WO2008025778A1 - Einrichtung zur energieumwandlung, insbesondere piezoelektrischer mikro-power-wandler - Google Patents

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WO2008025778A1
WO2008025778A1 PCT/EP2007/058952 EP2007058952W WO2008025778A1 WO 2008025778 A1 WO2008025778 A1 WO 2008025778A1 EP 2007058952 W EP2007058952 W EP 2007058952W WO 2008025778 A1 WO2008025778 A1 WO 2008025778A1
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WO
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wafer
membrane structure
lower cover
recess
energy
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PCT/EP2007/058952
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Gerald Eckstein
Ingo KÜHNE
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/308—Membrane type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B81B3/0021—Transducers for transforming electrical into mechanical energy or vice versa
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/03—Microengines and actuators
    • B81B2201/032—Bimorph and unimorph actuators, e.g. piezo and thermo
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0127—Diaphragms, i.e. structures separating two media that can control the passage from one medium to another; Membranes, i.e. diaphragms with filtering function

Definitions

  • the invention relates to a device, in particular a microsystem, with a device for energy conversion.
  • microsystems in the areas of sensors, actuators, in data communication as well as in automotive and automation technology. Such microsystems must be powered by energy for operation. The microsystems should be as independent as possible, ie au ⁇ tark.
  • the invention is based on the object for a Vorrich ⁇ processing, in particular for a microsystem, a Energywand ⁇ development to provide simple, efficient and cost effective manner.
  • the device should be integrated in conventional semiconductor technologies and essentially maintenance-free. Other requirements include wireless operation and optimal miniaturization of the device.
  • the device should be usable in particular as a sensor, as an actuator and / or for data transmission and / or as an energy source or generator and / or as a signal generator.
  • the solution for the energy conversion lies in the fact of mechanical energy, in particular vibrations that walking in the environment of the device, in particular of the microsystem are above ⁇ hands, mechanical energy into electrical energy. This means it is converted into electrical energy vibration ⁇ cal energy.
  • An energy utilization takes place by ⁇ means of exploiting the bending of a piezoelectric membrane structure that absorbs the vibrations. In this case, the energy efficiency can be optimized if the membrane structure is arranged encapsulated in an environment which has a réelle ⁇ specific pressure, which is in particular less than an isostatic pressure.
  • the device forms a generator, which thus essentially represents a spring-mass system, which in the
  • the generator receives the mechanical energy to be converted, in which it is coupled to the surrounding vibrations or fluctuations that one wishes to exploit.
  • the piezoelectric generator basically consists of the membrane structure which includes a functional piezoelectric layer. A bony bending of the
  • Membrane structure leads to mechanical stress in the piezoelectric layer, so that a continuous charge ⁇ shift occurs within this layer. This charge ⁇ shift can be used for energy.
  • the membrane structure is arranged encapsulated in an environment having a Va ⁇ uum.
  • one between two electrode layers for forming the membrane structure arranged piezoelectric layer arranged on a wafer such that at least the voltage applied to the wafer Elekt ⁇ roden slaughter extends beyond a wafer recess addition.
  • the membrane structure is arranged between an upper and a lower cover wafer such that the membrane structure can oscillate in a cavity formed.
  • the cavity while the intended purpose for the operation of the device for energy conversion pressure is provided.
  • the use of an upper and a lower cap wafer to encapsulate the device for energy conversion on the one hand offers the advantage that the mechanical damping of the system due to the surrounding air, it can be ⁇ considerably reduced. This leads to the higher energy yield.
  • a protection against external environmental influences To ⁇ such as dirt and moisture linenge ⁇ represents.
  • wafer-level packaging it is possible to achieve a device with small dimensions, since all production steps can be carried out using known methods of semiconductor technology.
  • the membrane structure is arranged between the upper and the lower cover wafer such that electrical connections of the electrode layers are led out of the cavity.
  • the connection of the device to an energy consumer or a buffer is possible.
  • the upper and lower cover wafers are brought into contact with the wafer in such a way that the wafer recess is enclosed to form the cavity.
  • at least the upper cover wafer has a recess facing the wafer recess.
  • the upper and / or the lower cover wafer are formed from glass.
  • the connection of the upper and the lower cover wafer and the wafer can be produced by anodic bonding.
  • the upper and / or the lower cover wafer are formed from silicon.
  • the connection of the upper and the lower cover wafer and the wafer can be produced by silicon fusion bonding, which is also known from the prior art connection method.
  • the electrode layers and the piezoelectric layer are arranged in the region of the wafer recess. In this way, the piezoelectric layer can effectively detect the vibration fluctuations .
  • an additional mass is mechanically coupled to the membrane structure.
  • the membrane structure can be made particularly sensitive to mechanical energy in the form of vibrations.
  • the additional mass may be advantageously integrated on the membrane structure lie ⁇ restrictive and / or in the carrier layer in the area of the wafer recess and / or integrated in one of the electrode layers in the area of the wafer recess.
  • lead can be applied to an electrode layer, for example by melting.
  • the carrier layer may have a boss structure.
  • a "boss structure" is a diaphragm stiffened in the middle.
  • the minimum is placed least a membrane structure as a spring-mass system having a resonant frequency so prepared that it is located in ⁇ ner endeavour a frequency band of vibration.
  • the resonance frequency of the membrane structure is adjustable in particular by varying the mass and / or spring stiffness.
  • the membrane structure may have discrete mass areas which are fixed so that only the unfixed mass vibrates.
  • a membrane structure can comprise regions with un ⁇ ter Kunststoff spring stiffness, which selects specifically excluded to provide different resonant frequencies and can be activated.
  • At least one of the electrode layers has a digital profile.
  • Digital means here only “divided”, that is “not continuous”.
  • the digital electrode surfaces are designed to be ⁇ vorzugt so that they comply with the respective ⁇ quipotenti ⁇ al inhabit, with respect to the mechanical stress in the layer to reduce the negative acting in energy conversion electro-mechanical feedback of the piezoelectric diaphragm.
  • the device for energy conversion as a sensor, as an actuator for the data communication as well as in the field of automotive and automation technology and / or designed as an energy source and / or as a signal generator.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a piezoelectric membrane structure see
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a piezoelectric ⁇ 's membrane structure.
  • a device for energy conversion is used as the energy source in the form of a piezoelectric micro-power generator.
  • FIG. 1 shows a wafer 1 with a wafer recess 4 introduced therein.
  • the wafer 1 may consist, for example, of silicon and / or SOI (silicon on insulator).
  • a membrane structure 3 is arranged on the wafer 1.
  • the membrane structure 3 is vibrationally connected to the wafer 1.
  • the membrane structure 3 comprises two electrode layers 5a, 5b, between which a piezoelectric layer 6 is arranged.
  • the electrode layers 5a, 5b may, for example, consist of platinum, titanium and / or platinum titanium or may also be formed of gold.
  • the piezoelectric layer 6 consists, for example, of PZT, AlN and / or PTFE or may also be formed of the material ZnO.
  • the piezo-electric ⁇ layer 6 can also as a layer sequence or mono- individually as thin PVD (less than 5 microns) as a sol-gel
  • the membrane structure 3 can also be applied on a carrier layer against the drawing, wel ⁇ surface is made for example of silicon, polysilicon, silicon dioxide and / or Si 3 N 4.
  • the carrier layer it is expedient for the carrier layer to be connected to the wafer 1 in a vibratory manner and to extend beyond the wafer recess 4.
  • the connection between carrier layer and wafer 1 can be produced for example by means of gluing or melting.
  • the support layer is by the lower, ie adjacent to the wafer 1, Elect ⁇ clear layer 5a generated. The lower electrode layer over ⁇ thus assumes the task of backing layer simultaneously.
  • the membrane structure 3 is arranged in a cavity 10, which is defined by an upper cover wafer 8 and a lower cover wafer 8
  • Cover wafer 9 and the wafer recess 4 is formed, which are respectively directly connected to the wafer 1 and indirectly connected to the wafer 1.
  • the lower cover wafer 9 has a flat cross-sectional shape, while the upper cover wafer 8 comprises a recess into which the membrane structure 3 extends partially into it.
  • the electrode layers 5a, 5b are respectively led out from the cavity 10 and connected to a jewei ⁇ then contact pad 12a, 12b, for example, of platinum.
  • the electrode layers 5a, 5b run on the surface of the wafer 1. This is not mandatory, and the electrode layer 5a, 5b could also be led outward through electrical layers extending in the wafer 1 and contacted there.
  • a mass which is accelerated due to vibrations and formed from wafer material is coupled to the membrane structure 3.
  • the additional mass 7 can be produced by applying the electrode layer 5 a to an upper side of the wafer 1 and one or more subsequent etching processes from the back side of the wafer 1.
  • an additional mass 7 in the form of a sphere can be coupled to the membrane structure.
  • the sphere may be made, for example, of lead or another material and melted onto the electrode layer 5a.
  • the uprising ⁇ surface of the additional mass 7 is very small at the diaphragm structure 3, so that only a slight stiffening of the membrane structure is provided.
  • the resonance frequency of the membrane structure can be adjusted in a simple, effective manner.
  • the resonance frequency can also be adjusted.
  • Another possibility of setting the resonance frequency is the selection of the corresponding materials of the membrane structure 3 for determining the spring stiffness of the membrane structure 3.
  • the size of the wafer recess 4 can be selected and adapted to the desired resonance frequency.
  • Mate ⁇ rialaus angles are no limits.
  • Particularly dense matter Lien enable particularly compact embodiments of a piezoelectric micro-power generator for vibration.
  • the upper and lower cover wafers 8, 9 may be formed of glass or of silicon. If the upper and / or the lower cover wafer are formed from glass, then a process known as anodic bonding is carried out for connection to the wafer 1.
  • connection partners lower cover wafer 9 and wafer 1 or wafer 1 and upper cover wafer 9
  • the connection partners are preferably placed over each other in a vacuum and heated.
  • a potential is applied to the upper and the lower cover wafers 8, 9 and the arrangement is subjected to slight pressure.
  • the heating causes the ions in the glass to move more freely. Due to the applied voltage at the upper and the lower cover wafer charge shifts result, so that a space charge zone is formed.
  • the surfaces of the respective connection partners are pulled closer together due to the electric fields. Finally, a point is reached where the distance is so small that the surface atoms of the glass are equal to those of the wafer, e.g.
  • a silicon wafer can react chemically. Chemical bonds are formed between the silicon of the wafer and the oxygen from the silica of the glass. As a result, a firm connection between the connection partners is created, wherein at the same time a vacuum is created in the cavity 10 in which the membrane structure is located.
  • the connection between the upper and / or the lower cover wafer and the wafer is established by the so-called silicon fusion bonding.
  • silicon fusion bonding For this purpose, first the contact surfaces of the upper and lower cover wafers 8, 9 and of the wafer 1 are cleaned. On the plant surfaces is a thin film of water. When the respective connection partners are created, hydrogen bonds are formed. By heating this composite to temperatures between 200 0 C and 300 0 C, preferably from 200 0 C, a solid silicon to crystal structure in the region of the contact surfaces is formed.
  • Method is particularly suitable when in the cavity no vacuum, but another pressure is to be generated, which is to maximize the energy efficiency of the generator, however, less than an ambient pressure.
  • the device Einrich ⁇ tion is used for energy conversion as a piezoelectric micro-power generator, which enables the power supply of self-sufficient devices or microsystems using pressure fluctuations, which are present in the environment of the microsystem.
  • the piezoelectric effect is exploited not only in a spatial dimension, such as in the arrangement of a beam, but in the entire surface of the membrane structure 3, so that an effective energy yield can be achieved.
  • MEMS Micro Electro Mechanical System
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • this also offers the advantage of a wafer-level wafer-level packaging by means of a wafer bonding process, in particular vacuum-tight wafer-level encapsulation.
  • the structure of the piezoelectric generator in this case corresponds to a three-layered sandwich structure in which three wafers adjusted to one another (the wafer 1 and the cover wafers 8, 9) are bonded.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung, insbesondere ein Mikrosystem, beschrieben, die eine Einrichtung zur Energieumwandlung umfasst. Die Einrichtung zur Energieumwandlung weist eine pie- zoelektrische, mechanische schwingfähige Membranstruktur (3) zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie und/oder umgekehrt auf, wobei die Membranstruktur (3) in einer Umgebung verkapselt angeordnet ist, die einen vorbestimmten Druck aufweist, der insbesondere geringer als ein isostatischer Druck ist.

Description

Einrichtung zur Energieumwandlung, insbesondere piezoelektrischer Mikro-Power-Wandler
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere ein Mikrosystem, mit einer Einrichtung zur Energieumwandlung.
Es besteht zunehmender Bedarf an MikroSystemen in den Bereichen Sensorik, Aktuatorik, in der Datenkommunikation als auch im Bereich der Automobil- und Automationstechnik. Derartige Mikrosysteme müssen mit Energie zum Betrieb versorgt werden. Dabei sollen die Mikrosysteme möglichst unabhängig, d.h. au¬ tark, sein.
Es sind herkömmliche autarke Systeme bekannt, die lediglich mittels solarer Energiewandlung betrieben werden. Nachteilig ist dabei, dass alle Anwendungsgebiete, bei denen keine Son¬ nenenergie nutzbar gemacht werden kann, ausgeschlossen sind. Des weiteren ergeben sich bei der Nutzung von Sonnenenergie mittels Solarzellen Schwierigkeiten bei der Miniaturisierung und Integrierung in CMOS-Technologie .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Vorrich¬ tung, insbesondere für ein Mikrosystem, eine Energieumwand¬ lung, auf einfache, wirksame und kostengünstige Weise bereit zu stellen. Die Vorrichtung soll in herkömmlichen Halbleitertechnologien integrierbar und im Wesentlichen wartungsfrei sein. Weitere Forderungen sind ein kabelloser Betrieb sowie eine optimale Miniaturisierung der Vorrichtung. Die Vorrichtung soll insbesondere als Sensor, als Aktuator und/oder zur Datenübertragung und/oder als Energiequelle bzw. Generator und/oder als Signalgeber verwendbar sein.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen. Die Lösung für die Energieumwandlung liegt darin, aus mechanischer Energie, insbesondere Vibrationen, welche in der Umgebung der Vorrichtung, insbesondere des Mikrosystems, vor¬ handen sind, mechanische Energie in elektrische Energie zu wandeln. Dies bedeutet, es wird Vibrationsenergie in elektri¬ sche Energie umgewandelt. Eine Energieausnutzung erfolgt mit¬ tels des Ausnutzens des Durchbiegens einer piezoelektrischen Membranstruktur, die die Vibrationen aufnimmt. Dabei kann die Energieeffizienz optimiert werden, wenn die Membranstruktur in einer Umgebung verkapselt angeordnet ist, die einen vorbe¬ stimmten Druck aufweist, der insbesondere geringer als ein isostatischer Druck ist.
Die Vorrichtung bildet einen Generator aus, der damit im We- sentlichen ein Feder-Masse-System darstellt, welches in der
Lage ist, mechanische Energie in elektrische Energie umzuwan¬ deln. Die elektrische Energie steht somit für ein autarkes Mikrosystem zur Verfügung bzw. sie kann zwischengespeichert werden. Die zu wandelnde mechanische Energie erhält der Gene- rator, in dem er an die umgebenden Vibrationen oder Schwankungen, die man ausnutzen möchte, angekoppelt wird.
Der piezoelektrische Generator besteht grundsätzlich aus dem Membranstruktur, welche eine funktionale piezoelektrische Schicht beinhaltet. Eine wechseiförmige Durchbiegung der
Membranstruktur führt zu mechanischer Spannung in der piezoelektrischen Schicht, so dass eine kontinuierliche Ladungs¬ verschiebung innerhalb dieser Schicht erfolgt. Diese Ladungs¬ verschiebung kann zur Energienutzung verwendet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Membranstruktur in einer Umgebung verkapselt angeordnet, die ein Va¬ kuum aufweist. Hierdurch lassen sich Reibungskräfte bei der Durchbiegung der Membranstruktur während deren Anregung mini- mieren, so dass eine maximale Energieausbeute erzielbar ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zur Ausbildung der Membranstruktur eine zwischen zwei Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht derart an einem Wafer angeordnet, dass zumindest die an den Wafer anliegende Elekt¬ rodenschicht sich über eine Waferaussparung hinaus erstreckt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind zur
Ausbildung der Membranstruktur die zwischen zwei Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht derart an ei¬ ner Trägerschicht an dem Wafer angeordnet, dass zumindest die an dem Wafer anliegende Trägerschicht sich über die Wafe- raussparung hinaus erstreckt.
Gemäß einer weiteren Ausbildung ist die Membranstruktur zwischen einem oberen und einem unteren Deckwafer derart angeordnet, dass die Membranstruktur in einem gebildeten Hohlraum schwingen kann. In dem Hohlraum wird dabei der für den Betrieb der Einrichtung zur Energieumwandlung bestimmungsgemäße Druck bereitgestellt. Die Verwendung eines oberen und eines unteren Deckwafers zur Einkapselung der Einrichtung zur Energieumwandlung bietet einerseits den Vorteil, dass die mecha- nische Dämpfung des Systems aufgrund der umgebenden Luft er¬ heblich reduziert werden kann. Dies führt zu der höheren E- nergieausbeute . Andererseits wird ein Schutz vor äußeren Um¬ welteinflüssen, wie z.B. Schmutz und Feuchtigkeit bereitge¬ stellt. Schließlich lässt sich aufgrund der Möglichkeit eines sog. Wafer-Level-Packaging eine Vorrichtung mit geringen Abmaßen erzielen, da sämtliche Fertigungsschritte mit bekannten Methoden der Halbleitertechnik durchführbar sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Membranstruktur zwischen dem oberen und dem unteren Deckwafer derart angeordnet, dass elektrische Anschlüsse der Elektrodenschichten aus dem Hohlraum herausgeführt sind. Damit ist der Anschluss der Vorrichtung an einen Energieverbraucher oder einen Zwischenspeicher möglich.
Zweckmäßiger Weise sind der obere und der untere Deckwafer mit dem Wafer derart in Anlage gebracht, dass die Wafe- raussparung zur Bildung des Hohlraums umschlossen wird. Dabei kann weiterhin vorgesehen sein, dass zumindest der obere Deckwafer eine der Waferaussparung zugewandte Ausnehmung aufweist .
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind der obere und/oder der untere Deckwafer aus Glas gebildet. Bei einer derartigen Ausgestaltung lassen sich die Verbindung des oberen bzw. des unteren Deckwafers und des Wafers durch anodisches Bonden herstellen .
In einer alternativen Ausführungsform sind der obere und/oder der untere Deckwafer aus Silizium gebildet. In diesem Fall kann die Verbindung des oberen bzw. des unteren Deckwafers und dem Wafer durch Silizium-Fusions-Bonden hergestellt wer- den, wobei dieses Verbindungsverfahren aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die E- lektrodenschichten und die piezoelektrische Schicht im Be- reich der Waferaussparung angeordnet. Auf diese Weise kann die piezoelektrische Schicht wirksam die Vibrationsschwankun¬ gen erfassen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist an die Membranstruktur eine Zusatzmasse mechanisch gekoppelt. Auf diese Weise kann die Membranstruktur besonders empfindlich für mechanische Energie in Form von Vibrationen gemacht werden .
Die Zusatzmasse kann vorteilhaft an der Membranstruktur lie¬ gend und/oder in der Trägerschicht im Bereich der Wafe- raussparung integriert und/oder in einer der Elektrodenschichten im Bereich der Waferaussparung integriert sein. Im ersten Fall kann beispielsweise Blei auf eine Elektroden- Schicht, beispielsweise durch Aufschmelzen, aufgebracht sein. Im zweiten Fall kann die Trägerschicht eine Boss-Struktur aufweisen. Eine „Boss-Struktur" ist eine in der Mitte versteifte Membran. Um eine maximale Durchbiegung der Membranstruktur und damit eine maximierte Energieausbeute zu erzielen, ist es vorteil¬ haft, wenn die Anbindung der Zusatzmasse an die Membranstruk- tur derart erfolgt, dass die Steifigkeit nur in einem kleinen Flächenabschnitt beeinträchtigt ist und eine möglichst große Fläche für den Ladungstransport zur Verfügung steht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die min- destens einem Membranstruktur als Feder-Masse-System mit einer Resonanzfrequenz derart bereit gestellt, dass diese in¬ nerhalb eines Frequenzbandes einer Vibration gelegen ist.
Der Betrieb der Membranstruktur mit Resonanzfrequenz ermög- licht eine maximierte Energieausbeute.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Resonanzfrequenz der Membranstruktur insbesondere durch Variation der Masse und/oder Federsteifigkeit einstellbar. Dazu kann die Membranstruktur diskrete Massebereiche aufweisen, die fixiert werden, so dass lediglich die unfixierte Masse schwingt. Ebenso kann eine Membranstruktur Bereiche mit un¬ terschiedlichen Federsteifigkeiten aufweisen, die gezielt zur Bereitstellung unterschiedlicher Resonanzfrequenzen ausge- wählt und aktiviert werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist mindestens eine der Elektrodenschichten einen digitalen Verlauf auf. Digital bedeutet hier lediglich „unterteilt", das heißt „nicht durchgehend". Die digitalen Elektrodenflächen sind be¬ vorzugt so ausgelegt, dass sie den jeweiligen Äquipotenti¬ alflächen, bezüglich der mechanischen Spannung in der Schicht, genügen, um die bei der Energiewandlung negativ wirkende elektro-mechanische Rückkopplung der piezoelektrischen Membran zu reduzieren.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Einrichtung zur Energieumwandlung als Sensor, als Aktuator, für die Datenkommunikation als auch im Bereich der Automobil- und Automationstechnik und/oder als Energiequelle und/oder als Signalgeber ausgebildet.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispie¬ len in Verbindung mit den Figuren in der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer piezoelektri- sehen Membranstruktur; und
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer piezoelektri¬ schen Membranstruktur.
In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszei¬ chen versehen.
Gemäß den Ausführungsbeispielen wird eine Einrichtung zur E- nergieumwandlung als Energiequelle in Form eines piezoelekt- rischen Mikro-Power-Generators verwendet.
Fig. 1 zeigt einen Wafer 1 mit einer darin eingebrachten Wa- feraussparung 4. Der Wafer 1 kann beispielsweise aus Silizium und/oder SOI (Silicon on Insulator) bestehen. Im Bereich der Waferaussparung 4 ist an dem Wafer 1 eine Membranstruktur 3 angeordnet. Die Membranstruktur 3 ist schwingfähig mit dem Wafer 1 verbunden. Die Membranstruktur 3 umfasst zwei Elektrodenschichten 5a, 5b, zwischen denen eine piezoelektrische Schicht 6 angeordnet ist. Die Elektrodenschichten 5a, 5b kön- nen beispielsweise aus Platin, Titan und/oder Platin-Titanium bestehen oder auch aus Gold gebildet sein. Die piezoelektrische Schicht 6 besteht beispielsweise PZT, AlN und/oder PTFE oder kann auch aus dem Material ZnO gebildet sein. Die piezo¬ elektrische Schicht 6 kann zudem als Schichtfolge oder ein- zeln als Dünnschicht PVD (kleiner als 5 μm) als Sol-Gel-
Schicht (kleiner als 20 μm) , und/oder als aufgeklebte BuIk- Piezoschicht erzeugt sein. Die Membranstruktur 3 kann entgegen der zeichnerischen Darstellung auch auf einer Trägerschicht aufgebracht sein, wel¬ che beispielsweise aus Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid und/oder Si3N4 gefertigt ist. In dieser Ausführung ist es zweckmäßig, wenn die Trägerschicht schwingfähig mit dem Wafer 1 verbunden ist und sich dabei über die Waferaussparung 4 hinaus erstreckt. Die Verbindung zwischen Trägerschicht und Wafer 1 kann beispielsweise mittels Kleben oder Aufschmelzen erzeugt sein. Im Ausführungsbeispiel ist die Trägerschicht durch die untere, d.h. die an den Wafer 1 angrenzende, Elekt¬ rodenschicht 5a, erzeugt. Die untere Elektrodenschicht über¬ nimmt somit gleichzeitig die Aufgabe der Trägerschicht.
Die Membranstruktur 3 ist in einem Hohlraum 10 angeordnet, welcher durch einen oberen Deckwafer 8 und einen unteren
Deckwafer 9 und die Waferaussparung 4 gebildet ist, welche jeweils direkt mit dem Wafer 1 bzw. mittelbar mit dem Wafer 1 verbunden sind. Der untere Deckwafer 9 weist eine im Querschnitt ebene Form auf, während der obere Deckwafer 8 eine Ausnehmung umfasst, in welche sich die Membranstruktur 3 teilweise hinein erstreckt. Zur elektrischen Kontaktierung der Membranstruktur 3 sind die Elektrodenschichten 5a, 5b jeweils aus dem Hohlraum 10 herausgeführt und mit einem jewei¬ ligen Kontaktpad 12a, 12b, z.B. aus Platin, verbunden. Die Elektrodenschichten 5a, 5b verlaufen im Ausführungsbeispiel auf der Oberfläche des Wafers 1. Dies ist nicht zwingend, die Elektrodenschicht 5a, 5b könnte auch durch in dem Wafer 1 verlaufende elektrische Schichten nach außen geführt und dort kontaktierbar sein. Mit dem Bezugszeichen 11 ist dabei eine Isolierung an einer Seitenkante der piezoelektrischen Schicht 6 und der Elektrodenschicht 5a gekennzeichnet, um einen Kurz- schluss zwischen der Elektrodenschicht 5a und der Elektroden¬ schicht 5b zu verhindern, welche im Bereich der Isolierung entlang der Seitenkanten von der Oberseite der piezoelektri- sehen Schicht 6 auf den Wafer 1 und von dort außerhalb des Hohlraums 10 verläuft. Um eine Durchbiegung der Membranstruktur aufgrund von Vibrationen zur Energiegewinnung zu nutzen, ist an der Membranstruktur 3 eine Masse 7 angeordnet, welche sich von der E- lektrodenschicht 5a in Richtung der Waferaussparung 4 hinein erstreckt. Die Zusatzmasse 7 ist an die Membranstruktur 3 an¬ gekoppelt, so dass Vibrationen wirksamer von der Membranstruktur 3 und die piezoelektrischen Schicht 6 erfasst werden können .
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist eine aufgrund von Vibrationen beschleunigbare, aus Wafermaterial gebildete Masse an die Membranstruktur 3 angekoppelt. Die Erzeugung der Zusatzmasse 7 kann durch das Aufbringen der Elektrodenschicht 5a auf eine Oberseite des Wafers 1 und einen bzw. mehrere an- schließende Ätzvorgänge von der Rückseite des Wafers 1 her erfolgen .
Alternativ kann, wie dies z.B. im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 dargestellt ist, eine Zusatzmasse 7 in Form ei- ner Kugel an die Membranstruktur angekoppelt sein. Die Kugel kann beispielsweise aus Blei oder einem anderen Werkstoff be¬ stehen und an die Elektrodenschicht 5a aufgeschmolzen sein. Bei dieser Variante ist es vorteilhaft, dass die Aufstands¬ fläche der Zusatzmasse 7 an der Membranstruktur 3 sehr klein ist, so dass eine nur geringe Versteifung der Membranstruktur gegeben ist.
Mittels Auswahl der Zusatzmasse 7 kann die Resonanzfrequenz der Membranstruktur auf einfache, wirksame Weise eingestellt werden. Andererseits kann durch die Festlegung der Steifigkeit der Membranstruktur ebenfalls die Resonanzfrequenz eingestellt werden. Eine weitere Möglichkeit der Einstellung der Resonanzfrequenz ist die Auswahl der entsprechenden Materialien der Membranstruktur 3 zur Festlegung der Federsteifig- keit der Membranstruktur 3. Ebenso kann die Größe der Waferaussparung 4 ausgewählt und der erwünschten Resonanzfrequenz angepasst werden. Bezüglich der Zusatzmasse 7 sind der Mate¬ rialauswahl keine Grenzen gesetzt. Besonders dichte Materia- lien ermöglichen besonders kompakte Ausführungsformen eines piezoelektrischen Mikro-Power-Generators für Vibrationen.
Der obere und der untere Deckwafer 8, 9 können aus Glas oder aus Silizium gebildet sein. Sind der obere und/oder der untere Deckwafer aus Glas gebildet, so wird zur Verbindung mit dem Wafer 1 ein als anodischer Bonden bezeichnetes Verfahren durchgeführt .
Bei diesem aus dem Stand der Technik bekannten Verbindungsverfahren werden die Verbindungspartner (unterer Deckwafer 9 und Wafer 1 bzw. Wafer 1 und oberer Deckwafer 9) bevorzugt in einem Vakuum über einander gelegt und erwärmt. Dabei wird ein Potential an den oberen und den unteren Deckwafer 8, 9 ange- legt und die Anordnung mit leichtem Druck beaufschlagt. Die Erwärmung bewirkt, dass die im Glas befindlichen Ionen sich freier bewegen können. Aufgrund der angelegten Spannung an dem oberen und dem unteren Deckwafer ergeben sich Ladungsverschiebungen, so dass eine Raumladungszone entsteht. Damit ziehen sich die jeweiligen Verbindungspartner an. Die Oberflächen der jeweiligen Verbindungspartner werden aufgrund der elektrischen Felder immer enger aneinander gezogen. Schließlich wird ein Punkt erreicht, bei dem der Abstand so gering ist, dass die Oberflächenatome des Glases mit denen des Wa- fers, z.B. eines Siliziumwafers, chemisch reagieren können. Es bilden sich chemische Verbindungen zwischen dem Silizium des Wafers und dem Sauerstoff vom Siliziumoxid des Glases. Dadurch ist eine feste Verbindung zwischen den Verbindungspartnern geschaffen, wobei gleichzeitig ein Vakuum in dem Hohlraum 10, in welchem die Membranstruktur gelegen ist, erzeugt ist .
Sind der obere und/oder der untere Deckwafer aus Silizium gebildet, so erfolgt eine Herstellung der Verbindung zwischen dem oberen bzw. dem unteren Deckwafer und dem Wafer durch das sog. Silizium-Fusions-Bonden. Dazu werden zunächst die Anlageflächen des oberen bzw. des unteren Deckwafers 8, 9 sowie des Wafers 1 gereinigt. Auf den Anlagenflächen befindet sich ein dünner Wasserfilm. Beim Anlegen der jeweiligen Verbindungspartner entstehen Wasserstoffbrückenverbindungen. Durch das Aufheizen dieses Verbundes auf Temperaturen zwischen 2000C und 3000C, bevorzugt 2000C, entsteht eine feste Silizi- um-Kristall-Struktur im Bereich der Anlageflächen. Dieses
Verfahren eignet sich insbesondere dann, wenn in dem Hohlraum kein Vakuum, sondern ein anderer Druck erzeugt werden soll, der zur Maximierung der Energieeffizienz des Generators jedoch geringer als ein Umgebungsdruck ist.
Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Einrich¬ tung zur Energieumwandlung als piezoelektrischer Mikro-Power- Generator verwendet, der die Energieversorgung von auf diese Weise autarken Vorrichtungen bzw. MikroSystemen unter Ausnut- zung von Druckschwankungen ermöglicht, welche in der Umgebung des Mikrosystems vorhanden sind. Der piezoelektrische Effekt wird hierbei nicht nur in einer räumlichen Dimension ausgenutzt, wie z.B. bei der Anordnung eines Balkens, sondern in der gesamten Fläche der Membranstruktur 3, so dass eine wirk- same Energieausbeute erzielt werden kann.
Digitale Elektrodenflächen, d.h. unterteilte, nicht durchge¬ hende Elektroden, ermöglichen es, die bei der Energiewandlung negativ wirkende elektromechanische Rückkopplung der piezo- elektrischen Membran zu reduzieren.
Der piezoelektrische Generator wird bevorzugt in MEMS- Technologie (MEMS = Mikro Electro Mechanical System) reali¬ siert. Dies bietet neben der Integrierbarkeit in CMOS- Technologie (CMOS = Complementary Metall Oxyde Semiconductor) ebenso den Vorteil einer, insbesondere vakuumdichten, Verkap- selung auf Waferebene, einen sog. Wafer-Level-Packaging mittels Waferbond-Verfahren . Der Aufbau der piezoelektrischen Generators entspricht hierbei einer drei-lagigen Sandwich- Struktur, bei der drei zueinander justierte Wafer, (der Wafer 1 sowie die Deckwafer 8, 9) gebondet werden. Dabei bilden der obere und der untere Deckwafer die Verkapselung des eigentli¬ chen Generators, der Membranstruktur 3.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung, insbesondere Mikrosystem, mit einer Einrichtung zur Energieumwandlung, die eine piezoelektrische, mecha- nische schwingfähige Membranstruktur (3) zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie aufweist, wobei die Membranstruktur (3) in einer Umgebung verkapselt angeordnet ist, die einen vorbestimmten Druck aufweist, der insbesondere geringer als ein isostatischer Druck ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Membranstruktur (3) in einer Umgebung verkapselt angeordnet ist, die ein Va¬ kuum aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der zur Ausbildung der Membranstruktur (3) eine zwischen zwei Elektrodenschichten (5a, 5b) angeordnete piezoelektrische Schicht (6) derart an einem Wafer angeordnet ist, dass zumindest die an dem Wa- fer (1) anliegende Elektrodenschicht sich über eine Wafe- raussparung (4) hinaus erstreckt.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der zur Ausbildung der Membranstruktur (3) die zwischen zwei E- lektrodenschichten (5a, 5b) angeordnete piezoelektrische Schicht (6) derart mittels einer Trägerschicht an dem Wafer angeordnet ist, dass zumindest die an dem Wafer (1) anliegen¬ de Trägerschicht sich über die Waferaussparung (4) hinaus erstreckt .
5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Membranstruktur (3) zwischen einem oberen und einem unteren Deckwafer (8, 9) derart angeordnet ist, dass die Membran¬ struktur in einem gebildeten Hohlraum (10) schwingen kann.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Membranstruktur
(3) zwischen dem oberen und dem unteren Deckwafer (8, 9) derart angeordnet ist, dass elektrische Anschlüsse der Elektro- denschichten (5a, 5b) aus dem Hohlraum (10) heraus geführt sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der der obere und der untere Deckwafer (8, 9) mit dem Wafer (1) derart in Anla¬ ge gebracht sind, dass die Waferaussparung (4) zur Bildung des Hohlraums (10) umschlossen wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der zumindest der obere Deckwafer (8) eine der Waferaussparung (4) zugewandte Ausnehmung (12) aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der der obere und/oder der untere Deckwafer (8, 9) aus Glas gebildet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Verbindung des oberen bzw. des unteren Deckwafers (8, 9) und dem Wafer (1) durch anodisches Bonden hergestellt ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der der obere und/oder der untere Deckwafer (8, 9) aus Silizium gebildet sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Verbindung des oberen bzw. des unteren Deckwafers (8, 9) und dem Wafer (1) durch Silizium-Fusions-Bonden hergestellt ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, bei der die Elektrodenschichten (5a, 5b) und die piezoelektrische
Schicht (6) im Bereich der Waferaussparung (4) angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der an die Membranstruktur (3) eine Zusatzmasse (7) mechanisch gekoppelt ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Zusatzmasse (7) an der Membranstruktur (3) anliegt und/oder in der Trägerschicht und/oder in einer der Elektrodenschichten (5) im Bereich der Waferaussparung (4) integriert ist.
16. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die mindestens eine Membranstruktur (3) als Feder-Masse- System mit einer Resonanzfrequenz derart bereit gestellt ist, dass diese innerhalb eines Frequenzbandes einer Vibration ge- legen ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Resonanzfrequenz der Membranstruktur (3) insbesondere durch Variation der Masse und/oder Federsteifigkeit einstellbar ist.
18. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der zumindest eine der Elektrodenschichten (5a, 5b) digital er¬ zeugt ist.
19. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Einrichtung zur Energieumwandlung als Sensor, als Aktua- tor für die Datenkommunikation und/oder im Bereich der Automobil- und Automationstechnik und/oder als Energiequelle und/oder als Signalgeber ausgebildet ist.
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