WO2011147430A1 - Vorrichtung und verfahren zur erfassung von schwingungen - Google Patents

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Jan Mehner
Jörg Schaufuß
Dirk Scheibner
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    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0136—Comb structures

Definitions

  • Microsystems MEMS - micro-electro-mechanical systems, are miniaturized devices developed for a specific task.
  • the term microsystem derives from the fact that the components have the smallest dimensions (in the micrometer range) and interact as a system.
  • a microsystem consists of one or more sensors, actuators and control electronics on a substrate or chip.
  • Energy harvesting is the process of generating electricity from sources such as temperature gradients, vibrations, or air currents Energy sources for wireless sensor networks or applications such as remote controls in hard-to-reach places Energy Harvesting avoids the limitations of wired power or batteries in wireless technologies.
  • Sensors and kinetic energy harvesters are also designed as a microsystem.
  • the invention relates to a device and an associated method for detecting vibrations.
  • it is necessary to tune its natural frequency / resonance frequency to the frequency of the vibration source. Outside this frequency, the extractable power is much lower and, as a rule, too low to supply even electronics with very low energy requirements with sufficient energy.
  • the natural frequency of the microsystem can be calculated according to the following equation be adjusted.
  • This requires knowledge of the frequencies of interest for energy production.
  • the generator must be designed appropriately in advance and is then not universally applicable to all sources of vibration.
  • the fixed frequency is also subject to certain tolerances due to manufacturing tolerances.
  • the object of the invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a device and a method which comprises a tuning principle that requires energy only for setting the intrinsic / resonant frequency. Furthermore, an apparatus and a method are to be specified, which works after setting the frequency in further operation without additional energy consumption.
  • the device comprises a vibratory spring-mass system with electrode structures on at least one ner side of the spring-mass system, in particular with a
  • the device further comprises a cover, which partially covers the oscillatory spring-mass system or an electrode electrically connected to the oscillatable spring-mass system for natural frequency tuning.
  • the object is further achieved according to claim 9 by a method for detecting mechanical vibrations in a vibratory spring-mass system with at least one electrode structure on at least one side, in particular a comb structure. A cover which partially covers the oscillatory spring-mass system or an oscillating mass electrode for natural frequency tuning is shifted.
  • the solution according to the invention is a further development of the abovementioned solutions.
  • the force F at a comb electrode in the overlap principle is calculated with n number of fingers per comb,
  • the device according to the invention can be advantageously used as a generator for generating electrical energy, which converts mechanical vibrations of the oscillatory spring-mass system into electrical energy. In a further advantageous embodiment of the invention, this is alternatively used as a vibration sensor.
  • the cover of the oscillatable spring-mass system or an electrode electrically connected to the oscillatable spring-mass system can advantageously also consist of an electret.
  • An electret is an electrically insulating material that contains quasi-permanently stored electrical charges or quasi-permanently oriented electrical dipoles and thus generates a quasi-permanent electric field in its environment or in its interior.
  • Today electrets are usually made of polymers, but sometimes also of inorganic dielectrics such as silicon dioxide or silicon nitride.
  • a novelty of this invention is to change the voltage by changing the effective area of the electret (based on an electrically conductive but electret electrically isolated layer, eg silicon) and thus to influence the resonant frequency.
  • the mechanical adjustment can z. B. via an adapted form of the stepping switch and be realized so that it is self-holding (for example, via pawls or notches).
  • Resonance tuning of the oscillatory system can be autonomous without manual intervention by the user.
  • the device according to the invention includes at least two electrode structures, which are located on two, opposite sides of the oscillatory spring-mass system.
  • the device can be embodied at least partially as a micromechanical structure.
  • 1 a shows a schematic representation of the plan view to illustrate the variable coverage u of the electret with the underlying conductive material (here silicon),
  • FIG. 1b Associated side view with schematic representation
  • FIG. 1c shows simulation results for the power drop over R to clarify the resonance shift for the illustrated system by changing U po i on the basis of FIG
  • FIG. 1 shows schematically the idea of this invention using the example of a capacitive Energy Harvesters.
  • Ci and C 2 change but in opposite directions. Due to the high-resistance resistors R (for example, the consumers can be with the energy harvesters), the charges from the variable capacitors can only flow off with a delay.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the invention.
  • the resonant frequency of a piezoelectric harvester or piezoelectric / piezoresistive sensor is here also controlled by the fact that the overlap between
  • Electret and the silicon surface is designed variable and can thus adjust the electrical voltage at the comb electrodes.
  • the comb electrodes exert electrostatic forces on the oscillator, which act in the direction of the zero position.
  • the overall spring stiffness is thus increased.

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Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein schwingfähiges Feder-Masse-System mit Elektrodenstrukturen an zumindest einer Seite des Feder-Masse-Systems, insbesondere mit einer Kammstruktur, das mechanische Schwingungen 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. Das analoge erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung von mechanischen Schwingungen in einem schwingfähigen Feder-Masse- System mit zumindest einer Elektrodenstruktur (3) an zumindest einer Seite, insbesondere eine Kammstruktur, wobei eine Abdeckung, welche die schwingende Masse oder eine mit dem schwingfähiges Feder-Masse-System elektrisch verbundene Elektrode zur Eigenfrequenzabstimmung partiell überdeckt, verschoben (x) wird. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und 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.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung von Schwingungen 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 Har- vesting 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.
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 Federstei- figkeit k bei der Fertigung kann die Eigenfrequenz des Mikro- systems entsprechend folgender Gleichung
Figure imgf000004_0001
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 realisie- ren, 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 Federkon¬ stante . 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 + microEMS2008 , 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 ei- ner 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, insbeson- dere 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 berech- net sich mit
Figure imgf000006_0001
n Anzahl der Finger pro Kamm,
h Höhe der Kammelektroden,
ε0 Dielektrizitätskonstante,
εγ 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 Ge- samtfedersteifigkeit 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 ver- bundene 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 beein- flusst werden. Neu an dieser Erfindung ist, die Spannung durch Veränderung der wirksamen Fläche des Elektrets (bezogen auf einer elektrisch leitfähigen aber zum Elektret elektrisch isolierte 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
Figur la: eine schematische Darstellung der Draufsicht zur Verdeutlichung der variablen Überdeckung u des Elektrets mit dem darunter liegenden leitfähigen Material (hier Silizium) ,
Figur 1b: Zugehörige Seitenansicht mit schematischer Darstellung
Figur lc: Simulationsergebnisse für den Leistungsabfall über R zur Verdeutlichung der Resonanzverschiebung für das dargestellte System durch Veränderung von Upoi aufgrund der
Elektretverschiebung . Figur 2: ein Piezoelektrischer Energy Harvester mit veränderlicher Resonanzfrequenz durch Variation der Elektret- Überdeckung . Abb. 1 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 Ci 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 UPoi genannt und kann mit
Q(u)
Pol "c ^ gesamt O v"rt
Figure imgf000009_0001
berechnet werden. Die Ladung Q variiert mit der Überdeckung u. Auch die Kapazität zwischen Elektret und in diesem Falle Silizium ändert sich, die Gesamt kapazität CgeSamt 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 Figur la dargestellten
Richtung, bleibt die wirksame Überdeckung des Elektrets durch eine entsprechende konstruktive Umsetzung konstant, Ci und C2 verändern sich aber gegensinnig. Durch die hochohmigen Widerstände R (können beispielsweise die Verbraucher bei den Ener- gy 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 .
Figur 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

Patentansprüche
Vorrichtung mit einem schwingfähigen Feder-Masse-System (1) mit Elektrodenstrukturen (3) an zumindest einer Seite des Feder-Masse-Systems (1) , insbesondere in eine Kammstruktur, der mechanische Schwingungen (m) erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung eine Abdeckung (2) umfasst, welche das schwingfähige Feder-Masse-System (1) oder eine mit dem schwingfähigen Feder-Masse-System elektrisch verbundene Elektrode zur Eigenfrequenzabstimmung partiell überdeckt.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Generator 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
sie als Schwingungssensor verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass
die Abdeckung (2) des schwingfähigen Feder-Masse-Systems (1) oder einer mit dem schwingfähigen Feder-Masse-System (1) elektrisch verbundenen Elektrode aus einem Elektret besteht .
Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet dass
zur Abstimmung der Frequenz eine Verschiebung (x) der Abdeckung (2) senkrecht zur Schwingrichtung der schwingenden Masse erfolgt.
6. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass
bei Schwingung des schwingfähigen Feder-Masse-Systems (1) die Fläche der wirksamen Überdeckung des Schwingkörpers durch die Abdeckung konstant bleibt.
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet dass
es zumindest zwei Elektrodenstrukturen (3) beinhaltet, welche sich an zwei, sich gegenüberliegenden Seiten des schwingfähigen Feder-Masse-System (1) befinden.
8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet dass
diese zumindest teilweise als mikromechanische Struktur ausgeführt ist.
9. Verfahren zur Erfassung von mechanischen Schwingungen (m) in einem schwingfähiges Feder-Masse-System (1) mit zumin- dest einer Elektrodenstruktur (3) an zumindest einer Seite, insbesondere eine Kammstruktur,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Abdeckung (2), welche die schwingende Masse oder eine mit dem schwingfähiges Feder-Masse-System elektrisch ver- bundene Elektrode zur Eigenfrequenzabstimmung partiell überdeckt, verschoben (x) wird.
10. Verfahren nach Patentanspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Erzeugung elektrischer Energie ein Generator die mechanische Schwingungen (m) in elektrische Energie umwandelt.
11. Verfahren nach Patentanspruch 9,
dadurch gekennzeichnet dass
das Verfahren zum Erfassen von Schwingungen als Schwingungssensor verwendet wird.
12. Verfahren nach Patentanspruch 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abdeckung (2) des schwingfähigen Feder-Masse-Systems (1) aus einem Elektret besteht.
13. Verfahren nach Patentanspruch 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Abstimmung der Frequenz die Abdeckung (2) senkrecht (x) zur Schwingrichtung (m) des Schwingkörpers verschoben wird .
Verfahren nach Patentanspruch 9 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei Schwingung des schwingfähigen Feder-Masse-Systems (l)die Fläche der wirksamen Überdeckung des schwingfähig Feder-Masse-Systems (1) durch die Abdeckung (2) konstant bleibt .
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