Kapazitive Energiewandler Höhere Leistung durch Frequenzwandlung

Um mechanische in elektrische Energie im µW-Bereich zu wandeln, wird das kapazitive Prinzip bisher wenig genutzt. Dabei lassen sich derartige Wandler ultraklein in Silizium-MEMS-Technologie herstellen– hochparallel und automatisiert auf bestehenden Fertigungslinien. Eine verkannte Technik mit Potenzial.

Unter den verschiedenen Prinzipien, mechanische Energie in elektrische zu wandeln, wird das kapazitive bisher wenig genutzt. Damit lassen sich nur sehr niedrige Leistungen bis in den µW-Bereich erzeugen, was aber für einige Anwendungsfälle bereits ausreicht. Der Vorteil ist, dass sich derartige Wandler ultraklein in Silizium-MEMS-Technologie herstellen lassen – hochparallel und automatisiert auf bestehenden Fertigungslinien. Mit einigen neuen Ideen lässt sich die Leistungsabgabe deutlich steigern.

Das Grundprinzip ist ein Kondensator, dessen Platten gegeneinander beweglich sind. Ist er auf eine bestimmte Spannung aufgeladen und von der Außenwelt isoliert, so dass die Ladung konstant bleibt, dann ändert sich bei Änderung des Plattenabstands oder der Plattenfläche die Spannung umgekehrt proportional zur Kapazität. Bei periodischer Änderung, etwa angeregt durch Vibration, lässt sich mechanische Energie in elektrische wandeln.

Der Vorgang läuft dann so ab: Bei kleinem Plattenabstand, also großer Kapazität, wird der Kondensator über einen Schalter mit einer Spannungsquelle verbunden und aufgeladen. Dann wird die Verbindung unterbrochen und die Kapazität wird verkleinert. Die dadurch erhöhte Spannung wird über einen zweiten Schalter auf einen Speicherkondensator mit fester Kapazität übertragen, anschließend wird der zweite Schalter wieder geöffnet, die Kapazität wieder vergrößert, und der Vorgang beginnt von neuem (Bild 1). Wie bei einer Ladungspumpe lädt sich der zweite Kondensator schrittweise auf bis auf einen Sättigungswert.

Einige Möglichkeiten für die Kapazitätsänderung sind:

  • Änderung des Plattenabstands in der Ebene,
  • Änderung der Überlappung in der Ebene,
  • Änderung des Plattenabstands aus der Ebene,
  • Änderung der Überlappung bei Bewegung aus der Ebene.

Zum Start ist hier eine Eingangsspannung erforderlich. Diese kann in einer praktischen Realisierung z.B. von einem integrierten Piezoelement generiert werden. Die von dem kapazitiven Energiewandler erzeugte Leistung hängt ab von der Schaltfrequenz, von der Eingangsspannung und vom Kapazitätsverhältnis. Dieses versucht man so hoch wie irgend möglich zu machen. Dennoch bleiben die erzielbaren Leistungen im Vergleich zu anderen Wandlern sehr klein – nW bis µW. Dem steht der Vorteil gegenüber, dass man solche Wandler mikrominiaturisiert aufbauen kann, d.h. aus einkristallinem Silizium in Standard-MEMS-Technologie, bei Bedarf mit elektronischen Funktionselementen auf demselben Chip.