostatic induction an alternating charge displacement occurs in the cathode electrode, which charge displacement is used for electrically feeding the electrical load of the semiconductor component. The invention also relates to a semiconductor device such as a CMOS device and an apparatus such as a portable device for use with a method according to the invention.

Description

Een werkwijze voor het capacitief overdragen van energie en een halfgeleidercomponent en apparaat voor gebruik met de werkwijze De uitvinding betreft een werkwijze voor het capacitief overdragen van energie van een apparaat zoals een draagbaar apparaat, naar een separaat halfgeleidercomponent zoals een CMOS-component.A method for capacitively transferring energy and a semiconductor device and device for use with the method The invention relates to a method for capacitively transferring energy from a device, such as a portable device, to a separate semiconductor device such as a CMOS device.

Voor het instrumenteren of identificeren van objecten worden tegenwoordig veelvuldig RFID tags gebruikt. Om eventuele actieve componenten van de RFID tag, of een daarop aangesloten microcontroller, van stroom te voorzien, wordt veelal gebruikgemaakt van door middel van elektromagnetische inductie overgedragen energie. Hiervoor moet de RFID tag voorzien zijn van een antenne, die vaak factoren groter is dan de actieve componenten van de tag. Deze antenne, zoals bijvoorbeeld een spoel, interacteert dan met een door een uitleesapparaat opgewekt magnetische veld. Een nadeel van de bestaande wijze van overdracht van energie, is dat dergelijke antennes veel ruimte innemen.Today, RFID tags are widely used for instrumenting or identifying objects. In order to power any active components of the RFID tag, or a microcontroller connected to it, use is often made of energy transferred by means of electromagnetic induction. For this, the RFID tag must be equipped with an antenna, which is often factors larger than the active components of the tag. This antenna, such as a coil, for example, then interacts with a magnetic field generated by a reading device. A drawback of the existing way of transferring energy is that such antennas take up a lot of space.

Het is nu een doel van de uitvinding om een werkwijze te verschaffen voor het overdragen van energie, waarbij het bovenstaande nadeel verminderd of zelfs voorkomen kan worden.It is now an object of the invention to provide a method for transferring energy, wherein the above drawback can be reduced or even prevented.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt met een werkwijze voor het capacitief overdragen van energie van een apparaat zoals een draagbaar apparaat, naar een separaat halfgeleidercomponent zoals een CMOS-component, waarbij het apparaat een wisselspanningsbron en een daarmee verbonden anode elektrode omvat en de halfgeleidercomponent een met een elektrische last verbonden cathode elektrode omvat, welke elektroden geconfigureerd zijn voor het vormen van een capacitief gekoppeld paar waarbij de anode elektrode een alternerend elektrisch veld opwekt waarbij door elektrostatische inductie een alternerende ladingsverplaatsing optreedt in de cathode elektrode, welke ladingsverplaatsing gebruikt wordt voor het elektrisch voeden van de elektrische last van de halfgeleidercomponent.This object is achieved according to the invention with a method for capacitively transferring energy from a device, such as a portable device, to a separate semiconductor device such as a CMOS device, the device comprising an AC voltage source and an anode electrode connected thereto and the semiconductor component a cathode electrode connected to an electrical load, the electrodes being configured to form a capacitively coupled pair wherein the anode electrode generates an alternating electric field wherein by electrostatic induction an alternating charge displacement occurs in the cathode electrode, which charge displacement is used for the electrical feeding the electrical load of the semiconductor component.

Door volgens de werkwijze van de uitvinding een capacitief paar te vormen tussen een in een halfgeleidercomponent gevormde cathode elektrode en een anode elektrode in een apparaat, zoals bijvoorbeeld een uitleesapparaat, kan, in plaats van door middel van elektromagnetische inductie, door middel van elektrostatische inductie energie overgedragen worden. De beide elektroden vormen daarbij een capacitief paar ofwel een condensator, waarbij het diëlektricum tussen de elektroden gevormd wordt door de tussenliggende lucht en/of eventuele andere afdekking van ten minste één van de elektroden. Dit kan bijvoorbeeld toegepast worden in een halfgeleidercomponent zoals een CMOS- component, maar ook in componenten gebaseerd op andere halfgeleidertechnologieën zoals bijvoorbeeld bipolair, Silicium-Germanium (SiGe) of Galliumarsenide (GaAs).By forming a capacitive pair according to the method of the invention between a cathode electrode formed in a semiconductor component and an anode electrode in a device such as, for example, a reading device, instead of by means of electromagnetic induction, energy can be obtained by means of electrostatic induction. be transferred. The two electrodes then form a capacitive pair or a capacitor, the dielectric between the electrodes being formed by the intervening air and/or any other covering of at least one of the electrodes. This can be applied, for example, in a semiconductor component such as a CMOS component, but also in components based on other semiconductor technologies such as, for example, bipolar, Silicon-Germanium (SiGe) or Gallium arsenide (GaAs).

Door een variërende spanning, zoals bijvoorbeeld wisselspanning, aan te brengen op de anode elektrode, ontstaat een elektrisch veld waarvan de sterkte varieert in afhankelijkheid van de spanningsvariatie. Daarbij kan de polariteit van de spanning wisselen (van positief naar negatief en vice versa), maar de spanningsvariatie kan ook met dezelfde polariteit opgewekt worden. Dit variërende elektrische veld brengt in de cathode elektrode een ladingsverplaatsing teweeg. Bijvoorbeeld tussen de cathode elektrode en een in de halfgeleidercomponent opgenomen passieve elektrode. Deze ladingsverplaatsing kan benut worden voor bijvoorbeeld het opladen van een elektrische last in de halfgeleidercomponent, zoals bijvoorbeeld een condensator. De daarin opgeslagen energie kan dan direct of later aangewend worden voor de stroomvoorziening van de halfgeleidercomponent.By applying a varying voltage, such as for instance alternating voltage, to the anode electrode, an electric field is created, the strength of which varies in dependence on the voltage variation. The polarity of the voltage can change (from positive to negative and vice versa), but the voltage variation can also be generated with the same polarity. This varying electric field causes a charge displacement in the cathode electrode. For example, between the cathode electrode and a passive electrode included in the semiconductor component. This charge displacement can be used, for instance, for charging an electrical charge in the semiconductor component, such as for instance a capacitor. The energy stored therein can then be used directly or later for the power supply of the semiconductor component.

Volgens de uitvinding wordt onder een wisselspanning een variërende spanning begrepen. Daarbij is het niet noodzakelijk, maar uiteraard wel mogelijk, dat de polariteit van de spanning wisselt (van positief naar negatief en vice versa).According to the invention, an alternating voltage is understood to mean a varying voltage. It is not necessary, but of course possible, that the polarity of the voltage changes (from positive to negative and vice versa).

Er hoeft voor toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding geen grote antenne of spoel opgenomen te worden voor het overdragen van energie.For the application of the method according to the invention, no large antenna or coil need be included for the transfer of energy.

De wisselspanningsbron is elektrisch verbonden met de anode elektrode, waardoor het door de anode elektrode opgewekte elektrische veld alterneert.The alternating voltage source is electrically connected to the anode electrode, whereby the electric field generated by the anode electrode alternates.

In gevallen biedt capacitieve energieoverdracht volgens de uitvinding tevens het voordeel dat, in tegenstelling tot elektromagnetische inductie, geen rekening gehouden hoeft te worden met het voorkomen van blokkades voor de door de antenne of spoel lopende magnetische veldlijnen. Bijvoorbeeld wanneer een elektromagnetische inductiespoel op een halfgeleidercomponent aangebracht wordt, kunnen de magnetische veldlijnen gehinderd worden door onderliggende metaallagen. Dit heeft een groot effect op de efficiëntie. Bij elektrostatische inductie speelt dat effect geen rol.In cases, capacitive energy transfer according to the invention also offers the advantage that, in contrast to electromagnetic induction, the prevention of blockages for the magnetic field lines passing through the antenna or coil need not be taken into account. For example, when an electromagnetic induction coil is applied to a semiconductor component, the magnetic field lines may be hindered by underlying metal layers. This has a major effect on efficiency. This effect does not play a role in electrostatic induction.

In een uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding, zijn ten minste twee hoofdafmetingen van de halfgeleidercomponent elk maximaal 1mm, bij voorkeur elk maximaal 0,3mm zijn.In an embodiment of a method according to the invention, at least two main dimensions of the semiconductor component are each a maximum of 1 mm, preferably each a maximum of 0.3 mm.

De uitvinding is bijzonder geschikt voor toepassing in zeer kleine componenten, omdat voor de energievoorziening geen grote antenne of spoel meer nodig is. Bij voorkeur zijn de twee hoofdafmetingen of nominale hoofdafmetingen zoals de breedte en de lengte van de halfgeleidercomponent elk maximaal Imm, bij voorkeur maximaal 0,3mm. De dikte van de halfgeleidercomponent volgt bijvoorbeeld uit het productieprocedé. Er hoeft dan geen backgrind, het dunner slijpen van de wafer, toegepast te worden. Bij een waferdikte van 0,3mm, wordt bij een hoofdafmeting van 0,3mm een kubusvormige korrel gevormd. Op een halfgeleidercomponent van dat formaat kan, bijvoorbeeld met 180nm of 130nm CMOS technologie, een circuit geïntegreerd worden voor het uitvoeren van een bepaalde taak.The invention is particularly suitable for use in very small components, because a large antenna or coil is no longer required for the energy supply. Preferably, the two main dimensions or nominal main dimensions such as the width and the length of the semiconductor device are each at most Imm, preferably at most 0.3mm. The thickness of the semiconductor component results, for example, from the production process. In that case, no backgrind, the thinner grinding of the wafer, has to be applied. At a wafer thickness of 0.3mm, at a main dimension of 0.3mm, a cubic grain is formed. A circuit can be integrated on a semiconductor device of that size, for example with 180nm or 130nm CMOS technology, to perform a certain task.

In een andere uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding, is ten minste één van de, zijn bij voorkeur beide, elektroden plaatvormig.In another embodiment of a method according to the invention, at least one, preferably both, of the electrodes is plate-shaped.

Met een plaatvormige, bij voorkeur vlakke, elektrode of elektroden kan eenvoudig het capacitieve paar gevormd worden door de plaatelektroden in elkaars nabijheid te brengen.With a plate-shaped, preferably flat, electrode or electrodes, the capacitive pair can simply be formed by bringing the plate electrodes into each other's proximity.

Ook een uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding, is een werkwijze waarbij het effectieve oppervlakte van de cathode elektrode kleiner dan of gelijk is aan 0, 25mm.Also an embodiment of a method according to the invention is a method wherein the effective area of the cathode electrode is less than or equal to 0.25mm.

Voor toepassing in zeer kleine componenten kan een kleine cathode elektrode volstaan wanneer een kleine energiebehoefte bestaat. Dit vergroot het miniaturisatievoordeel ten opzichte van een inductiespoel nog verder, Het effectieve oppervlak is het oppervlak dat bijdraagt aan het capacitieve paar dat volgens de werkwijze gevormd wordt.For application in very small components, a small cathode electrode can suffice when a small energy requirement exists. This further enhances the miniaturization advantage over an induction coil. The effective area is the area that contributes to the capacitive pair formed by the method.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding, is de cathode elektrode gevormd in een metaallaag van de halfgeleidercomponent, bij voorkeur in de laatst aangebrachte metaallaag van de halfgeleidercomponent.In a preferred embodiment of a method according to the invention, the cathode electrode is formed in a metal layer of the semiconductor component, preferably in the last applied metal layer of the semiconductor component.

Een cathode elektrode kan goed gevormd worden in een metaallaag van een halfgeleidercomponent, zoals bijvoorbeeld in de top metaallaag van een CMOS-chip. Bij voorkeur is de cathode elektrode opgenomen in de laatst aangebrachte metaallaag. Hiermee schermt de cathode elektrode de onderliggende metaallagen grootdeels af van het 5 elektrostatische veld.A cathode electrode may well be formed in a metal layer of a semiconductor component, such as, for example, in the top metal layer of a CMOS chip. Preferably, the cathode electrode is included in the last applied metal layer. The cathode electrode hereby largely shields the underlying metal layers from the electrostatic field.

Ook volgens de uitvinding, is een uitvoeringsvorm van een werkwijze waarbij de afstand tussen de elektroden ten minste lcm bedraagt.Also according to the invention, there is an embodiment of a method wherein the distance between the electrodes is at least 1cm.

Bij een afstand van ten minste lcm kunnen hoge voltages tot meerdere kilovolts gebruikt worden, zonder dat doorslag optreedt.At a distance of at least 1cm, high voltages of up to several kilovolts can be used without breakdown.

Ook een uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding, is een werkwijze waarbij het effectieve oppervlakte van de anode elektrode zich in een factor groter dan of gelijk aan 10.000:1 verhoudt tot het effectieve oppervlakte van de cathode elektrode.Also an embodiment of a method according to the invention is a method in which the effective surface area of the anode electrode is in a factor greater than or equal to 10,000:1 to the effective surface area of the cathode electrode.

Door de anode elektrode verhoudingsgewijs groot te maken ten opzichte van de cathode elektrode, wordt de relatieve positionering van de elektroden vereenvoudigd. In het bijzonder wanneer de cathode elektrode zeer klein is, is dit voordelig. Ook wordt de relatieve hoek van de elektroden ten opzichte van elkaar minder relevant. Daarbij biedt een dergelijke verhouding de mogelijkheid langer energie over te dragen, en eventueel op te slaan in bijvoorbeeld een condensator, wanneer een uitleesapparaat zich over de halfgeleidercomponent beweegt.By making the anode electrode relatively large with respect to the cathode electrode, the relative positioning of the electrodes is simplified. This is advantageous in particular when the cathode electrode is very small. Also, the relative angle of the electrodes to each other becomes less relevant. In addition, such a ratio offers the possibility of transferring energy for a longer period of time, and possibly of storing it in, for example, a capacitor, when a reading device moves over the semiconductor component.

In een andere uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding, staat op de anode elektrode een wisselspanning in het bereik 50V-10kV, bij voorkeur 1kV.In another embodiment of a method according to the invention, an alternating voltage in the range 50V-10kV, preferably 1kV, is present on the anode electrode.

Met een spanning het bereik 50V-10kV, bij voorkeur 1kV kan voldoende energie overgedragen worden voor het van energie voorzien van de elektrische last van een halfgeleidercomponent. De hoeveelheid energie die overgedragen kan worden is daarbij afhankelijk van de capaciteit van het capacitieve paar, de spanning en de frequentie van het elektrostatische veld.With a voltage in the range 50V-10kV, preferably 1kV, sufficient energy can be transferred to energize the electrical load of a semiconductor component. The amount of energy that can be transferred depends on the capacitance of the capacitive pair, the voltage and the frequency of the electrostatic field.

Ook een uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding, is een werkwijze waarbij de frequentie van de wisselspanning op de anode elektrode ligt in het bereik 10kHz- 10MHz, bij voorkeur 0, 1MHz.Also an embodiment of a method according to the invention is a method in which the frequency of the alternating voltage on the anode electrode is in the range 10kHz-10MHz, preferably 0.1MHz.

Met een frequentie in het bereik 10kHz-10MHz, bij voorkeur 0,1MHz kan voldoende energie overgedragen worden voor het van energie voorzien van de elektrische last van een halfgeleidercomponent. De hoeveelheid energie die overgedragen kan worden is daarbij afhankelijk van de capaciteit van het capacitieve paar, de spanning en de frequentie van de wisselspanning.With a frequency in the range 10kHz-10MHz, preferably 0.1MHz, sufficient energy can be transferred to energize the electrical load of a semiconductor component. The amount of energy that can be transferred depends on the capacitance of the capacitive pair, the voltage and the frequency of the alternating voltage.

Algemeen geldt voor de werkwijze volgens de uitvinding, dat de in de halfgeleidercomponent opgewekte spanning voldoende ver, een aantal keer, boven de thermische spanning van 25mV (kT/e) uit moet komen om er gebruik van te kunnen maken. Bijvoorbeeld 0,1V is voldoende. Dit kan zelfs met een grote verzwakking door de capacitieve koppeling (bijvoorbeeld 1/10.000) bereikt worden wanneer met 1kV begonnen wordt.In general, it applies to the method according to the invention that the voltage generated in the semiconductor component must exceed the thermal voltage of 25 mV (kT/e) sufficiently far, a number of times, in order to be able to use it. For example 0.1V is sufficient. This can be achieved even with a large attenuation due to the capacitive coupling (eg 1/10,000) when starting with 1kV.

Bijvoorbeeld met een spanning van lkV en een frequentie van 0,1MHz kan voldoende spanning opgewekt worden om bruikbaar te zijn.For example, with a voltage of lkV and a frequency of 0.1MHz, sufficient voltage can be generated to be usable.

Ook een voorkeursuitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding, is een werkwijze waarbij de alternerende ladingsverplaatsing optreedt door een mechanische verplaatsing van de anode elektrode ten opzichte van de cathode elektrode.Also a preferred embodiment of a method according to the invention is a method in which the alternating charge displacement occurs through a mechanical displacement of the anode electrode relative to the cathode electrode.

Door het alternerende elektrische veld mechanisch op te wekken, kan met een constante spanning op de anode elektrode toch een alternerend veld verkregen worden.By mechanically generating the alternating electric field, an alternating field can still be obtained with a constant voltage on the anode electrode.

: Voorbeelden van bruikbare mechanische verplaatsingen zijn bijvoorbeeld een verplaatsing van de anode elektrode ten opzichte van de cathode elektrode waardoor de onderlinge afstand gevarieerd worden, door een zijdelingse translatie zoals bijvoorbeeld een verplaatsing op een eventueel doorlopende band of door een plaatvormige vlakke anode elektrode om een in hoofdzaak aan de vlakke anode elektrode evenwijdige as te roteren, waardoor de hoek tussen de anode elektrode en de cathode elektrode gevarieerd wordt.Examples of useful mechanical displacements are, for example, a displacement of the anode electrode with respect to the cathode electrode, whereby the mutual distance is varied, by a lateral translation, such as for example a displacement on a possibly continuous belt or by a plate-shaped flat anode electrode to form an substantially parallel to the flat anode electrode, thereby varying the angle between the anode electrode and the cathode electrode.

In een andere uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding, is de anode elektrode aangebracht op een roterend element.In another embodiment of a method according to the invention, the anode electrode is arranged on a rotating element.

Door de anode elektrode op een roterend element aan te brengen, kan door rotatie van het element door bijvoorbeeld een elektromotor, een variërend elektrisch veld opgewekt worden.By arranging the anode electrode on a rotating element, a varying electric field can be generated by rotation of the element by, for instance, an electric motor.

Ook een uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding, is een werkwijze waarbij de anode elektrode uit ten minste twee segmenten bestaat, welke segmenten op afstand van elkaar aangebracht zijn.Also an embodiment of a method according to the invention is a method in which the anode electrode consists of at least two segments, which segments are arranged at a distance from each other.

Een frequentie van 10kHz kan daarbij bijvoorbeeld ook mechanisch opgewekt worden. Door bijvoorbeeld 15 anode segmenten op de omtrek aan te brengen van een wiel met een rotatiesnelheid van 40.000 toeren/min, wordt in een bij de omtrek van het wiel gelegen punt een variërend elektrisch veld ondervonden met een frequentie van 10kHz. Dit kan bijvoorbeeld gecombineerd worden met een spanning van 10kV.A frequency of 10 kHz can also be generated mechanically, for example. For example, by arranging 15 anode segments on the circumference of a wheel with a rotational speed of 40,000 rpm, a varying electric field with a frequency of 10 kHz is experienced at a point located near the circumference of the wheel. This can, for example, be combined with a voltage of 10 kV.

De uitvinding betreft tevens een halfgeleidercomponent zoals een CMOS-component geconfigureerd voor gebruik met een werkwijze volgens de uitvinding.The invention also relates to a semiconductor device such as a CMOS device configured for use with a method according to the invention.

De uitvinding betreft tevens een apparaat zoals een draagbaar apparaat geconfigureerd voor gebruik met een werkwijze volgens de uitvinding.The invention also relates to an apparatus such as a portable device configured for use with a method according to the invention.

Met een draagbaar, bij voorkeur handzaam, apparaat zoals bijvoorbeeld een handscanner, kan de capacitieve energieoverdracht met een halfgeleidercomponent eenvoudig bewerkstelligd worden, doordat het apparaat eenvoudig in de buurt van een halfgeleidercomponent gebracht kan worden.With a portable, preferably handy, device, such as for instance a hand-held scanner, the capacitive energy transfer with a semiconductor component can be effected in a simple manner, because the device can simply be brought in the vicinity of a semiconductor component.

Deze en andere kenmerken van de uitvinding worden nader toegelicht aan de hand van de bijgaande tekeningen.These and other features of the invention will be further elucidated with reference to the accompanying drawings.

Figuur 1 toont een schematische weergave van een uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding.Figure 1 shows a schematic representation of an embodiment of a method according to the invention.

Figuur 2 toont een schematische weergave van een uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding, met schematische componenten.Figure 2 shows a schematic representation of an embodiment of a method according to the invention, with schematic components.

Figuur 3 toont een schematische weergave van een tweede uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding, met schematische componenten.Figure 3 shows a schematic representation of a second embodiment of a method according to the invention, with schematic components.

Figuren 1 en 2 tonen een schematische weergave van een Uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding, waarbij een plaatvormige anode elektrode 1 een capacitief gekoppeld paar vormt met een plaatvormige cathode elektrode 2.Figures 1 and 2 show a schematic representation of an embodiment of a method according to the invention, wherein a plate-shaped anode electrode 1 forms a capacitively coupled pair with a plate-shaped cathode electrode 2.

De anode elektrode 1 is onderdeel van een niet getoond apparaat 3, zoals een uitleesapparaat. De cathode elektrode 2 is onderdeel van een niet getoonde halfgeleidercomponent 4. De elektroden zijn op een afstand d van elkaar aangebracht, waarbij de afstand d bijvoorbeeld lcm is. De ruimte tussen de elektroden treedt op als diëlektricum. Op de anode elektrode 1 is een wisselspanningsbron 5 aangesloten, waardoor een wisselspanning van ~30kHz aangebracht wordt op de anode elektrode 1 met een spanning van ~3kV. Het door de anode elektrode 1 opgewekte elektrische veld 6, aangegeven met pijlen, veroorzaakt daarbij een ladingsverplaatsing in de cathode elektrode 2. Deze ladingsverplaatsing kan gebruikt worden voor het voeden van een in de halfgeleidercomponent 4 opgenomen elektrische last 7. Bij een separaat halfgeleidercomponent 4, kan de ladingsverplaatsing bijvoorbeeld plaatsvinden naar en van een passieve elektrode 8. De wisselspanningsbron 5 kan bijvoorbeeld zoals weergegeven een ladingsverplaatsing van aarde naar de anode elektrode 1 veroorzaken, maar er kan ook van een passieve elektrode gebruik gemaakt worden.The anode electrode 1 is part of a device 3, not shown, such as a reading device. The cathode electrode 2 is part of a semiconductor component 4 not shown. The electrodes are arranged at a distance d from each other, the distance d being, for example, 1 cm. The space between the electrodes acts as a dielectric. An alternating voltage source 5 is connected to the anode electrode 1, whereby an alternating voltage of ~30kHz is applied to the anode electrode 1 with a voltage of ~3kV. The electric field 6 generated by the anode electrode 1, indicated by arrows, causes a charge displacement in the cathode electrode 2. This charge displacement can be used for feeding an electric load 7 included in the semiconductor component 4. In the case of a separate semiconductor component 4, the charge displacement can, for example, take place to and from a passive electrode 8. The alternating voltage source 5 can, for example, as shown, cause a charge displacement from ground to the anode electrode 1, but use can also be made of a passive electrode.

Figuur 3 toont een schematische weergave van een tweede uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding, waarbij een segment 11d van de anode elektrode 11, bestaand uit vier segmenten lla—d, een capacitief gekoppeld paar vormt met een plaatvormige cathode elektrode 2. De verwijzingscijfers die relateren aan de halfgeleidercomponent 4 zijn voor het gemak gelijk aan de uitvoeringsvorm van figuren 1 en 2. De anode elektrode 11 is onderdeel van een niet getoond apparaat 13, zoals een uitleesapparaat. Op de segmenten lla—d van de anode elektrode 11 is een gelijkspanningsbron 15 aangesloten met een uitgangsspanning van ~5kV. De segmenten lla—d zijn op afstand van elkaar aangebracht op een rotor 12. De rotor 12 is roteerbaar om een rotatieas 14. Het door segment 11d van de anode elektrode 11 opgewekte elektrische veld 6, aangegeven met pijlen, veroorzaakt daarbij een ladingsverplaatsing in de cathode elektrode 2. Door de rotor 12 te roteren in de richting van de pijl 16, wordt alternerend een capacitief gekoppeld paar gevormd tussen opvolgende segment lla—d en de cathode elektrode 2 in afhankelijkheid van de rotatiesnelheid. Bij een rotatiesnelheid van de rotor 12 van 40.000 toeren/min, alterneert het op de cathode elektrode 2 werkende veld met een frequentie van ~2,7kHz. In de praktijk zijn meer dan vier segmenten eenvoudig realiseerbaar.Figure 3 shows a schematic representation of a second embodiment of a method according to the invention, in which a segment 11d of the anode electrode 11, consisting of four segments 11a-d, forms a capacitively coupled pair with a plate-shaped cathode electrode 2. The reference numerals relating to the semiconductor component 4 are for convenience the same as the embodiment of Figs. 1 and 2. The anode electrode 11 is part of a device 13 not shown, such as a reading device. A DC voltage source 15 with an output voltage of ~5 kV is connected to the segments 11a-d of the anode electrode 11 . The segments 11a-d are arranged at a distance from each other on a rotor 12. The rotor 12 is rotatable about an axis of rotation 14. The electric field 6 generated by segment 11d of the anode electrode 11, indicated by arrows, causes a charge displacement in the cathode electrode 2. By rotating the rotor 12 in the direction of the arrow 16, a capacitively coupled pair is alternately formed between successive segment 11a-d and the cathode electrode 2 depending on the rotational speed. At a rotational speed of the rotor 12 of 40,000 rpm, the field acting on the cathode electrode 2 alternates at a frequency of ~2.7kHz. In practice, more than four segments are easily realizable.

Claims

Conclusions

A method of capacitively transferring energy from a device such as a portable device to a separate semiconductor device such as a CMOS device, the device comprising a voltage source such as an AC voltage source and an anode electrode connected thereto and the semiconductor component having an electrical charge connected cathode electrode, the electrodes being configured to form a capacitively coupled pair wherein the anode electrode generates an alternating electric field wherein electrostatic induction causes an alternating charge displacement in the cathode electrode, which charge displacement is used to electrically power the electrical load of the semiconductor component.

The method of claim 1, wherein at least two major dimensions of the semiconductor component are each at most 1mm, preferably each at most 0.3mm.

The method according to claim 1 or 2, wherein at least one, preferably both, electrodes are plate-shaped.

The method of any preceding claim, wherein the effective area of the cathode electrode is less than or equal to 0.25mm.

The method according to any one of the preceding claims, wherein the cathode electrode is formed in a metal layer of the semiconductor component, preferably in the last applied metal layer of the semiconductor component.

The method according to any one of the preceding claims, wherein the distance between the electrodes is at least 3m.

The method of any preceding claim, wherein the effective area of the anode electrode is a factor greater than or equal to 10,000:1 to the effective area of the cathode electrode.

The method according to any one of the preceding claims, wherein the anode electrode has an alternating voltage in the range 50V-10kV, preferably 1kV.

The method according to any one of the preceding claims, wherein the frequency of the AC voltage on the anode electrode is in the range 10kHz-10MHz, preferably 0.1MHz.

The method of any preceding claim, wherein the alternating charge displacement occurs by mechanical displacement of the anode electrode relative to the cathode electrode.

The method of claim 10, wherein the anode electrode is mounted on a rotating element.

The method of claim 10 or 11, wherein the anode electrode consists of at least two segments, which segments are spaced apart.

A semiconductor device such as a CMOS device configured for use with a method according to any one of the preceding claims.

A device such as a portable device configured for use with a method according to any one of claims 1 to 12.