WO2012025410A1 - Dielektrischer kapazitiver mems energiewandler - Google Patents

Dielektrischer kapazitiver mems energiewandler Download PDF

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WO2012025410A1
WO2012025410A1 PCT/EP2011/063956 EP2011063956W WO2012025410A1 WO 2012025410 A1 WO2012025410 A1 WO 2012025410A1 EP 2011063956 W EP2011063956 W EP 2011063956W WO 2012025410 A1 WO2012025410 A1 WO 2012025410A1
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energy converter
electrode
energy
dielectric body
wafer
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PCT/EP2011/063956
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Inventor
Ingo KÜHNE
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/06—Influence generators
    • H02N1/08—Influence generators with conductive charge carrier, i.e. capacitor machines
    • 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

Definitions

  • the idea according to the present application is based on the utilization of the change in the permittivity of the dielectric in ⁇ within the capacitor arrangement in contrast to the conventional converters, which are based either on a surface ( ⁇ ) or change in distance (Ad).
  • ⁇ surface
  • Ad change in distance
  • Ad-etchings can cause "sticking” or “sticking” as soon as electrostatic attractive force between the electrodes is greater than the mechanical restoring force of the spring.
  • the Automatdielektrikum may be generated in the capacitor volume of the overall permittivity means of a ers ⁇ te relative permittivity having medium or vacuum, to which a second relative permittivity having Direction dielectric body according to the vibration periodically added to and removed who can ⁇ .
  • the two electrode surfaces can be produced on an electrode and on a counterelectrode, which can be fastened to a housing, wherein the dielectric body can be arranged to oscillate completely in the capacitor volume in an initial state.
  • the dielectric body in the initial state can be completely suspended in the capacitor volume between at least one spring element fastened in the housing.
  • an axis of deflections by the vibration can be identical to an axis along which the spring elements can most effectively perform a periodic change in length, by bending or change in shape.
  • the two outer electrode wafer Pyrexwafer and the middle wafer may be a silicon wafer, wherein between the two electrical terminals, an external electrical load resistor may be electrically connected.
  • the two electrode surfaces can be produced on an electrode and a counterelectrode, which together with the dielectric body can be embodied as digital finger structures.
  • FIG. 1 shows a representation of a conventional energy self-sufficient microsystem.
  • the self-sufficient microsystem I has a sensor 1a or actuator 1b, which interacts with the environment 3.
  • the sensor la and the actuator lb are in communication with a sensor / actuator interface 5, which in turn is in communication with a microcontroller 7. From the environment is energy 9 in the form of vibration,
  • a micro-energy converter 11 This is converted by a micro-energy converter 11 into electrical energy and fed to a power monitoring electronics 13. This in turn is in energy from ⁇ exchange with an energy storage 15 that may be provided as an accumulator or capacitor.
  • the energy monitoring electronics 13 controls the microcontroller 7 and a
  • Radio frequency transmitting stage 17 which allows a wireless communication tion 19 ⁇ .
  • FIG. 2 shows a conventional basic illustration of a capacitive energy converter as electromechanically coupled spring-mass system.
  • Capacitive MEMS energy converters essentially consist of a charged variable plate capacitor, which is designed as an electromechanically coupled spring-mass system.
  • a capacitive energy converter according to the present invention comprises a charged variable plate capacitor.
  • a suspended mass m is a movable electrode 20.
  • a housing includes a counter ⁇ electrode 22 of a plate capacitor 24. The housing, not shown here, is coupled directly to a vibration source. Resonant behavior leads to a periodically changing plate spacing h] r under mechanical vibration. If the electric capacitor is electrically biased, this movement leads to a change in the electrical energy content in the capacitor 24.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a capacitive energy converter according to the invention.
  • a vacuum or air or another gas or gas mixture can be generated in the pitch ⁇ .
  • counter ⁇ electrode 34 is a dielectric body with a relative permittivity s r in an initial state completely in Kon ⁇ densatorvolumen between the two electrodes 32nd and 34 arranged vibrationally.
  • the electrodes 32 and 34 are capable of oscillating with respect to the dielectric body 36, which may be fixed.
  • a dielectric body 36 is clamped between at least two spring elements in such a way that the dielectric body 36 is completely provided in the capacitor volume between electrode 32 and electrode 34 in an initial state. It is particularly advantageous if an axis of deflections by the vibration of 38 is identical to an axis 40 along which the spring elements 42 and 48 most effectively perform a pe ⁇ , periodic change in length. According to FIG.
  • electrode 32 and counterelectrode 34 are fastened to the inside of housing 30, during which a dielectric body 36 is resiliently suspended between spring elements 42 and 44 such that dielectric body 36 enters a capacitor volume between electrodes 42 and 34 in the capacitor arrangement periodically on and off again.
  • s r 1 1, 8.
  • PZT lead zirconate titanate
  • Electrode wafers 52 and 54 produced by Pyrex wherein the middle wafer 6 6 is a silicon wafer. Between the two electrical terminals 5 6 and 58, an external electrical load resistor RL is electrically connected.
  • FIG. 4 shows an illustration of the basic realization of a dielectric capacitive energy converter in MEMS systems. Technology including an external electrical load resistor RL.
  • the MEMS transducer consists of a dreifa ⁇ chen wafer stack the layer sequence Pyrex - silicon - Pyrex.
  • the pyrex wafer containing the electrode or counter electrode 52 and 54 with the associated electrical connections 56 and 58.
  • the silicon wafer 66 contains the actual Fe ⁇ countries 68 suspended and movable structure of the di ⁇ elektrikum stresses 66, and the corresponding dielectric structure.
  • FIG. 5 shows a further embodiment according to the invention of an energy converter according to the invention.
  • the two electrode surfaces 60 and 62 are produced on an electrode and a counterelectrode, which together with the dielectric body 66 are designed as digital finger structures.
  • FIG. 5 shows an electrode 70, a counter-electrode 72 and the dielectric or the dielectric body 74. These elements are designed as digital finger structures, as shown in FIG.
  • the dielectric 74 is held oscillatable on longitudinally opposed springs.
  • the axis of the deflections of the vibration is the same as the longitudinal axis of Dielektrikum stressess 74.
  • the dielectric body 74 is displaced in such a periodically due to the vibrato ⁇ on that of the dielectric body 74 and the respective associated finger structure periodically in the associated capacitor volume of the individual Finger structures removed from a starting position and added again.
  • a finger width is advantageously in Be ⁇ rich the vibration amplitude of the spring-suspended DIE lektrikums 74. This has the advantage that thus per
  • FIG. 5 shows a plan view of the individual wafers with the respective digital finger structures.
  • the digital finger structure of the dielectric body 74 is held in the longitudinal direction by two spring elements 76.
  • the direction of the The vibration of the vibration corresponds to a longitudinal direction of the dielectric body 74.

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Abstract

Es soll ein kapazitiver dielektrischer Energiewandler zur Wandlung von mechanischer Vibration in elektrische Energie derart bereitzustellen, dass ein im Vergleich zu herkömmlichen derartigen Energiewandlern eine höhere Leistungsausbeute bereitgestellt werden kann. Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Kondensator mit zwei in einem Abstand zueinander angeordneten Elektrodenflächen (32,34) ein Kondensatorvolumen erzeugt, wobei in diesem ein Gesamtdielektrikum (36,46) hinsichtlich einer relativen Gesamtpermittivitat abhängig von der Vibration zeitlich variabel erzeugt ist.

Description

Beschreibung
Dielektrischer kapazitiver MEMS-Energiewandler Energieautarke Mikrosysteme werden aufgrund ihrer erhöhten Leistungsfähigkeit in der Zukunft gänzlich neue Anwendungs¬ felder eröffnen, und zwar insbesondere in der Automations¬ technik, der Gebäudetechnik oder im Automobilbereich. Die Vorteile eines derartigen Systems liegen vor allem in der ge- ringen Bauteilgröße, dem kabellosen Betrieb und der Wartungs¬ freiheit .
Die benötigte elektrische Energie wird durch Energiewandlung aus den in der jeweiligen Systemumgebung zur Verfügung ste- henden Energieformen gewandelt. Typisch nutzbare Energien sind beispielsweise Vibrationen, Wärme, Strahlung, Druckschwankungen oder chemische Energie. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird lediglich eine Energiewandlung von mechanischer Vibration in elektrische Energie betrachtet. In der Li- teratur sind Konzepte vibrationsbasierter Energiewandler und deren Realisierung zu finden. Jedoch stehen keine kommerziellen Gesamtsysteme zur Verfügung. Derartige Ansätze solcher energieautarker Mikrosysteme zielen insbesondere auf vernetzte Funksensoren. Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze eines ener- gieautarken Mikrosystems .
Es existieren drei weit verbreitete physikalische Prinzipien für eine Energiewandlung von mechanischen Vibrationen in elektrische Energie, und zwar piezoelektrisch, kapazitiv und induktiv. MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) basierende Energiewandler beruhen dabei auf einem Feder-Masse-Prinzip und weisen somit ein resonantes Verhalten auf. Eine Energie¬ wandlung erfolgt also lediglich im Bereich der Resonanzfrequenz mit hinreichender Effizienz. Im Vergleich der drei Wandlungsprinzipien besitzen piezoelektrische Wandler die größte, praktisch erreichbare Energiedichte und sind somit insbesondere für den Einsatz bei geringeren Frequenzen geeignet. Es lassen sich insbesondere piezoelektrische als auch kapazitive Wandler in MEMS-Bauweise umsetzen. Die Technologie für den Bau eines induktiven MEMS-Wandlers gestaltet sich hingegen schwierig. Des Weiteren weißt das induktive Prinzip ein schlechteres Skalierungsverhalten auf und die zu erwartenden elektrischen Spannungen sind vergleichsweise gering. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere kapazitive Energiewandler .
Herkömmliche kapazitive MEMS-Energiewandler bestehen im Wesentlichen aus einem geladenen variablen Plattenkondensator, der als elektromechanisch gekoppeltes Feder-Masse-System ausgeführt wird. Figur 2 zeigt eine Prinzipskizze eines kapazi¬ tiven Energiewandlers als elektromechanisch gekoppeltes Fe¬ der-Masse-System. Eine aufgehangene Masse m ist gleichzeitig die bewegliche Elektrode. Das Gehäuse beinhaltet die Gegen¬ elektrode des Plattenkondensators, wobei das Gehäuse direkt an die Vibrationsquelle angekoppelt wird. Das resonante Ver¬ halten führt bei mechanischer Vibration zu einem sich periodisch ändernden Plattenabstand h^. Ist der Kondensator elektrisch vorgespannt, führt diese Bewegung zu einer Änderung des elektrischen Energieinhaltes im Kondensator. Diese elektrische Energieänderung kann beispielsweise über einen externen Lastwiderstand extrahiert und damit nutzbar gemacht werden. Diese Wirkungsweise betrifft ebenso die Idee der vorliegenden Anmeldung .
Das elektrische Vorspannen der mikromechanischen Kondensatorstruktur erfolgt hierbei entweder mittels Elektret, Aus¬ trittsarbeitsdifferenz der Elektroden oder geeigneter elektrischer Beschaltung.
Allen herkömmlichen kapazitiven MEMS-Energiewandlern weisen das Merkmal auf, dass die Energiewandlung entweder auf Ände¬ rung des Elektrodenabstandes Ad bzw. h^:
EocAC = s (1)
Ad oder auch Änderung der Elektrodenfläche der variablen Ko satoranordnung beruht (ΔΆ) :
ΛΑ
E oc AC = ε ( 2 )
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen kapazitiven Energiewandler und ein Verfahren zur kapazitiven Energiewandlung von mechanischer Vibration in elektrische Energie derart bereitzustellen, dass eine im Vergleich zu herkömmlichen kapazitiven Energiewandlern eine höhere Leistungsausbeute, eine einfachere technologische Umsetzung und eine höhere mechani¬ sche Stabilität geschaffen werden kann. Der Energiewandler und das Verfahren sollen insbesondere auf MEMS (Mikro- Elektro-Mechanisches-System) Basis ausgeführt sein.
Die Aufgabe wird durch einen kapazitiven Energiewandler gemäß dem Hauptanspruch und ein entsprechendes Verfahren zur kapazitiven Energiewandlung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein erster kapazitiver Energiewandler zur Wandlung von mechanischer Vibration in elektrische Energie bereitgestellt, wobei der Wandler ein durch zwei in einem Abstand zueinander angeordnete Elektrodenflä¬ chen erzeugtes Kondensatorvolumen aufweist. Der Energiewand¬ ler zeichnet sich dadurch aus, dass im Kondensatorvolumen ein Gesamtdielektrikum hinsichtlich einer relativen Gesamtpermit- tivität abhängig von der Vibration zeitlich variabel bereitgestellt ist, so dass eine dadurch bewirkte Kapazitätsände¬ rung zur Wandlung in elektrische Energie genutzt wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur kapazitiven Energiewandlung von mechanischer Vibration in elektrische Energie bereitgestellt, dass mittels eines durch zwei im Ab¬ stand zueinander angeordnete Elektrodenfläche erzeugtes Kon¬ densatorvolumen ausgeführt wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass im Kondensatorvolumen ein Gesamtdielektri- kum hinsichtlich einer relativen Gesamtpermittivität abhängig von der Vibration zeitlich variabel bereitgestellt ist, so dass eine dadurch bewirkte Kapazitätsänderung zur Wandlung in elektrische Energie genutzt wird.
Ist der das Kondensatorvolumen erzeugende Kondensator elektrisch vorgespannt, führt die zeitlich variabel bereitgestell¬ te Gesamtpermittivität im Kondensatorvolumen zu einer Ände¬ rung des elektrischen Energieinhaltes im Kondensator. Diese elektrische Energieänderung kann beispielsweise über einen externen Lastwiderstand extrahiert und dann benutzbar gemacht werden. Das elektrische Vorspannen der insbesondere mikrome¬ chanischen Kondensatorstruktur kann beispielsweise mittels Elektret, Austrittsarbeitsdifferenz der Elektroden oder geeigneter elektrischer Beschaltung bewirkt werden.
Der erfindungsgemäße Ansatz nutzt im Vergleich zum Stand der Technik eine Änderung einer relativen Permittivität eines Dielektrikums aus, um elektrische Energie zu generieren:
A
E rc AC = Asr - so— ( 3 )
d
Die Idee gemäß der vorliegenden Anmeldung beruht auf der Ausnutzung der Änderung der Permittivität des Dielektrikums in¬ nerhalb der Kondensatoranordnung im Gegensatz zu den herkömmlichen Wandlern, die entweder auf einer Flächen- ( ΔΑ) oder Abstandsänderung ( Ad ) beruhen. Es ergeben sich folgende Vorteile: eine höhere Leistungsausbeute, da ΔεΓ > ΔΑ bzw. Asr > l/Ad gestaltet werden kann;
einfachere technologische Umsetzung, insbesondere in MEMS, da das bewegliche Dielektrikum nicht elektrisch kontaktiert werden muss;
keine mechanische Instabilität im Vergleich zu Ad- Ansätzen. Bei Ad-Ansätzen kann es zu einem "Klebenbleiben" oder "Sticking" kommen, sobald die elektrostatisch anziehende Kraft zwischen den Elektroden größer wird als die mechanische Rückstellkraft der Feder.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Gesamtdielektrikum mit der Gesamtpermittivität mittels eines eine ers¬ te relative Permittivität aufweisende Mediums oder Vakuums im Kondensatorvolumen erzeugt sein, zu dem ein eine zweite relative Permittivität aufweisender Dielektrikumkörper entsprechend der Vibration periodisch hinzugefügt und entfernt wer¬ den kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die beiden Elektrodenflächen auf einer Elektrode und auf einer Gegenelektrode erzeugt sein, die an ein Gehäuse befestigt sein können, wobei der Dielektrikumkörper in einem Ausgangszustand vollständig im Kondensatorvolumen schwingfähig angeordnet sein kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Dielektrikumkörper in dem Ausgangszustand vollständig im Kondensatorvolumen zwischen mindestens einem in dem Gehäuse befestigten Federelement aufgehängt, angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Achse von Auslenkungen durch die Vibration identisch mit einer Achse sein, entlang der die Federelemente am wirksamsten eine periodische Längenänderung, durch Biegung oder Formveränderung ausführen können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Medium Luft oder ein anderes Gas sein und der Dielektrikumkörper aus Silizium oder Bleizirkonat-Titanat bestehen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Energiewandler auf Mikrosystem-Basis als ein dreifacher Wa- ferstapel erzeugt sein, wobei zwei äußere Elektrodenwafer mit zwei gegenüberliegenden, jeweils einen dazugehörigen elektrischen Anschluss aufweisenden Elektrodenflächen das Kondensatorvolumen erzeugen, indem ein an Federelementen aufgehängter Dielektrikumkörper mittels eines mittleren Wafers ausgebildet sein kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die beiden äußeren Elektrodenwafer Pyrexwafer und der mittlere Wafer ein Siliziumwafer sein, wobei zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen ein externer elektrischer Lastwiderstand elektrisch angeschlossen sein kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die beiden Elektrodenflächen auf einer Elektrode und einer Gegenelektrode erzeugt sein, die zusammen mit dem Dielektrikumkörper als digitale Fingerstrukturen ausgeführt sein können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Breite der digitalen Fingerstrukturen an eine Schwingungsamplitude des federnd aufgehängten Dielektrikumkörpers angenä¬ hert sein.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispie¬ len in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen :
Figur 1 eine herkömmliche Darstellung eines energieautarken
Mikrosystems ;
Figur 2 eine herkömmliche Darstellung eines kapazitiven
Energiewandlers als elektromechanisch gekoppeltes Feder-Masse-System;
Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Darstellung eines er¬ findungsgemäßen Energiewandlers ;
Figur 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ei¬ nes Energiewandlers auf MEMS-Basis;
Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf einzelne Wafer mit digi¬ talen Fingerstrukturen. Figur 1 zeigt eine Darstellung eines herkömmlichen energieautarken Mikrosystems . Das energieautarke Mikrosystem I weist einen Sensor la oder Aktor lb auf, der in Interaktion mit der Umwelt 3 steht. Der Sensor la und der Aktor lb stehen im Datenaustausch mit einer Sensor/Aktuator-Schnittstelle 5, die wiederum in Datenaustausch mit einem Mikrokontroller 7 steht. Aus der Umgebung steht Energie 9 in Form von Vibration,
Strahlung, chemische Energie, Druckschwankung oder Wärme be- reit. Diese wird von einem Mikroenergiewandler 11 in elektrische Energie gewandelt und einer Energieüberwachungs- Elektronik 13 zugeführt. Diese wiederum steht in Energieaus¬ tausch mit einem Energiespeicher 15, der als Akkumulator oder Kondensator bereitgestellt sein kann. Die Energieüberwa- chungselektronik 13 steuert den Mikrokontroller 7 und eine
Hochfrequenz-Sende-Stufe 17 an, die eine drahtlose Kommunika¬ tion 19 ermöglicht.
Figur 2 zeigt eine herkömmliche Prinzipdarstellung eines ka- pazitiven Energiewandlers als elektromechanisch gekoppeltes Feder-Masse-System. Kapazitive MEMS-Energiewandler bestehen im Wesentlichen aus einem geladenen variablen Plattenkondensator, der als elektromechanisch gekoppeltes Feder-Masse- System ausgeführt wird. Ein kapazitiver Energiewandler gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen geladenen variablen Plattenkondensator auf. Eine aufgehangene Masse m ist eine bewegliche Elektrode 20. Ein Gehäuse beinhaltet eine Gegen¬ elektrode 22 eines Plattenkondensators 24. Das hier nicht dargestellte Gehäuse wird direkt an eine Vibrationsquelle an- gekoppelt. Ein resonantes Verhalten führt bei mechanischer Vibration zu einem sich periodisch ändernden Plattenabstand h]r. Ist der Elektrokondensator elektrisch vorgespannt, führt diese Bewegung zu einer Änderung des elektrischen Energieinhaltes im Kondensator 24. Diese Energieänderung kann bei- spielsweise über einen externen Lastwiderstand 26 extrahiert und damit nutzbar gemacht werden. In der Figur 2 sind oben die Parameter einer Federkonstante c und einer Dämpfung 6m als Parameter eines Feder-Masse-Systems dargestellt. Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Energiewandlers. In einem Gehäuse 30 kann bei¬ spielsweise ein Vakuum oder Luft oder ein anderes Gas bzw. Gasgemisch erzeugt sein. Zwischen einer an dem Gehäuse 30 befestigten Elektrode 32 und einer auf der gegenüber liegenden Seite der Elektrode 32 ebenso am Gehäuse 30 fixierten Gegen¬ elektrode 34 ist ein Dielektrikumkörper mit einer relativen Permittivität sr in einem Ausgangszustand vollständig im Kon¬ densatorvolumen zwischen den beiden Elektroden 32 und 34 schwingfähig angeordnet. Grundsätzlich ist es für die Ausführung der vorliegenden Erfindung ebenso möglich, dass die Elektroden 32 und 34 schwingfähig zum Dielektrikumkörper 36, der fixiert sein kann, beweglich sein können. Grundsätzlich ist ein Dielektrikumkörper 36 zwischen mindestens zwei Federelementen derart aufgespannt, dass der Dielektrikumkörper 36 in einem Ausgangszustand vollständig im Kondensatorvolumen zwischen Elektrode 32 und Elektrode 34 bereitgestellt ist. Es ist besonders vorteilhaft, wenn eine Achse von Auslenkungen durch die Vibration 38 identisch mit einer Achse 40 ist, entlang der die Federelemente 42 und 48 am wirksamsten eine pe¬ riodische Längenänderung ausführen. Gemäß Figur 3 und Formel (3) sind Elektrode 32 und Gegenelektrode 34 innen am Gehäuse 30 befestigt, während dessen ein Dielektrikumkörper 36 derart zwischen Federelementen 42 und 44 federnd aufgehängt ist, dass der Dielektrikumkörper 36 in ein Kondensatorvolumen zwischen Elektrode 42 und 34 in die Kondensatoranordnung periodisch ein- und ebenso wieder austauchen kann.
Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass eine Änderung von ΔεΓ, d.h. die Änderung von der relativen Permittivität sr im Vergleich zur Änderung von ΔΑ bzw. Ad wesentlich größer ausfallen kann. Eine relative Permittivität innerhalb der Kapa¬ zitätsanordnung kann sich beispielsweise zu 1 ergeben, und zwar wenn im Kondensatorvolumen Vakuum oder Luft bereitgestellt ist, wenn sich der Dielektrikumkörper 36 komplett außerhalb des Kondensatorvolumens befindet. Das Kondensatorvo¬ lumen ist mit der Bezugszahl 46 bezeichnet. Befindet sich das Dielektrikum bzw. der Dielektrikumkörper, der beispielsweise aus Silizium besteht, komplett innerhalb der Kondensatoran¬ ordnung, so liegt die relative Permittivität bei etwa
sr = 1 1 , 8 . Es existieren andere Materialien, die höhere Per- mittivitäten, beispielsweise bis einige 1 0 0 0 aufweisen. Ein Beispiel für eine sehr hohe Permittivität ist Bleizirkonat- Titanat, das mit PZT abgekürzt wird.
Diese Größenordnung an Kapazitätsänderung ist mit den herkömmlichen Ansätzen kaum erreichbar. Beim ΔΑ-Ansatz ist maximal ein Änderungsfaktor von 1 erreichbar, und zwar
Fläche = 0 oder die Maximalfläche. Beim Ad-Ansatz können sinnvollerweise kaum Faktoren größer als 1 0 erreicht werden, da man beim minimalen Abstand begrenzt ist. Diese Begrenzung liegt zum einen in der Durchbruchfeidstärke begründet, und zwar nach dem Paschen-Gesetz . Zum anderen muss sichergestellt werden, dass die mechanische Rückstellkraft gegenüber der elektrostatisch anziehend wirkenden Kraft dominant bleibt, da es ansonsten zum Verkleben bzw. "Sticking" kommen kann. Diese mechanische Instabilität führt dann zum Versagen des Bau¬ teils, beispielsweise zu einem elektrischen Kurschluss.
Figur 4 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbei¬ spiel eines Energiewandlers auf kapazitiver Basis, und zwar auf MEMS-Technologie basierend. Der kapazitive Energiewandler auf MEMS-Basis ist hier als ein dreifacher Waferstapel er¬ zeugt. Zwei äußere Elektrodenwafer 52 und 54 erzeugen mit zwei gegenüberliegenden, jeweils einen dazugehörigen elektrischen Anschluss 5 6 und 58 Elektrodenflächen 60 und 62 ein Kondensatorvolumen 64 . Ein mittlerer Wafer erzeugt einen an Federelementen 68 aufgehängten Dielektrikumkörper 6 6 . Gemäß der Ausgestaltung nach Figur 4 sind die beiden äußeren
Elektrodenwafer 52 und 54 mittels Pyrex erzeugt, wobei der mittlere Wafer 6 6 ein Siliziumwafer ist. Zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen 5 6 und 58 ist ein externer elektrischer Lastwiderstand RL elektrisch angeschlossen. Figur 4 zeigt eine Abbildung der prinzipiellen Realisierung eines dielektrischen kapazitiven Energiewandlers in MEMS- Technologie einschließlich eines externen elektrischen Lastwiderstandes RL . Der MEMS-Wandler besteht aus einem dreifa¬ chen Waferstack der Schichtfolge Pyrex - Silizium - Pyrex. Die Pyrex-Wafer enthalten die Elektrode bzw. Gegenelektrode 52 und 54 mit den dazugehörigen elektrischen Anschlüssen 56 und 58. Der Siliziumwafer 66 enthält die eigentliche an Fe¬ dern 68 aufgehängte und damit bewegliche Struktur des Di¬ elektrikumkörpers 66, bzw. der entsprechenden Dielektrikumstruktur .
Figur 5 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbei¬ spiel eines erfindungsgemäßen Energiewandlers. Dabei sind die beiden Elektrodenflächen 60 und 62 auf einer Elektrode und einer Gegenelektrode erzeugt, die zusammen mit dem Dielektri- kumkörper 66 als digitale Fingerstrukturen ausgeführt sind. Figur 5 zeigt eine Elektrode 70, eine Gegenelektrode 72 und das Dielektrikum bzw. den Dielektrikumkörper 74. Diese Elemente sind als digitale Fingerstrukturen ausgeführt, so wie dies in Figur 5 dargestellt ist. Das Dielektrikum 74 ist an in Längsrichtung zwei gegenüberliegenden Federn schwingfähig gehalten. Die Achse der Auslenkungen der Vibration ist identisch mit der Längsachse des Dielektrikumkörpers 74. Auf die¬ se Weise wird der Dielektrikumkörper 74 aufgrund der Vibrati¬ on derart periodisch verschoben, dass der Dielektrikumkörper 74 bzw. die jeweilige dazugehörige Fingerstruktur periodisch in die dazugehörigen Kondensatorvolumen der einzelnen Fingerstrukturen aus einer Ausgangsposition entfernt und wieder hinzugefügt wird. Eine Fingerbreite liegt vorteilhaft im Be¬ reich der Schwingungsamplitude des federnd aufgehängten Die- lektrikums 74. Dies hat den Vorteil, dass sich somit pro
Schwingungsperiode das Dielektrikum 74 sowohl mindestens ein¬ mal komplett außerhalb als auch mindestens einmal komplett innerhalb des Kondensatorvolumens der Kondensatoranordnung aufhält. Ein derartiges Verhalten macht eine Änderung ΔεΓ ma- ximal . Figur 5 zeigt eine Draufsicht der einzelnen Wafer mit den jeweiligen digitalen Fingerstrukturen. Die digitale Fingerstruktur des Dielektrikumkörpers 74 ist in Längsrichtung von zwei Federelementen 76 gehalten. Die Richtung der Auslen- kung der Vibration entspricht einer Längsrichtung des Dielektrikumkörpers 74.

Claims

Patentansprüche
1. Kapazitiver Energiewandler zur Wandlung von mechanischer Vibration in elektrische Energie, aufweisend ein durch zwei in einem Abstand zueinander angeordnete Elektrodenflächen erzeugtes Kondensatorvolumen, dadurch gekennzeichnet, dass im Kondensatorvolumen ein Gesamtdielektrikum hinsichtlich einer relativen Gesamtpermittivität srG abhängig von der Vibra¬ tion zeitlich variabel bereitgestellt ist, so dass eine da- durch bewirkte Kapazitätsänderung zur Wandlung in elektrische Energie genutzt wird.
2. Energiewandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gesamtdielektrikum mit der Gesamtpermittivität srG mittels eines eine erste relative Permittivität Γι aufweisenden Medi¬ ums oder Vakuums im Kondensatorvolumen erzeugt ist, zu dem ein eine zweite relative Permittivität ε£2 aufweisender Die¬ lektrikumkörper entsprechend der Vibration periodisch hinzu- gefügt und entfernt wird.
3. Energiewandler nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden Elektrodenflächen auf einer Elektrode und einer Gegenelektrode erzeugt sind, die an einem Gehäuse befestigt sind, wobei der Dielektrikumkörper in einem Ausgangszustand vollständig im Kondensatorvolumen schwingfähig angeordnet ist .
4. Energiewandler nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Dielektrikumkörper in dem Ausgangszustand vollständig im Kondensatorvolumen, zwischen mindestens einem an dem Gehäuse befestigten Federelement aufgehängt, angeordnet ist.
5. Energiewandler nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Achse von Auslenkungen durch die Vibration identisch mit einer Achse ist, entlang derer die Federelemente am wirksams¬ ten eine periodische Längenänderung, Durchbiegung oder Formveränderung ausführen.
6. Energiewandler nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Medium Luft oder ein anderes Gas ist und der Dielektrikumkörper aus Silizium oder Blei-Zirkonat-Titanat besteht.
7. Energiewandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Energiewandler auf Mikrosystem- (MEMS- ) Basis als ein drei facher Waferstapel erzeugt ist, wobei zwei äußere Elektroden wafer mit zwei gegenüberliegenden, jeweils einen dazugehörigen elektrischen Anschluss aufweisenden Elektrodenflächen da Kondensatorvolumen erzeugen, in dem ein an Federelementen aufgehängter Dielektrikumkörper mittels eines mittleren Wa- fers ausgebildet ist.
8. Energiewandler nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden äußeren Elektrodenwafer Pyrexwafer und der mittlere Wafer ein Siliziumwafer ist, wobei zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen ein externer elektrischer Lastwiderstand elektrisch angeschlossen ist.
9. Energiewandler nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden Elektrodenflächen auf einer Elektrode und einer Gegenelektrode erzeugt sind, die zusammen mit dem Dielektri¬ kumkörper als digitale Fingerstrukturen ausgeführt sind.
10. Energiewandler nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite der digitalen Fingerstrukturen an eine Schwingungsamplitude des federnd aufgehängten Dielektrikumkörpers angenähert ist.
11. Verfahren zur kapazitiven Energiewandlung von mechanischer Vibration in elektrische Energie, ausgeführt mittels eines durch zwei in einem Abstand zueinander angeordnete Elektrodenflächen erzeugtes Kondensatorvolumen,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Kondensatorvolumen ein Gesamtdielektrikum hinsichtlich ei ner relativen Gesamtpermittivität srG abhängig von der Vibra¬ tion zeitlich variabel bereitgestellt ist, so dass eine da¬ durch bewirkte Kapazitätsänderung zur Wandlung in elektrisch Energie genutzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gesamtdielektrikum mit der Gesamtpermittivität srG mittel eines eine erste relative Permittivität Γι aufweisenden Medi ums oder Vakuums im Kondensatorvolumen erzeugt ist, zu dem ein eine zweite relative Permittivität ε£2 aufweisender Die¬ lektrikumkörper entsprechend der Vibration periodisch hinzugefügt und entfernt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden Elektrodenflächen auf einer Elektrode und einer Gegenelektrode erzeugt sind, die an einem Gehäuse befestigt sind, wobei der Dielektrikumkörper in einem Ausgangszustand vollständig im Kondensatorvolumen schwingfähig angeordnet ist .
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Dielektrikumkörper in dem Ausgangszustand vollständig im Kondensatorvolumen, zwischen mindestens einem an dem Gehäuse befestigten Federelement aufgehängt, angeordnet ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Achse von Auslenkungen durch die Vibration identisch mit einer Achse ist, entlang derer die Federelemente am wirksams¬ ten eine periodische Längenänderung, Durchbiegung oder Formveränderung ausführen.
16. Verfahren nach Anspruch 12, 13, 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Medium Luft oder ein anderes Gas ist und der Dielektrikumkörper aus Silizium oder Blei-Zirkonat-Titanat besteht.
17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche
11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass
der Energiewandler auf Mikrosystem- (MEMS- ) Basis als ein drei¬ facher Waferstapel erzeugt ist, wobei zwei äußere Elektroden¬ wafer mit zwei gegenüberliegenden, jeweils einen dazugehörigen elektrischen Anschluss aufweisenden Elektrodenflächen das Kondensatorvolumen erzeugen, in dem ein an Federelementen aufgehängter Dielektrikumkörper mittels eines mittleren Wa- fers ausgebildet ist.
18. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden äußeren Elektrodenwafer Pyrexwafer und der mittlere Wafer ein Siliziumwafer ist, wobei zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen ein externer elektrischer Lastwiderstand elektrisch angeschlossen ist.
19. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche
12 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden Elektrodenflächen auf einer Elektrode und einer Gegenelektrode erzeugt sind, die zusammen mit dem Dielektri¬ kumkörper als digitale Fingerstrukturen ausgeführt sind.
20. Verfahren nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite der digitalen Fingerstrukturen an eine Schwingungsamplitude des federnd aufgehängten Dielektrikumkörpers angenähert ist.
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