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Die
Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte Schaltkreis-Anordnung.
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Der
Einsatz von kontaktlos betreibbaren Computerchips, bei denen verdrahtete
Zuleitungen entbehrlich sind ("ubiquitious
computing"), gewinnt zunehmend
an Bedeutung. Ein wichtiger Anwendungsbereich dieses technischen
Gebietes ist die Sensorik, da für
viele Anwendungen von Sensoren eine drahtlose Übermittlung eines Sensorsignals
an eine zentrale Steuereinheit wünschenswert
ist.
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Die
Kommunikation eines solchen kontaktlosen Sensor-Computerchips mit einer zentralen Steuer-
oder Recheneinheit zum Weiterverarbeiten eines kontaktlos übermittelten
Sensorsignals kann beispielsweise über ein drahtloses Netz erfolgen.
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Da
bei solchen drahtlosen Computerchips eine kostengünstige,
mechanisch unabhängige
und universell einsetzbare Verwendbarkeit wünschenswert ist, wird für solche
Computerchips eine drahtlose Energieversorgung angestrebt. Die Notwendigkeit
einer drahtgebundenen Stromversorgung würde zu sehr hohen Kosten führen und
zudem die Einsatzmöglichkeiten
beschränken.
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Bei
kontaktlosen Identifikationslabeln (sogenannten "ID-Tags") wird häufig unter
Verwendung einer in dem Identifikationslabel enthaltenen Spule ein elektromagnetisches
Feld in das Identifikationslabel eingekoppelt. Unter Verwendung
eines Gleichrichters kann die induktiv eingekoppelte elektrische
Energie gleichgerichtet werden, so dass ein Gleichstrom zum Versorgen
des Identifikationslabels bereitgestellt werden kann. Diese Art der
Energieversorgung weist jedoch den Nachteil auf, dass das Identifikationslabel
zum induktiven Einkoppeln elektromagnetischer Feldenergie stets
in einem Bereich mit sehr hoher elektrischer Feldstärke positioniert
sein muss, was die Reichweite eines solchen kontaktlosen Chips stark
einschränkt.
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Aus
[1] ist ein makroskopischer Generator mit einem Gesamtvolumen von
ungefähr
einem Kubikzentimeter bekannt, bei dem ein Permanentmagnet, beispielsweise
ein 21 Milligramm schwerer Seltene-Erde-Permanentmagnet, in dem
zentralen Bereich einer Kupfer-Feder angeordnet wird, und einer Vibration
ausgesetzt wird. In einer Spule kann aufgrund des von den vibrierenden
Permanentmagneten generierten zeitlich veränderlichen Magnetfelds eine
Induktionsspannung induziert werden, welche beispielsweise zur Versorgung
einer extern vorgesehenen elektrischen Last verwendet wird.
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Allerdings
ist der an eine elektrische Last anzuschließende in [1] beschriebene Generator
zur Energieerzeugung aus der Vibration eines makroskopischen Permanentmagneten
aufwändig
in der Herstellung und hat immer noch ein für manche Anwendungen zu großes Volumen.
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In
[2] sind Sensoren und Aktuatoren sowie Mikroelektromechanische Systeme
(MEMS) beschrieben.
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[3]
offenbart einen vibrationsinduzierten Energiegenerator, bei dem
mechanische Energie mittels einer Feder und eines Permanentmagneten
unter Verwendung des Faraday-Gesetzes in eine Induktionsspannung
umgewandelt wird, welche zum Betreiben eines Low-Power-ICs oder
von Mikrosensoren verwendet wird.
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Ferner
beschreibt [4] eine Anordnung, bei der eine Abfrageeinheit einem
monolithisch integrierten Transponder drahtlos ein Signal übermittelt,
das in einer Spule in dem Transponder empfangen wird. Dieses empfangene
Signal wird gleichgerichtet, als Energiequelle zum Antreiben einer
Komponente des Schaltkreises verwendet und weiterverarbeitet.
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[5]
offenbart eine mäanderförmige Induktionsspule,
die mit einem magnetischen Kern verwoben ist, sowie eine Art mikromechanisches
Relais.
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[6]
offenbart einen mikromechanischen elektromagnetischen Generator
unter Verwendung einer Masse, einer Feder und einer Pickup-Spule.
Die Pickup-Spule ist als planare Goldspule mit 13 Windungen realisiert.
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Weiterhin
beschreibt [7] eine Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie
aus mechanischer Energie in einer Vibrationsumgebung, bei der an
einem Cantilever-Pfosten
ein C-förmiger
Träger vorgesehen
ist, an dem zwei Magneten angebracht sind. Eine Spule im Inneren
des C-förmigen Trägers kann
in Anwesenheit von Vibrationen relativ zu den Magneten in Schwingungen
versetzt werden, was zur Energieerzeugung verwendet wird.
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Der
Erfindung liegt insbesondere das Problem zugrunde, eine mit ausreichend
geringem Aufwand herstellbare Anordnung mit einer funktionellen Einheit
bereitzustellen, welche funktionelle Einheit autonom mit elektrischer
Energie versorgt werden kann und somit auch für kontaktlose Anwendungen geeignet
ist.
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Das
Problem wird durch eine Schaltkreis-Anordnung mit den Merkmalen
gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Schaltkreis-Anordnung
ist eine monolithisch integrierte Schaltkreis-Anordnung mit einem
Substrat und einer in/oder auf dem Substrat gebildeten funktionellen
Einheit. Ferner weist die monolithisch integrierte Schaltkreis-Anordnung
eine in und/oder auf dem Substrat gebildete und mit der funktionellen
Einheit gekoppelte Energieversorgungseinheit auf, die eine Induktivität und einen
Permanentmagneten aufweist. Induktivität und Permanentmagnet sind
derart eingerichtet, dass unter Einwirken einer Vibration auf die
Schaltkreis-Anordnung
der Permanentmagnet relativ zu der Induktivität derart beweglich ist, dass
mittels der Induktivität eine
elektrische Induktionsspannung zum Versorgen der funktionellen Einheit
mit elektrischer Energie induzierbar ist. Der Permanentmagnet weist
eine oder eine Mehrzahl von Kammstrukturen oder eine oder eine Mehrzahl
von Zungenstrukturen auf.
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Eine
Grundidee der Erfindung ist darin zu sehen, dass eine monolithisch
in einem gemeinsamen Substrat, wie beispielsweise einem Halbleitersubstrat,
integrierte Schaltkreis-Anordnung geschaffen wird, welche eine ebenfalls
in dem Substrat monolithisch integrierte Energieversorgungseinheit
aufweist. Die mit der zu versorgenden monolithisch in dem Substrat
integrierten funktionellen Einheit gekoppelte Energieversorgungseinheit
wandelt die in einer externen Vibration (z. B. eines laufenden Motors)
enthaltene mechanische Energie gemäß dem Generatorprinzip On-Chip
in elektrische Energie um. Somit kann die funktionelle Einheit,
wie zum Beispiel ein Sensor, mit der zu seinem Betrieb erforderlichen elektrischen
Energie autonom, d. h. ohne zusätzliche externe
Komponenten, versorgt werden.
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Indem
alle Komponenten der monolithisch integrierten Schaltkreis-Anordnung
mit funktioneller Einheit und Energieversorgungseinheit gemeinsam in
einem Substrat monolithisch integriert sind, ist eine echte On-Chip
Energieversorgung ermöglicht.
Dadurch sind auch die Transportwege für die elektrischen Energieversorgungssignale
verkürzt.
Somit erfährt
die erzeugte elektrische Energie in Form eines elektrischen Induktionsstroms
bei dem Weg von der Energieversorgungseinheit zu der funktionellen
Einheit aufgrund der gemeinsamen Integration in dem Substrat nur
sehr geringe ohmsche Verluste, so dass eine effizientere Energieversorgung
und daher ein verbesserter Wirkungsgrad erreicht sind.
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Erfindungsgemäß ist eine
Schaltkreis-Anordnung mit On-Chip-Energieversorgung mit verringerter Dimension
geschaffen, wodurch eine fortgesetzte Miniaturisierung erreicht
ist. Die Schaltkreis-Anordnung kann beispielsweise in einem miniaturisierten Sensorchip
Anwendung finden, welcher dann in der ihm zugeordneten Sensorumgebung
einen sehr geringen Platzbedarf aufweist.
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Ferner
bewirkt die On-Chip-Integration von funktioneller Einheit und Energieversorgungseinheit eine
erheblich vereinfachte Herstellbarkeit der erfindungsgemäßen Schaltkreis-Anordnung.
Anschaulich sind weniger Prozessschritte zum Ausbilden der Schaltkreis-Anordnung
erforderlich, da die Prozessierung der funktionellen Einheit und
die Prozessierung der Energieversorgungseinheit samt ihrer integrierten
Komponenten (Induktivität
und Permanentmagnet) prozesstechnisch zeitlich parallel möglich ist.
Anders ausgedrückt
kann die IC-Prozessierung zum Bilden der funktionellen Einheit und
das Herstellen der Energieversorgungseinheit simultan erfolgen.
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Anschaulich
ausgedrückt
wird eine externe Vibration, beispielsweise die Vibration eines
Motors, an welchem ein Sensor als funktionelle Einheit angebracht
ist, dazu verwendet, dass ein Permanentmagnet relativ zu einer Induktivität bewegt
wird, wodurch das Magnetfeld des Permanentmagneten in zeitlich veränderter
Weise auf die Induktivität
einwirkt, so dass der magnetische Fluss durch die Spule einer zeitlichen
Veränderung
ausgesetzt ist, wodurch eine Induktionsspannung zwischen den Enden
der Induktivität
erzeugt wird. Die in dieser Spannung (bzw. einem zugehörigen Strom)
enthaltene elektrische Energie wird dann zur Energieversorgung der
funktionellen Einheit verwendet.
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Als
funktionelle Einheit im Sinne der Erfindung wird insbesondere diejenige
Sektion der erfindungsgemäßen Schaltkreis-Anordnung
verstanden, welche die eigentliche Funktionalität der Schaltkreis-Anordnung
nach außen
hin erfüllt
und die zum Erfüllen
der ihr zugewiesenen Funktionalität elektrische Energie benötigt. Die
funktionelle Einheit dient der Erfüllung einer der Schaltkreis-Anordnung
zugewiesenen Aufgabe. So kann die funktionelle Einheit beispielsweise
ein Sensor und/oder eine integrierte Schaltkreiskomponente (z. B.
mit einer CPU und/oder einem Speicher) sein. Ein Charakteristikum der
funktionellen Einheit ist insbesondere, dass die funktionelle Einheit
zur Erfüllung
der ihr zugewiesenen Funktionalität elektrischer Energie bedarf,
welche mittels der Energieversorgungseinheit bereitgestellt wird.
Die Bandbreite möglicher
Funktionen, die der funktionellen Einheit zugewiesen sein können, ist groß. Die funktionelle
Einheit kann somit auch als Nutz-Einrichtung angesehen werden. Sie
stellt einen energieverbrauchenden Bereich der erfindungsgemäßen Schaltkreis-Anordnung
dar.
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Erfindungsgemäß ist somit
eine miniaturisierte On-Chip-Lösung
für die
Energieversorgung einer vorzugsweise drahtlos vorgesehenen monolithisch
integrierten Schaltkreis-Anordnung, insbesondere der darauf gebildeten
funktionellen Einheit, geschaffen.
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Indem
die Erfindung mechanische Vibrationen nutzt, um anschaulich nach
dem Generatorprinzip elektrischen Strom zu gewinnen, kann die erfindungsgemäße Schaltkreis-Anordnung
zum Beispiel mit einem Sensor als funktionale Einheit zum Überwachen
eines Motors eingesetzt werden, wobei die Vibrationen des Motors
zur Energieversorgung des Sensors eingesetzt wird.
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Die
Dimensionen, in welcher die erfindungsgemäße Schaltkreis-Anordnung bevorzugt
ausgebildet ist, sind typische Dimensionen der Halbleitertechnologie.
Die eindimensionalen Ausdehnungen der Einzelkomponenten können typischerweise
in einem Bereich zwischen Nanometern und etwa hundert Mikrometern
liegen, vorzugsweise zwischen etwa hundert Nanometern und einigen
zehn Mikrometern.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Das
Substrat kann ein Halbleitersubstrat, insbesondere ein Silizium-
oder Germaniumsubstrat sein. Das Halbleitersubstrat kann ein Wafer
oder ein Chip sein. Die monolithisch integrierte Schaltkreis-Anordnung
kann zum Beispiel in CMOS-Technologie
realisiert sein.
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Die
funktionelle Einheit kann ein Sensor sein, insbesondere ein Drehzahl-Sensor,
ein Temperatursensor, ein Drucksensor, ein chemischer Sensor, ein Gassensor,
ein Biosensor, ein Strahlungssensor zum Detektieren beispielsweise
elektromagnetischer Strahlung und/oder ein Sensor zum Erfassen einer Vibrationsfrequenz.
Ist der Sensor als Sensor zum Erfassen einer Vibrationsfrequenz
vorgesehen, so kann die zu detektierende mechanische Vibration als Detektionssignal
und auch als Quelle zum Erzeugen elektrischer Energie in der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit
dienen. Die funktionelle Einheit kann aber auch ein Mikro-Roboter
sein, eine Mikro-Pinzette, etc.
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Die
erfindungsgemäße Schaltkreis-Anordnung
kann zum Anbringen an einer Vibrationsquelle eingerichtet sein.
Anschaulich kann die Schaltkreis-Anordnung zum Beispiel an einem
Motor, oder an einem Mobiltelefon angeschraubt oder aufgeklebt werden.
Die Schaltkreis-Anordnung kann auch an einem schlagenden Herzen
angebracht sein.
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Die
Vibrationsquelle weist vorzugsweise einen Motor auf. Dieser Motor
kann ein Verbrennungsmotor (z. B. eines Kraftfahrzeugs) oder ein
Elektromotor sein.
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Die
Schaltkreis-Anordnung der Erfindung kann eine Kommunikationsschnittstelle
zum kontaktlosen Kommunizieren mit einer externen Steuereinheit/Zentrale
aufweisen. Beispielsweise unter Verwendung eines drahtlosen Netzes
kann eine Übermittlung
eines Steuersignals von einer Zentrale an die Schaltkreis-Anordnung
erfolgen. Auch kann kontaktlos, das heißt beispielsweise unter Aussendung elektromagnetischer
Strahlung (wie beispielsweise Radiowellen) zum Zwecke des Signalaustauschs zwischen
Schaltkreis-Anordnung und externer Steuereinheit, die Schaltkreis-Anordnung
ein Signal an die Zentrale übermitteln.
Beispielsweise kann die Schaltkreis-Anordnung ein detektiertes Sensorsignal kontaktlos über die
Kommunikationsschnittstelle an die externe Steuereinheit melden.
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Die
Vorteile einer On-Chip-Energieversorgung der funktionellen Einheit
der Schaltkreis-Anordnung kommen bei einer kontaktlosen Anwendung
besonders stark zum Tragen. Bevorzugte Einsatzgebiete der Erfindung
sind daher kontaktlose Chipkarten, Identifikationslabels („ID-Tags"), etc.
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Die
Energieversorgungseinheit kann eine Gleichrichtereinrichtung zum
Gleichrichten einer Induktionsspannung der Induktivität aufweisen,
zum Versorgen der funktionellen Einheit mit einer Gleichspannung.
Da viele Sensoren oder integrierte Schaltkreis-Komponenten mit einer
elektrischen Gleichspannung bzw. einem elektrischen Gleichstrom
zu betreiben sind, ist es für
solche Anwendungen vorteilhaft, die aufgrund des Vibrierens erzeugte
Wechselspannung bzw. den mit dieser in Zusammenhang stehenden Wechselstrom
vor dem Einkoppeln in die funktionelle Einheit gleichzurichten.
Hierfür
kann eine aus dem Stand der Technik bekannte Gleichrichtereinrichtung
(z. B. eine Diode) verwendet werden.
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Die
Energieversorgungseinheit kann eine Energiespeichereinheit aufweisen,
in der mittels der Induktionsspannung generierte elektrische Ladungsträger zwischenspeicherbar
sind. Anschaulich kann aufgrund einer Vibration erzeugte elektrische
Energie gemäß dem Batterieprinzip
in der Energiespeichereinheit gespeichert werden und später bedarfsweise ausgegeben
werden. Soll beispielsweise in einem Motor auch in einem Zustand,
in welchem dieser von einer Vibration frei ist, ein Parameter wie
beispielsweise eine Temperatur erfasst werden, so kann während des
Betriebs des Motors, in welchem dieser mechanisch vibriert, elektrische
Energie in der Energieversorgungseinheit der Schaltkreis-Anordnung
generiert werden und diese in der Energiespeichereinheit gespeichert
werden. Daher kann die Schaltkreis-Anordnung auch in Abwesenheit
einer mechanischen Vibration mit zuvor gespeicherter elektrischer
Energie betrieben werden.
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Die
Energiespeichereinheit weist vorzugsweise eine Kapazität auf, welche
anschaulich elektrische Ladungsträger eines gleichgerichteten
Induktionsstroms akkumuliert und diese später bedarfsweise an die funktionelle
Einheit abgeben kann.
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Die
Induktivität
kann beispielsweise eine elektrisch leitfähige Mäanderstruktur sein. Diese kann
in und/oder auf dem Substrat ausgebildet sein. Alternativ kann die
Induktivität
einer Anordnung aus einer Mehrzahl von elektrisch leitfähigen und
in der Substratebene nebeneinander, ineinander und/oder bezüglich der
Substratebene vertikal übereinander gebildeten
Mäanderstrukturen
gebildet sein. Das Zusammenschalten bzw. Verkoppeln mehrerer Mäanderstrukturen
in Substratebene und/oder senkrecht zu dieser kann den Wert der
Induktivität
bzw. den abgedeckten Flächenbereich
erhöhen,
in welchem der Permanentmagnet einen zeitlich veränderlichen
magnetischen Fluss bewirkt.
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Alternativ
kann die Induktivität
eine elektrisch leitfähige
Spiralstruktur sein. Diese kann beispielsweise aus im Wesentlichen
konzentrischen Kreisringen mit unterschiedlichen Radii bestehen,
die ineinander angeordnet sind und miteinander gekoppelt sind. Alternativ
kann die Spiralstruktur aus einer Mehrzahl von ineinander angeordneten
rechteckigen Leiterbahnstrukturen, optional mit abgerundeten Kanten,
realisiert sein, wobei die ineinander angeordneten Rechtecke miteinander
elektrisch gekoppelt sind. Die Induktivität kann auch eine Anordnung
aus einer Mehrzahl von elektrisch leitfähigen und in der Substratebene
nebeneinander, ineinander und/oder zu der Substratebene vertikal übereinander
gebildeten Spiralstrukturen sein.
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Der
Permanentmagnet kann freischwebend oberhalb des Substrats angeordnet
sein und mittels mindestens einem elastischen Federelement mit dem
Substrat gekoppelt sein. Ein freischwebender Permanentmagnet kann
sich besonders effektiv relativ zu einer Induktivität, die in
dem Substrat ortsfest integriert ist, bewegen. Das Bilden einer
freischwebenden Permanentmagnetstruktur bei einem integrierten Schaltkreis
kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Hilfsschicht auf
dem Substrat (das beispielsweise darin/darunter die Induktivität enthält) ausgebildet
wird und darüber
eine Permanentmagnetschicht abgeschieden wird, welche nachfolgend strukturiert
wird. Nach dem Strukturieren der Permanentmagnetschicht zum Bilden
des Permanentmagneten kann beispielsweise mittels Unterätzens die Hilfsschicht
entfernt werden, wodurch der Permanentmagnet freischwebend realisiert
wird. An den Enden des Permanentmagneten kann dieser mit dem Substrat
oder mit einem elastischen Federelement, welches an Randbereichen
des Substrats gebildet sein kann, gekoppelt werden. Es ist ferner
anzumerken, dass alternativ zu einem freischwebenden Permanentmagneten
die Induktivität freischwebend vorgesehen
sein kann und der Permanentmagnet in dem Substrat ortsfest integriert
vorgesehen werden kann. Wichtig ist lediglich eine Relativbewegung
zwischen Permanentmagnet und Induktivität, um eine zeitliche Veränderung
des magnetischen Flusses durch die Induktivität zu realisieren.
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Erfindungsgemäß weist
der Permanentmagnet eine Kammstruktur oder eine Mehrzahl von Kammstrukturen
auf. Eine Kammstruktur mit einem zentralen Haltebereich und einer
Mehrzahl von ausgehend von dem Haltebereich (z. B. orthogonal dazu) gebildeten
Zähnen
ist leicht fertigbar, robust und ermöglicht eine effektive elektrische
Energieversorgung in Kombination beispielsweise mit einer Induktivität der Mäanderform.
Eine solche Kammstruktur wird in der MEMS-Technologie („microelectromechanical
manufacturing systems")
zum Beispiel in Beschleunigungssensoren von Airbags verwendet. Im Unterschied
zu solchen Systemen dient die Kammstruktur gemäß der erfindungsgemäßen Schaltkreis-Anordnung
zum Erzeugen elektrischer Energie aus mechanischer Vibrationsenergie.
Wenn sich eine solche Kammstruktur über einer Spulenanordnung (Induktivität) bewegt,
kann in der Spulenanordnung eine Induktionsspannung induziert werden,
welche zur Energieversorgung genutzt wird.
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Alternativ
zu der Kammstruktur weist der Permanentmagnet erfindungsgemäß eine Zungenstruktur
oder eine Mehrzahl von Zungenstrukturen auf. In einem solchen Fall
kann der Permanentmagnet nur an einem Ende mittels eines Federelements an
dem Substrat befestigt sein, so dass der Permanentmagnet ähnlich wie
bei einer Zungenfrequenzmesseinrichtung gemäß dem Ausleger-Prinzip („Cantilever") vibrieren kann.
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Der
Permanentmagnet kann derart eingerichtet sein, dass seine Magnetisierungsrichtung
sich im Wesentlichen orthogonal zu der Oberfläche des Substrats erstreckt.
In diesem Falle durchdringen die Magnetfeldlinien, die vorzugsweise
in der Substratebene gebildete Induktivität im Wesentlichen senkrecht,
so dass bei einer Relativbewegung zwischen Permanentmagnet und Induktivität eine besonders starke
Variation des magnetischen Flusses und somit eine besonders hohe
Induktionsspannung erhalten werden kann.
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Das
System aus zumindest einem elastischem Federelement und dem Permanentmagneten kann
auf eine vorgebbare Resonanzfrequenz, d. h. eine Vibrationsfrequenz,
auf die das System besonders gut anschwingen kann, angepasst sein.
Ist beispielsweise a priori bekannt, dass eine Schaltkreis-Anordnung der Erfindung
in Kombination mit einem bestimmten Motor betrieben werden soll,
welcher typischerweise bei einer bestimmten Frequenz vibriert, so
können
die Dimensionen, Materialien und Federkonstanten des Systems aus
Federelement und Permanentmagnet auf diese vorgegebene Frequenz
angepasst werden, so dass ein besonders effektives Anschwingen des
mechanischen Vibrationssystems auf die von dem Motor erzeugte Vibration
ermöglicht
ist. Dadurch kann die mechanische Energie besonders effektiv in
elektrische Energie umgewandelt werden.
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Vorzugsweise
kann eine Mehrzahl von elastischen Federelementen vorgesehen sein,
wobei das System aus der Mehrzahl von elastischen Federelementen
und dem Permanentmagneten auf mehrere unterschiedliche vorgebbare
Resonanzfrequenzen oder mindestens ein vorgebbares Band von Resonanzfrequenzen
angepasst ist. Auf diese Weise ist es möglich, dass die erfindungsgemäße Schaltkreis-Anordnung
flexibel in unterschiedlichen Frequenzbereichen anregender Vibrationen
dazu in der Lage ist, in Anwesenheit einer solchen Vibration selbst
in Schwingung zu geraten und somit effektiv Energie zu erzeugen.
Insbesondere kann das System auf ein Anschwingen einer Vibration
eines Frequenzbands oder einer Mehrzahl unterschiedlicher Frequenzbänder angepasst
sein, wodurch eine Energiegewinnung auf Basis ganz unterschiedlicher
externer Vibrationen ermöglicht
ist.
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Der
Permanentmagnet kann relativ zu der Induktivität in zwei zueinander orthogonalen
Richtungen in der Substratebene beweglich sein. Hierfür können beispielsweise
zwei in der Substratebene zueinander im Wesentlichen vertikal orientierte
Strukturen aus Induktivität
und Permanentmagnet nebeneinander gebildet werden, von denen jede
Struktur zum Anschwingen auf eine externe Vibration einer bestimmten
Vibrationsrichtung in der Substratebene eingerichtet ist, um eine
Energieversorgung der funktionellen Einheit für unterschiedliche Vibrationsrichtungen
einer anregenden Vibration zu ermöglichen.
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Zwischen
dem Substrat einerseits und dem Permanentmagneten und der Induktivität andererseits
kann ein Magnetfeldabschirmbereich gebildet sein, der zum Abschirmen
des Magnetfeldes des Permanentmagneten in dem Substrat eingerichtet ist.
Wenn beispielsweise in dem Substrat die funktionelle Einheit und/oder
ein (anderer) Schaltkreis integriert ist und darüber eine oder mehrere Signalebenen
vorgesehen sind, so kann ein in der Induktivität fließender Induktionsstrom bzw.
das Magnetfeld des Permanentmagneten als Störsignal auch in diese Signalebenen
bzw. den in dem Substrat integrierten Schaltkreis unerwünscht eingekoppelt
werden. Dies kann vermieden werden, indem zwischen den integrierten
Schaltkreis und die Signalebenen einerseits und die Induktivität und den
Permanentmagneten andererseits ein Magnetfeldabschirmbereich, beispielsweise
eine Schicht aus weichmagnetischem Material wie Eisen, gebildet
wird, welche von Permanentmagnet und Induktivität gebildete Magnetfelder vor
einem Einkoppeln in die Signalebenen bzw. den integrierten Schaltkreis
schützt.
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Als
permanentmagnetisches Material für
den Permanentmagneten kann beispielsweise Eisen, Kobalt, Nickel
oder ein permanentmagnetisches Seltene-Erde-Material verwendet werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren
näher erläutert. Es
zeigen:
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1A, 1B eine
Draufsicht einer monolithisch integrierten Schaltkreis-Anordnung
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung in zwei unterschiedlichen Betriebszuständen,
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2 einen
Querschnitt einer monolithisch integrierten Schaltkreis-Anordnung
gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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3 eine
Draufsicht einer monolithisch integrierten Schaltkreis-Anordnung
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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4A bis 4D Induktivitäten gemäß unterschiedlichen
Ausführungsbeispielen
der Erfindung zur Verwendung in einer monolithisch integrierten Schaltkreis-Anordnung
gemäß der Erfindung,
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5A bis 5D Schichtenfolgen
zu unterschiedlichen Zeitpunkten während eines Verfahrens zum
Herstellen einer monolithisch integrierten Schaltkreis-Anordnung
gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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6A bis 6C Schichtenfolgen
zu unterschiedlichen Zeitpunkten während eines Verfahrens zum
Herstellen einer monolithisch integrierten Schaltkreis-Anordnung
gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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7A bis 7E Schichtenfolgen
zu unterschiedlichen Zeitpunkten während eines Verfahrens zum
Herstellen einer monolithisch integrierten Schaltkreis-Anordnung gemäß einem
sechsten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Gleiche
oder ähnliche
Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern
versehen.
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Die
Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 1A, 1B eine
Schaltkreis-Anordnung 100 gemäß einem ersten bevorzugten
Ausführungsbeispiel der
Erfindung beschrieben.
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Die
Schaltkreis-Anordnung 100, welche in 1A und 1B in
Draufsicht in zwei unterschiedlichen Betriebszuständen gezeigt
ist, ist in bzw. auf einem Siliziumsubstrat 101 monolithisch
integriert. In dem Siliziumsubstrat 100 ist ein Temperatursensor
(nicht gezeigt) als funktionelle Einheit zum Bestimmen der Temperatur
eines Motors (nicht gezeigt) gebildet, an welchem die Schaltkreis-Anordnung 100 angebracht
ist. Die Schaltkreis-Anordnung 100 kann kontaktlos mit
einer externen Steuereinheit (nicht gezeigt) kommunizieren. Insbesondere
kann die Schaltkreis-Anordnung 100 ein Temperatursignal mittels
elektromagnetischer Strahlung an die externe Steuereinheit übermitteln.
Auf dem Siliziumsubstrat 101 ist eine Mäanderspule 103 als
integrierte Induktivität
vorgesehen. Oberhalb der Mäanderspule 103 ist
freischwebend eine permanentmagnetische Nickel-Kammstruktur 102 als
Permanentmagnet vorgesehen, welcher mittels erster und zweiter Federelemente 104, 105 mit
dem Siliziumsubstrat 101 gekuppelt ist. Die Nickel-Kammstruktur 102 und
die Mäanderspule 103 bilden
gemeinsam eine Energieversorgungseinheit zum Versorgen des Temperatursensors mit
elektrischer Energie, welche aus einer externen Vibration des Motors
gewonnen wird. Mittels eines Pfeils 106 ist eine Bewegungsrichtung
angegeben, entlang welcher die Nickel- Kammstruktur 102 bewegbar ist,
wenn eine externe Vibration des Motors vorliegt.
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Die
Magnetisierungsrichtung des permanentmagnetischen Materials der
Nickel-Kammstruktur 102 ist senkrecht zu der Chipebene
bzw. der Papierebene von 1A, 1B,
das heißt
senkrecht zu der Oberfläche
des Siliziumsubstrats 101, orientiert. Die Nickel-Kammstruktur 102 bewegt
sich in Anwesenheit einer externen Vibration oberhalb von und relativ
zu der Mäanderspule 103.
Die Nickel-Kammstruktur 102 weist eine Vielzahl von Kammzähnen 107 auf,
deren Dimension auf die Dimension einer Spulenschleife 108 der
Mäanderspule 103 angepasst
ist. Bei einer Bewegung der Nickel-Kammstruktur 102 in
Bewegungsrichtung 106 verändert sich der magnetische
Fluss durch die Mäanderspule 103,
wodurch ein Induktionsstrom in der Mäanderspule 103 induziert
bzw. generiert wird.
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Bei
einer Auslenkung der Nickel-Kammstruktur 102 aufgrund einer
externen Vibration wird mittels des ersten und des zweiten Federelements 104, 105 eine
Rückstellkraft
auf die Nickel-Kammstruktur 102 ausgeübt. Dadurch schwingt die Nickel-Kammstruktur 102 zwischen
zwei Extremstellungen hin und her, wodurch in der Mäanderspule 103 eine
elektrische Spannung induziert wird.
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Beim
Herstellen der Schaltkreis-Anordnung 100 können die
Federelemente 104, 105 in demselben Arbeitsschritt
wie die Nickel-Kammstruktur 102 ausgebildet werden. Die
Herstellung eines solchen Federsystems 104, 105 an
sich ist aus der MEMS-Technologie
bekannt. Die Federelemente 104, 105 sind auf eine
Frequenz einer Vibration angepasst, bei welcher der Motor als Vibrationsquelle typischerweise
schwingt. Indem die Resonanzfrequenz der Federelemente 104, 105 somit
anschaulich in Übereinstimmung
mit einer zu erwartenden äußeren Anregung
gebracht ist, ist eine besonders effektive Energieerzeugung möglich.
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In 1A ist
die Schaltkreis-Anordnung 100 in einem ersten Betriebszustand
gezeigt, in welchem die Nickel-Kammstruktur 102 in dem
Nulldurchgang gezeigt ist. Somit sind die ersten und zweiten Federelemente 104, 105 in
diesem Betriebszustand nicht ausgelenkt. Bei dem Nulldurchgang ist,
wie mit dem Pfeil 106 angedeutet, eine hohe Durchgangsgeschwindigkeit
der Nickel-Kammstruktur 102 durch ihre Ruhelage gegeben.
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In
einem zweiten Betriebszustand der monolithisch integrierten Schaltkreis-Anordnung 100,
der in 1B gezeigt ist, ist die Nickel-Kammstruktur 102 maximal,
in gemäß 1B oberer
Richtung ausgelenkt, so dass ein Umkehrpunkt der Schwingung der
Nickel-Kammstruktur 102 erreicht ist. Das erste Federelement 104 ist
stark komprimiert und das zweite Federelement 105 ist stark
gedehnt. An dem Umkehrpunkt üben
beide Federelemente 104, 105 auf die Nickel-Kammstruktur 102 eine
rücktreibende Kraft
aus, die eine Bewegung der Nickel-Kammstruktur 102 gemäß 1B nach
unten zur Folge hat.
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Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 2 eine Schaltkreis-Anordnung 200 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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Die
Schaltkreis-Anordnung 200 weist ein Siliziumsubstrat 201 auf,
in welchem ein integrierter Schaltkreis (nicht gezeigt) ausgebildet
ist, der die funktionelle Einheit der Schaltkreis-Anordnung 200 bildet.
Oberhalb des Siliziumsubstrats 201 ist eine Signalebene
gebildet, welche Leiterbahnen 202 aus Aluminium- oder Kupfer-Material
aufweisen, welche in einem Isolations-Bereich 203 (z. B.
aus Siliziumoxid, SiO2, bzw. aus einem Low-k-Material)
eingebettet sind. Auf der Signalebene ist eine Weichmagnet-Schicht 204 aus
einem weichmagnetischen Material gebildet. Auf der Weichmagnet-Schicht 204 ist, eingebettet
in eine Siliziumoxid-Schicht 205, eine Mäanderspule 206 aus
Aluminium oder Kupfer-Material ausgebildet, welche als Induktivität einer
Energieversorgungseinheit der Schaltkreis-Anordnung 200 zum
Versorgen des integrierten Schaltkreises in dem Siliziumsubstrat 201 mit
elektrischer Betriebsenergie dient. Die Spule 206 kann
optional mit einer Schutzschicht 211 (z. B. aus Siliziumnitrid-Material,
Si3N4) bedeckt sein,
was beispielsweise zum Freiätzen
einer Kammstruktur als Permanentmagnet wichtig sein kann. Oberhalb
der Mäanderspule 206,
mit dem Substrat mittels eines Federelements (nicht gezeigt) gekoppelt,
ist ein Kobalt-Permanentmagnet 207, welcher eine Kammstruktur
aufweist, von der in 2 drei Zähne zu sehen sind. Schematisch
ist jeder der Zähne
mit einem Nordpol 208 und einem Südpol 209 gezeigt.
Die Magnetfeldrichtung des Kobalt-Permanentmagneten 207 erstreckt
sich in gemäß 2 vertikaler
Richtung. Mittels Bewegungsrichtung 210 ist angedeutet,
wie sich der Kobalt-Permanentmagnet 207 in
Anwesenheit einer externen Vibration bewegt. Dadurch ändert sich
der magnetische Fluss durch die Mäanderspule 206, wodurch
in der Mäanderspule 206 eine
Induktionsspannung bzw. ein Induktionsstrom generiert wird. Dieser
wird zum Versorgen der funktionellen Einheit in dem Siliziumsubstrat 201 mit
elektrischer Energie verwendet.
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Das
zeitlich veränderliche
Magnetfeld aufgrund der Vibration des Kobalt-Permanentmagneten 207 erzeugt
in den Leiterschleifen der Mäanderspule 206 einen
elektrischen Strom. Die Anwesenheit eines solchen Magnetfeldes in
den Verdrahtungsebenen 202 für die Logik auf dem Siliziumchip 201,
das heißt
insbesondere im Bereich der Leiterbahnen 202, ist jedoch
unerwünscht,
da ein solches Magnetfeld in den signalführenden Leiterbahnen 202 ein
Störsignal darstellt.
Um dieses Problem zu beheben, ist bei der Schaltkreis-Anordnung 200 eine
Abschirmebene, das heißt
die Weichmagnetschicht 204 aus einem weichmagnetischen
Material, in der Schaltkreis-Anordnung 200 integriert.
Die Weichmagnetschicht 204 ist zwischen den Signalebenen 202 und
der Mäanderspule 206 angeordnet.
Somit sind die Leiterbahnen 202 sowie integrierte Bauelemente
in dem Siliziumsubstrat 201 vor einem unerwünschten
veränderlichen
Magnetfeld sicher geschützt.
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Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 3 eine Schaltkreis-Anordnung 300 gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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Die
Schaltkreis-Anordnung 300 ist auf und in einem Siliziumchip 301 integriert.
Mittels eines Halteelements 302, welches z. B. aus Siliziumoxid-Material
auf einem Oberflächenbereich
des Siliziumchips 301 quaderförmig gebildet ist, sind vier
Strukturen gemäß dem Ausleger-Typ
freischwebend gehalten. Das Halteelement 302 kann auch
aus magnetischem, insbesondere permanentmagnetischem Material gebildet
sein, welches aber nicht freischwebend ausgebildet ist, sondern
an dem Siliziumchip 302 befestigt ist. In der Regel ist
das Halteelement 302 breiter, vorzugsweise wesentlich breiter,
als die beweglichen Komponenten 303a bis 303d, 304a bis 304d. Jede
der Strukturen ist aus einem mit dem Halteelement 302 gekuppelten
Federelement 303a bis 303d und aus einer mit dem
jeweiligen Federelement 303a bis 303d gekuppelten
permanentmagnetischen Eisen-Zunge 304a bis 304d als
Permanentmagnet einer Energieversorgungseinheit gebildet. In Anwesenheit
einer externen Vibration kann mindestens eine jeweilige der Strukturen 303a + 304a, 303b + 304b, 303c + 304c, 303d + 304d in
Schwingung gebracht werden. Ferner sind auf dem Siliziumchip 301 erste bis
vierte Schleifen 305a bis 305d als Induktivität einer
Energieversorgungseinheit der Schaltkreis-Anordnung 300 gebildet.
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Wie
im Weiteren beschrieben wird, kann in jeder der Schleifen 305a bis 305d eine
Induktionsspannung generiert werden, welche mittels eines jeweiligen
Gleichrichters 306 zwischen den jeweiligen Schleifenenden
gleichgerichtet werden kann, so dass ein Sensor als funktionelle
Einheit der Schaltkreis-Anordnung 300 mit
einem elektrischen Gleichstrom versorgt werden kann.
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An
dem Halteelement 302, welches sich vertikal zu dem Siliziumchip 301 erstreckt,
sind die freischwebenden Anordnungen vorgesehen, die jeweils aus
einem der sich ausgehend von dem Halteelement 302 erstreckenden
Federelementstreifen 303a bis 303d und einer der
an dem freien Endabschnitt eines jeweiligen Federelementstreifens 303a bis 303d angebrachten
ersten bis vierten Eisen-Zunge 304a bis 304d als
Permanentmagnet gebildet sind. Wie mittels Pfeile 307 angedeutet
ist, kann bei einer anregenden externen Vibration eine oder mehrere
der Anordnungen aus einem Federelement 303a bis 303d und
einer zugehörigen
Eisen-Zunge 304a bis 304d vibrieren.
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Bei
der Schaltkreis-Anordnung 300 ist das permanentmagnetische
Material der Energieversorgungseinheit nicht, wie in 1, in Form einer Kammstruktur, sondern
als voneinander separat vorgesehene Eisen-Zungen 304a bis 304d vorgesehen. Jede
der Zungen 304a bis 304d schwingt über einer zugehörigen Mäanderschleife 305a bis 305d.
Die ersten bis vierten Federelemente 303a bis 303d sind als
verschmälerter
Teil der zugehörigen
Eisen-Zunge 304a bis 304d ausgeführt, welche
Federelemente 303a bis 303d seitlich an dem Halteelement 302 befestigt
sind.
-
Bei
der Schaltkreis-Anordnung 300 sind die Zungen 304a bis 304d und
die zugehörigen
Federelemente 303a bis 303d jeweils so ausgeführt, dass jede
der Anordnungen 303a und 304a, 303b und 304b, 303c und 304c sowie 303d und 304d bei
einer vorgegebenen Frequenz einer anregenden externen Schwingung
optimal (d. h. in Resonanz) anschwingen können. Somit kann ein breites
Frequenzband anregender Schwingungen mit der Schaltkreis-Anordnung 300 abgedeckt
werden, wobei bei einer externen Vibration einer bestimmten Vibrationsfrequenz
eine oder mehrere der Zungen 304a bis 304d samt
der Federelemente 303a bis 303d in Resonanz schwingt/schwingen.
Da nicht notwendigerweise alle Zungen 304a bis 304d mit
einer festen Phasenbeziehung zueinander schwingen müssen, ist
für jede Leiterschleife 305a bis 305d ein
separater Gleichrichter 306 vorgesehen.
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Anschaulich
hat jede der Zungen 304a bis 304d einen dünnen Fortsatz,
der als Federelement 303a bis 303d dient. Mittels
Anpassens der Geometrie von Zunge 304a bis 304d und
Feder 303a bis 303d kann die jeweilige Resonanzfrequenz
einer Zunge-Feder-Kombination eingestellt werden. Die Leiterschleifen 305a bis 305d unterhalb
der Zungen 304a bis 304d können alternativ auch als Spiralinduktor
oder Ähnliches
ausgeführt
werden.
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In 4A bis 4D sind
unterschiedliche Ausführungsformen
für die
Induktivitäten
der erfindungsgemäßen Schaltkreis-Anordnung gezeigt.
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Bei
der in 4A gezeigten Spule handelt es
sich um einen Spiralinduktor, bei dem mehrere im Wesentlichen rechteckförmig gebildete
Windungen ineinander vorgesehen sind.
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Der
Spiralinduktor aus 4B ist aus im Wesentlichen kreisförmigen und
konzentrischen Windungen mit von innen nach außen zunehmendem Radius gebildet.
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Der
Spiralinduktor aus 4C unterscheidet sich von dem
Spiralinduktor aus 4A dadurch, dass er Leiterbahnen
mit abgerundeten Kanten aufweist.
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In 4D ist
eine Induktivität
gezeigt, bei der drei der in 4A gezeigten
Spiralinduktoren gemeinsam verschaltet sind. Es können mehrere
der in 4A, 4B und 4C gezeigten
Induktoren in beliebiger Kombination miteinander zusammengeschaltet
werden, um besonders effektiv elektrische Energie aus einem vibrierenden
Permanentmagneten gewinnen zu können.
Solche Induktoren können nebeneinander
und/oder übereinander
(das heißt auch
in zwei Dimensionen in der Substratebene) angeordnet werden, und
auch in einer dritten Dimension (das heißt mehrere Spiralinduktorebenen
senkrecht zu der Zeichenebene von 4D).
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Im
Weiteren werden bezugnehmend auf 5A bis 5D Schichtenfolgen
zu unterschiedlichen Zeitpunkten während eines Verfahrens zum Herstellen
einer monolithisch integrierten Schaltkreis-Anordnung gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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Um
die in 5A gezeigte Schichtenfolge 500 zu
erhalten, wird auf einem Siliziumsubstrat 501 eine Siliziumoxid-Schicht 502 mit
einer Dicke von ungefähr
100 Nanometer gebildet. Auf der Siliziumoxid-Schicht 502 wird
eine Titannitrid-Schicht 503 mit einer Dicke von ungefähr 10 Nanometer
bis 100 Nanometer abgeschieden. Auf der so erhaltenen Schichtenfolge
wird eine Aluminium-Schicht 504, die beispielsweise eine
Dicke von ungefähr
100 Nanometer bis 1000 Nanometer aufweisen kann, abgeschieden. Auf
der Aluminium-Schicht 504 wird eine zusätzliche Titannitrid-Schicht 505 mit
einer Dicke von ungefähr
10 Nanometer bis 100 Nanometer abgeschieden.
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Um
die in 5B gezeigte Schichtenfolge 510 zu
erhalten, werden die Titannitrid-Schicht 503, die Aluminium-Schicht 504 und
die zusätzliche
Titannitrid-Schicht 505 der Schichtenfolge 510 unter
Verwendung eines Lithographie- und eines Ätzverfahrens derart strukturiert,
dass dadurch eine integrierte Mäanderspule 511 generiert
wird. Auf der strukturierten Schichtenfolge wird Siliziumnitrid-Material
(alternativ Siliziumoxid-Material bzw. ein Low-k-Material) abgeschieden
und unter Verwendung eines CMP-Verfahrens ("chemical mechanical polishing") planarisiert. Dadurch
wird ein Siliziumnitrid-Bereich 512 gebildet, in welchem
die Mäanderspule 511 eingebettet
ist. Soll eine Mäanderspule 511 auf
der Basis von Kupfer-Material statt Aluminium-Material gebildet
werden, so kann dies unter Verwendung eines Damascene-Verfahrens
realisiert werden.
-
Um
die in 5C gezeigte Schichtenfolge 520 zu
erhalten, wird auf der Oberfläche
der Schichtenfolge 510 zunächst eine Ätzstoppschicht 521 aus Siliziumnitrid-Material
abgeschieden, auf der Ätzstoppschicht 521 wird
eine Opferschicht 522 aus Siliziumoxidmaterial abgeschieden,
und auf der Opferschicht 522 wird eine Magnetschicht 523 aus
ferromagnetischem Eisen-Material
abgeschieden. Die gemäß 5C vertikale
Ausdehnung der Magnetschicht 523 ist ungefähr 200 Nanometer.
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Um
die in 5D gezeigte Schaltkreis-Anordnung 530 gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung zu erhalten, wird zunächst unter Verwendung eines
Lithographie- und eines Ätzverfahrens
die Magnetschicht 523 derart strukturiert, dass erste und
zweite Federelemente 532, 533 gebildet werden,
zwischen denen ein in einem zentralen Bereich der strukturierten
Magnetschicht 523 gebildete Eisen-Kammstruktur 534 angeordnet
wird. Um die Eisen-Kammstruktur 534 freischwebend zu realisieren,
wird nachfolgend unter Verwendung eines selektiven Ätzverfahrens
die Opferschicht 522 unterhalb des Bereichs der ersten
und zweiten Federelemente 532, 533 und der Eisen-Kammstruktur 534 entfernt,
so dass lediglich in Randbereichen der Schaltkreis-Anordnung 530 Material
der Opferschicht 522 als Abstandshalter 531 zum
Aufrechterhalten eines vertikalen Abstands zwischen der Ätzstoppschicht 521 und
den darüber
angeordneten Komponenten der Magnetschicht 523 zurück bleibt.
Bei diesem Ätzverfahren
dient die Ätzstoppschicht 521 zum Stoppen
des selektiven Ätzverfahrens,
bei dem im Wesentlichen nur das Material der Opferschicht 522, nicht
hingegen das Material der Ätzstoppschicht 521 geätzt wird.
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Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 6A bis 6C ein
Verfahren zum Herstellen einer Schaltkreis-Anordnung gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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Die
in 6A gezeigte Schichtenfolge 600 entspricht
im Wesentlichen der in 5C gezeigten Schichtenfolge 520.
Allerdings sind bei der Schichtenfolge 600 mehr Einzelkomponenten,
das heißt Spulenwindungen
der Mäanderspule 511 vorgesehen
als gemäß 5C.
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Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 6B, 6C eine
Schaltkreis-Anordnung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. 6B zeigt
eine Draufsicht 610 der Schaltkreis-Anordnung, wohingegen 6C eine Querschnittsansicht 620 der
Schaltkreis-Anordnung zeigt, aufgenommen entlang einer in 6B gezeigten
Schnittlinie I-I'.
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Um
die in 6B, 6C gezeigte
Schaltkreis-Anordnung zu erhalten, wird unter Verwendung eines Lithographie-
und eines Ätzverfahrens
die Magnetschicht 523 der Schichtenfolge 600 derart
strukturiert, dass an gemäß 6B, 6C linken
und rechten Randbereichen der strukturierten Magnetschicht 523 erste
und zweite Haltebereiche 611, 612 gebildet sind.
In einem zentralen Bereich der strukturierten Magnetschicht 523 ist
eine Eisen-Kammstruktur 615 mit einer Mehrzahl von Zähnen 616 gebildet. Zwischen
dem ersten Haltebereich 611 und einem gemäß 6B, 6C linken
Abschnitt der Eisen-Kammstruktur 615 ist ein erstes Federelement 613 gebildet.
Zwischen dem gemäß 6B, 6C rechten
Abschnitt der Eisen-Kammstruktur 615 und dem zweiten Haltebereich 612 ist
ein zweites Federelement 614 gebildet. Nach dem Strukturieren
der Magnetschicht 523 wird unter Verwendung eines isotropen Ätzverfahrens
Material der Opferschicht 522 entfernt, so dass lediglich
in gemäß 6C linken und
rechten Teilbereichen der Schaltkreis-Anordnung zwischen der Ätzstoppschicht 521 und
der Magnetschicht 523 Abstandshalter 531 zurückbleiben.
-
Soll
als Material für
die Mäanderspule
bei der erfindungsgemäßen Schaltkreis-Anordnung
Kupfer verwendet werden, so wird die Mäanderspule vorzugsweise gemäß einem
Damascene-Verfahren ausgebildet.
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Im
Weiteren werden bezugnehmend auf 7A bis 7E Schichtenfolgen
zu unterschiedlichen Zeitpunkten während eines Verfahrens zum Herstellen
einer Schaltkreis-Anordnung gemäß einem
sechsten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben, bei der Mäanderspule aus Kupfer-Material gebildet
ist.
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Um
die in 7A gezeigte Schichtenfolge 700 zu
erhalten, wird eine erste Siliziumoxid-Schicht 701 unter
Verwendung eines Lithographie- und eines Ätzverfahrens strukturiert,
und in so gebildeten Gräben
ein Barrierenbereich 702 gebildet. Nachfolgend wird der
Graben oder werden die Gräben
mit Kupfermaterial gefüllt,
so dass nach einem Planarisierungsverfahren (z. B. CMP-Verfahren, "Chemical Mechanical
Polishing") ein
erster Kupferbereich 703 gebildet wird. Auf der so erhaltenen
Schichtenfolge wird Siliziumnitrid-Material abgeschieden, wodurch
eine erste Siliziumnitrid-Ätzstoppschicht 704 gebildet
wird. Auf der so erhaltenen Schichtenfolge wird eine zweite Siliziumoxid-Schicht 705 gebildet.
Auf der so erhaltenen Schichtenfolge wird eine zweite Siliziumnitrid-Ätzstoppschicht 706 gebildet.
Auf der zweiten Siliziumnitrid-Ätzstoppschicht 706 wird
eine zusätzliche Siliziumoxid-Schicht
abgeschieden und unter Verwendung eines Lithographie- und eines Ätzverfahrens
zu einem Siliziumoxid-Bereich 707 strukturiert, in welchen
ein Graben 708 eingebracht ist.
-
Um
die in 7B gezeigte Schichtenfolge 710 zu
erhalten, wird unter Verwendung eines Lithographie- und eines Ätzverfahrens
ein zusätzlicher Graben 711 in
die zweite Siliziumoxid-Schicht 705 und die zweite Siliziumnitrid-Ätzstoppschicht 706 eingebracht.
Der zusätzliche
Graben 711 dient als Via-Öffnung. Bei dem Ätzen der
zweiten Siliziumoxid-Schicht 705 dient die erste Siliziumnitrid- Ätzstoppschicht 704 zum
Stoppen des Ätzvorgangs. Nachfolgend
kann eine zum Strukturieren gebildete Photomaske (nicht gezeigt)
beispielsweise unter Verwendung eines Sauerstoffplasmaverfahrens
entfernt werden. Während
des Entfernens des Photoresists ist der erste Kupferbereich 703 mittels
der ersten Siliziumnitrid-Ätzstoppschicht 704 vor
einer negativen Beeinflussung durch das Sauerstoffplasma geschützt.
-
Um
die in 7C gezeigte Schichtenfolge 720 zu
erhalten, wird die Schichtenfolge 710 einem selektiven Ätzverfahren
zum Entfernen von freiliegendem Siliziumnitrid-Material unterzogen,
so dass freiliegendes Siliziumnitrid-Material der ersten und zweiten
Siliziumnitrid-Ätzstoppschichten 704, 706 entfernt
wird. Dadurch wird Kupfer-Material des ersten Kupferbereichs 703 freigelegt.
Aufgrund eines Überätzens erstreckt
sich der Graben 708 nunmehr leicht in die zweite Siliziumoxid-Schicht 705 hinein.
-
Um
die in 7D gezeigte Schichtenfolge 730 zu
erhalten, wird unter Verwendung eines Sputterverfahrens Material
zum Bilden einer Barrierenschicht 731 auf die Schichtenfolge 720 aufgebracht. Ferner
wird in einem zweistufigen Prozess ein zweiter Kupferbereich 732 ganzflächig auf
der Barrierenschicht 731 aufgebracht. Hierfür wird zunächst eine dünne Keimschicht
unter Verwendung eines Sputterverfahrens abgeschieden, gefolgt von
einem Abscheiden von zusätzlichem
Kupfer zum Bilden des zweiten Kupferbereichs 732 unter
Verwendung eines Electroplating-Verfahrens.
-
Um
die in 7E gezeigte Schichtenfolge 740 zu
erhalten, wird unter Verwendung eines CMP-Verfahrens ("Chemical Mechanical
Polishing") über die
Barrierenschicht 731 vertikal überstehendes Material des zweiten
Kupferbereichs 732 entfernt, wodurch ein dritter Kupferbereich 741 gebildet
wird. Ferner wird auf der Oberfläche
der so erhaltenen Schichtenfolge Siliziumnitrid-Material abgeschieden, wodurch
eine Schutzschicht 742 erhalten wird.
-
Zumindest
ein Teil der Kupferstruktur, die aus ersten und dritten Kupferbereichen 703, 741 gebildet ist,
kann beispielsweise als Mäanderspule
bzw. eine Windung der Mäanderspule
verwendet werden.
-
In
diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
-
- [1] Li, W. J. et al. "A
Micromachined Vibration-Induced Power Generator for Low Power Sensors
of Robotic Systems",
In: Jamshidi, M et al. (eds.) "Robotic and
Manufacturing Systems, Recent Results in Research, Development and
Applications", Vol.
10, S. 482–488,
TSI Press Series, Albuquerque, USA
- [2] US 6 475 639
B2
- [3] Neil N. H. Ching et al, "A
laser-micromachined multi-modal resonating power transducer for
wireless sensing systems", "Sensors and Actuators
A", Vol. 97–98, S.
685–690,
April 2002
- [4] US 4 857 893
A
- [5] Chong H. Ahn et al, "A
fully integrated micromagnetic actuator with a multilevel meander
magnetic core",
Technical Digest, "IEEE
Solid-State Sensor and Actuator Workshop", Hilton Head Island, SC, S. 14–18, Juni
1992
- [6] C. B. Williams et al, "Development
of an electromagnetic micro-generator", "Circuits,
Devices and Systems",
Vol. 148, Nr. 6, S. 337–342,
Dezember 2001
- [7] M. El-hami et al, "Design
and fabrication of a new vibration-based electromechanical power
generator", "Sensors and Actuators
A", Vol. 92, Nr.
1 to 3, S. 335–342,
August 2001