CN106430077A - 用于流动影响的微电子模块、模块阵列和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于流动影响的微电子模块、模块阵列和方法。说明用于影响流体的流动的微电子模块。所述模块具有至少一个电压转换器，所述电压转换器用于将所提供的第一电压转换成更高的、更低的或相同的第二电压。所述模块进一步具有至少一个主动流动影响元件，所述主动流动影响元件用于影响环流和/或溢流所述流动影响元件的流体的方向和/或速度。至少所述电压转换器和所述主动流动影响元件被布置在薄层的平面的衬底上。流体的方向和/或速度的影响依赖于根据由所述电压转换器提供给所述流动影响元件的第二电压的流体动力加速度。

Description

用于流动影响的微电子模块、模块阵列和方法

技术领域

不同的实施方式一般来说涉及用于影响流体的流动的微电子模块、以及用于影响流体的流动的模块阵列和方法。

背景技术

现代交通工具、例如现代飞机的开发总是进一步为了降低用于持续的运行的成本。在这种情况下，一个大的成本因素例如是煤油消耗。为了减少例如在飞机的情况下的煤油消耗，尤其尝试改进飞机的空气动力学。这例如在机翼的区域中通过所谓的翼梢小翼（Winglets）或者鲨鳍小翼（Sharklets）或者通过机翼前缘的部件的特别的结构化来进行，以便减小飞机的流动阻力。这种改进经常基于被动效应，所述被动效应例如在所谓的凸肋（Riblets）的情况下基于在以湍流的方式被溢流的表面上的摩擦阻力的减小。凸肋为此充分利用由肋条构成的特别的表面几何结构，借助于所述表面几何结构能够减少在被溢流的表面上的湍流流动以及因此减少摩擦损耗。然而，这些改进具有如下缺点：所述改进经常仅被动地起作用并且在方向上是不可变的。

发明内容

由此出发，本发明的任务是说明一种设备，所述设备避免之前提到的缺点。

该任务利用具有权利要求1的特征的设备来解决。示例性的实施方式在从属权利要求中被示出。应当指出的是，所述设备的实施例的特征也适用于所述方法的实施方式以及所述设备的使用并且反之亦然。

说明一种用于影响流体的流动的微电子模块。所述模块具有至少一个用于将所提供的第一电压转换成更高的、更低的或者相同的第二电压的电压转换器。所述模块进一步具有至少一个主动流动影响元件，用于影响环流和/或溢流所述主动流动影响元件的流体的方向和/或速度。至少所述电压转换器和所述主动流动影响元件被布置在薄层的平面的衬底上。流体的方向和/或速度的影响依赖于根据由电压转换器提供给主动流动影响元件的第二电压的流体动力加速度。

本发明所基于的构思是通过流体动力加速度来影响环流或溢流一个表面的流体的方向和/或速度，所述流体动力加速度通过施加在主动流动影响元件处的电压来产生。在这种情况下，主动流动影响元件的区域中的流体的方向和/或速度可以被改变、即方向可以被改变和/或速度可以被降低或提高。通过在薄膜上以非常小的规模集成为此必要的构件，所述模块例如可以容易地被安装在飞机的表面上，以便在方向和/或速度上影响在表面处流过的流体，以便因此改进流体在表面处的环流或者溢流、即例如减少流动阻力或者如果期望，则也提高流动阻力。由此例如能够减少飞机的煤油消耗，所述飞机例如在机翼前缘处例如具有多个所述模块。

名称“主动流动影响元件”可以被理解为能够借助于所施加的电压主动地产生流体动力加速度的任何电气元件。

名称“电压转换器”可以被理解为能够将输入电压转换成更高的、更低的或相同的输出电压的任何电气元件。对于输入电压对应于输出电压的情况来说，电气元件也可以仅由电气连接元件构成。

根据一种优选的实施方式，微电子模块是MEMS（微机电系统）模块，即以MEMS构造方式来实施。替代地，所述模块也可以被构造为纳米机电系统。

根据一种优选的实施方式，微电子模块的电压转换器具有压电变压器。这具有如下优点：压电变压器可以以非常小的规模被制造。

根据一种优选的实施方式，流体是空气、油或水。通过流动影响元件能够影响在表面处环流或流过的空气、油或水的方向和/或速度。这具有如下优点：例如能够减少或者如果期望则也提高表面处的流动阻力。

根据一种优选的实施方式，主动流动影响元件具有以非对称的方式构建的电容器。在以非对称的方式构建的电容器的情况下能够通过施加电压在电容器的区域中产生离子电流。离子电流依赖于施加在电容器处的电压。优选地，稍微在电容器的击穿电压之下的电压施加在电容器处。离子电流、即电容器的直接环境中的流体可以同时通过离子电流来影响、即通过离子电流在确定的方向上被改变。这具有如下优点：通过离子电流，电容器的环境中的流体可以在其方向和/或速度上主动地被影响。

电容器的电极可以具有几乎任何任意的形状、布置、数量或者由几乎任何任意的材料构成，所述材料适于产生离子电流，所述离子电流适于对环流或溢流所述电极的流体在其方向和/或速度上发生影响。

根据一种优选的实施方式，至少部分地通过外部电压源提供用于电压转换器的所提供的第一电压。例如，第一电压由模块之外的电压源提供。例如，所述电压源可以是能量产生元件，所述能量产生元件像所述模块那样被安装在表面上。替代地，所述能量产生元件例如也可以是交通工具的驱动设备，所述模块被安置在所述交通工具的表面上。这具有如下优点：所述模块在其几何尺寸上可以被保持为非常小的。

根据一种优选的实施方式，衬底进一步具有用于产生要提供的第一电压的至少一部分的能量产生元件。在衬底上例如可以布置一个或多个相同或不同类型的能量产生元件，所述能量产生元件为所述模块提供第一电压。除了衬底上的至少一个能量产生元件之外，所述模块也可以具有用于通过外部电压源来提供第一电压的至少一部分的连接端子。这具有如下优点：所述模块至少部分地或者完全地独立于（autark von）外部电压源。这具有另外的优点：所述模块在安置在任意的表面处或上方面是灵活的。

根据一种优选的实施方式，衬底进一步具有用于产生要提供的第一电压的至少一部分的能量产生元件，其中能量产生元件具有太阳能电池装置。替代地，能量产生元件也可以具有用于产生电能的另外的合适的设备。这具有如下优点：所述模块优选地不依赖于外部电压源并且可以自给自足地被运行。这具有另外的优点：所述模块在安置在任意的表面处方面是灵活的。在将所述模块安置在飞机的表面上的情况下，太阳能电池装置适于产生电能，因为飞机在飞行阶段中优选地在云层之上飞行并且由此不遭受由于云对太阳的遮蔽。

根据一种优选的实施方式，薄层的平面的衬底是柔性的和/或能够多维地变形的薄膜或格栅。格栅例如可以具有柔性的和/或能够多维地变形的格栅结构。替代地，薄层的平面的衬底也可以由可比较的材料构成，所述材料适于使模块的构件可以被安装、引入或安置在该衬底上并且所述材料是尽可能薄的以及足够稳定的。衬底例如也可以具有组织结构（Gewebe）或格栅结构或复合材料。这具有如下优点：模块在其几何尺寸上可以被保持为小的，其中给定足够的稳定性，以便例如将模块持久地或者可逆地安装、例如粘接在表面上。

根据一种优选的实施方式，所述模块具有多个主动流动影响元件。多个主动流动影响元件具有不同的和/或相同的定向。

根据另一种优选的实施方式，所述模块具有多个主动流动影响元件和/或至少一个被动流动影响元件。多个主动流动影响元件和/或被动流动影响元件具有不同的和/或相同的定向。

更准确地说，流动影响元件的区域中的流体的影响方向、即主动流动影响元件的定向或者主动流动影响元件和/或被动流动影响元件的定向是不同的和/或相同的。这具有如下优点：主动流动影响元件的区域中的流体能够通过有针对性地激活和/或去激活单个或多个流动影响元件而在其方向和/或速度上几乎任意地被影响。

被动流动影响元件可以被理解为被动结构，所述被动结构适于支持或放大所生成的效应。被动结构可以是3D微技术被动和/或共振结构，其局部地影响所生成的流动、优选地使所生成的流动成漩涡或局部地偏转。根据一种实施方式，被动结构是微电子模块的一部分。根据一种替代的实施方式，被动结构是流动影响元件的自身的组件。

根据一种优选的实施方式，多个主动流动影响元件的定向、依赖于时间的操控和/或依赖于电压幅度的操控和/或被动流动影响元件的定向确定对流体的影响的方向。通过多个流动影响元件的定向、依赖于时间的操控和/或依赖于电压幅度的操控能够控制对流体的影响的方向。这具有如下优点：流体可以有针对性地在其方向和/或速度上被影响。

根据具有多个流动影响元件的模块的一种优选的实施方式，所述模块可以具有一个或多个开关元件，所述开关元件被设立用于激活和/或去激活多个流动影响元件中的一个或多个流动影响元件。这具有如下优点：模块可以单独地被控制并且几何尺寸可以根据应用被保持为小的。

根据一种优选的实施方式，所述模块具有至少一个接收器。该接收器被设立用于接收信号，其中开关元件是能够依赖于所述信号切换的。例如可以由具有至少一个发送器的中央控制单元将信号传输给所述模块。该信号例如可以用于激活或去激活所述模块。替代地，所述信号也可以具有更复杂的构造以便例如部分地激活和/或去激活一个模块上的多个流动影响元件或多个模块。替代地，也可以借助于信号来控制一个或多个流动影响元件的电压和/或幅度。这具有如下优点：所述模块可以单独地被控制。

根据一种优选的实施方式，所述模块具有至少一个发送器。该发送器被设立用于将信号发送给接收器，其中所述信号至少包括关于由所述模块所检测的参数的信息。该信号例如包括关于通过流体对所述模块产生影响的压力、温度和/或湿度的信息。控制元件例如可以根据所传送的参数确定：是否以及如何能够适配流过的流体的流体动力加速度。这具有如下优点：所述模块可以单独地被控制。

根据另一种实施方式，所述模块具有至少一个接收器和至少一个发送器。接收器和发送器优选地具有与之前所描述的接收器和发送器相同的特性。

根据一种优选的实施方式，所述模块具有至少一个传感器。该传感器被设立用于检测关于所述模块的信息、关于流体的信息和/或关于所述模块的环境的信息。该传感器例如可以具有多个子传感器，所述子传感器适于检测关于所述模块的信息、关于流体的信息和/或关于所述模块的环境的信息。这具有如下优点：所述模块可以根据关于所述模块的信息、关于流体的信息和/或关于所述模块的环境的信息来有针对性地影响流体的方向和/或速度。

根据另一种实施方式，所述传感器是压力传感器、温度传感器和/或湿度传感器。

压力传感器检测流过的流体的压力。这具有如下优点：所述模块获得关于在传感器处流过的流体的压力的信息并且可以有针对性地影响流体的方向和/或速度。如果必要的话，所述模块可以依赖于所检测的压力适配用于产生离子电流的电压。

温度传感器检测在模块处流过的流体的温度。这具有如下优点：模块获得关于在传感器处流过的流体的温度的信息。如果必要的话，模块可以依赖于所检测的温度来适配用于产生离子电流的电压。

湿度传感器检测在模块处流过的流体的湿度。这具有如下优点：模块获得关于在传感器处流过的流体的湿度的信息。如果必要的话，模块可以依赖于所检测的湿度来适配用于产生离子电流的电压。

根据一种优选的实施方式，由于流过的流体而对模块产生影响的压力、温度和/或湿度的确定通过流动影响元件和/或单独的传感器来进行。在通过流动影响元件检测对模块产生影响的压力、温度和/或湿度时另外的传感器不是必要的，使得模块在其几何尺寸上可以被保持为非常小的。替代地，一个或多个参数的检测可以补充地或替代地通过单独的传感器进行。

根据一种优选的实施方式，所述模块具有加速度传感器和/或位置传感器。所述模块例如可以借助于加速度传感器在确定预先确定的最小加速度的情况下被激活。所述模块例如可以在存在负加速度的情况下被去激活或者反之亦然。借助于位置传感器例如可以确定所述模块的位置，其中所述模块可以在确定的定向的情况下被激活或者去激活。加速度传感器和/或位置传感器例如可以以MEMS技术来实施。

根据一种优选的实施方式，所述模块具有控制元件。该控制元件被设立用于依赖于所检测的信息来适配流过的流体的流体动力加速度。该控制元件接收由例如所述模块上的传感器所检测的信息并且控制该主动流动影响元件和/或所述多个主动流动影响元件，使得流过的流体的加速度被适配或者被改变。这具有如下优点：所述模块可以单独地被控制。

根据一种优选的实施方式，所述模块进一步具有至少一个用于激活和/或去激活所述模块的开关元件。替代地，一个开关元件也可以被实施用于两个或更多模块。因此，通过该开关元件能够激活和/或去激活两个或更多模块。这具有如下优点：所述模块可以有针对性地被激活或被去激活并且因此可以单独地被控制。

名称“开关元件”可以被理解为任何类型的设备，所述设备适于将连接从被中断的状态改变为被连接的状态。这也可以被理解为在一侧打开的连接，所述连接例如可以通过将所述模块联接到例如用于控制的电子单元上而持久地或者可逆地被闭合。

根据一种优选的实施方式，电压转换器、开关元件、流动影响元件、传感器、接收器、发送器和/或控制元件被实施为MEMS（微机电系统）结构。通过优选地将所述模块的组件的大部分实施为MEMS结构，所述模块可以在其几何尺寸上被保持为非常小的。

进一步说明具有多个之前所描述的微电子模块的模块阵列。通过将多个模块布置在阵列中，流体动力效应可以被放大和/或有针对性地定向地被采用。

根据一种实施方式，也可以将多个微电子模块布置在共同的薄层的平面的衬底上。

根据一种优选的实施方式，多个微电子模块的主动和/或被动流动影响元件至少部分地具有不同的定向。由于模块的以及因此模块的主动和/或被动流动影响元件的至少部分地不同的定向可以通过流体动力效应来有针对性地影响环流和/或溢流所述装置的流体的方向和/或速度。

主动流动影响元件可以在其作用上通过被动流动影响元件、更准确地说被动结构来支持或放大。这些被动结构可以是3D微技术被动和/或共振结构，其可以局部地影响所生成的流动，优选地使所生成的流动成漩涡、通道化（kanalisieren）或局部地偏转。

根据一种优选的实施方式，模块阵列具有一个或多个开关元件，所述开关元件被设立用于激活和/或去激活模块阵列的一个或多个流动影响元件。这具有如下优点：模块阵列可以单独地被控制并且几何尺寸可以根据应用被保持为小的。

进一步说明至少一个之前所描述的微电子模块或至少一个之前所描述的模块阵列在交通工具的表面上的布置。边界层的区域中的效应例如可以通过采用至少一个模块或至少一个模块阵列来有针对性地在方向和/或速度上被影响，所述效应由于交通工具的表面的环流或溢流而出现。

根据一种优选的实施方式，交通工具是飞机、水上交通工具或陆上交通工具。通过至少一个模块或至少一个模块阵列的布置，流体可以在方向和/或速度上积极地被影响，使得例如可以减少流动阻力以及由此节省被用于驱动交通工具的动力燃料或者能量。

进一步说明用于在使用至少一个之前所描述的微电子模块或至少一个模块阵列的情况下影响流体的流动的方法。在所述方法中环流和/或溢流模块或模块阵列的表面的流体的流动关于流体的方向和/或速度被影响。在所述方法中所提供的第一电压被转换成更高的、更低的或相同的第二电压。进一步在所述方法中根据第二电压产生流体动力加速度。进一步在所述方法中流体的方向和/或速度通过流体动力加速度来影响。

附图说明

大体上在附图中相同的附图标记越过不同的视图涉及相同的部件。附图不必然地是比例正确的；代替于此，大体上注重阐明本发明的原理。在随后的描述中，参照以下附图来描述本发明的不同的实施方式，其中：

图1示出微电子模块的第一实施方式；

图2示出具有多个微电子模块的模块阵列；

图3示出多个微电子模块在飞机的表面上的布置；以及

图4示出用于影响流体的流动的方法的流程图。

具体实施方式

以下的详细的描述参照所附的附图，所述附图为了解释而示出特定的细节以及实施方式，在其中可以实践本发明。

词“示例性”在本文中以含意“用作示例、情况或阐明”来使用。在本文中被描述为“示例性”的任何实施方式或设计方案不必然地应被解释为相对于其它的实施方式或设计方案优选的或有利的。

在以下的详细的描述中参照所附的附图，所述附图构成该描述的一部分并且在所述附图中示出特定的实施方式用于阐明，在所述实施方式中可以执行本发明。在这方面关于所描述的图的定向使用方向术语、比如“上面”、“下面”、“在前面”、“在后面”、“前面的”、“后面的”等等。因为实施方式的组件可以以多个不同的定向被定位，所以方向术语用于阐明并且决不是限制性的。易于理解：可以利用其它的实施方式以及进行结构的或逻辑的变化，而不偏离本发明的保护范围。易于理解：只要未特定地另作说明，在本文中所描述的不同的示例性的实施方式的特征就可以相互组合。因此，以下的详细的描述不应在限制性的意义上来理解，并且本发明的保护范围由所附加的权利要求来限定。

在该描述的范围中术语“连接”、“联接”以及“耦合”被用于描述不仅直接的而且间接的连接、直接的或者间接的联接以及直接的或者间接的耦合。在图中，只要是适宜的，相同的或相似的元件就配备相同的附图标记。

图1示出用于影响流体的流动的微电子模块100的第一实施方式。模块100具有电压转换器101，所述电压转换器用于将所提供的第一电压V1转换成更高的、更低的或相同的第二电压V2。模块100进一步具有主动流动影响元件103，所述主动流动影响元件用于影响环流和/或溢流所述主动流动影响元件的流体的方向和/或速度。模块100的电压转换器101和主动流动影响元件103被布置在薄层的平面的衬底104上。模块100的电压转换器101和流动影响元件103相互电耦合。流体的方向和/或速度的影响依赖于根据由电压转换器101提供给流动影响元件103的第二电压V2的流体动力加速度。除了主动流动影响元件103之外还可以在模块100上布置另一被动流动影响元件（未示出）、例如被动三维结构。模块可以为了有针对性地激活和/或去激活流动影响元件103而具有开关元件（未示出）。

图2示出模块阵列200的一种实施方式，所述模块阵列具有多个微电子模块201。微电子模块201中的每个在薄层的平面的衬底205上具有电压转换器202、开关元件203和流动影响元件204。尽管所示出的模块201中的每个具有自身的开关元件204，但是也可以根据一种替代的实施方式（未示出）将一个开关元件204设置用于两个或更多模块201。

图3示出多个微电子模块301在飞机302的表面上的布置300的一种实施方式。在所示出的实施方式中，在飞机302的机翼303、304上在机翼前缘的区域中布置有多个微电子模块301，以便减少机翼前缘处的摩擦损耗。

图4示出用于在使用至少一个微电子模块或至少一个模块阵列的情况下影响流体的流动的方法的一种实施方式的流程图400。在步骤401中提供第一电压，所述第一电压被转换成第二电压，所述第二电压更高、更低或与第一电压相等。在步骤402中借助于第二电压根据第二电压产生流体动力加速度。在步骤403中通过所产生的流体动力加速度来影响流体的方向和/或速度。

尽管已特别是参照确定的实施方式示出以及描述了本发明，但是熟悉本领域的那些人员应当理解：可以对其进行关于设计方案和细节的很多变化，而不偏离如通过所附加的权利要求所限定的本发明的范围和本质。因此，本发明的范围通过所附加的权利要求来确定，并且因此意图包括属于权利要求的词义或等效范围的所有变化。

附图标记列表

100、201、301 模块

101、202 电压转换器

103、204 主动流动影响元件

104、205 衬底

200 模块阵列

203 开关元件

300 布置

302 飞机

303、304 机翼

400 流程图

401 - 403 方法步骤

V1 第一电压

V2 第二电压

Claims (15)

1.用于影响流体的流动的微电子模块（100），所述微电子模块具有：

至少一个电压转换器（101），所述电压转换器用于将所提供的第一电压（V1）转换成更高的、更低的或相同的第二电压（V2）；

至少一个主动流动影响元件（103），所述主动流动影响元件用于影响环流和/或溢流所述主动流动影响元件（103）的流体的方向和/或速度；

其中至少所述电压转换器（101）和所述主动流动影响元件（103）被布置在薄层的平面的衬底（104）上；

其中所述流体的方向和/或速度的影响依赖于根据由所述电压转换器（101）提供给所述主动流动影响元件（103）的第二电压（V2）的流体动力加速度。

2.根据权利要求1所述的微电子模块，

其中所述电压转换器（101）具有压电变压器。

3.根据前述权利要求之一所述的微电子模块，

其中至少部分地通过外部电压源来提供用于所述电压转换器（101）的所提供的第一电压（V1）。

4.根据前述权利要求之一所述的微电子模块，

其中所述衬底（104）进一步具有用于产生要提供的第一电压（V1）的至少一部分的能量产生元件，或者

其中所述衬底（104）进一步具有用于产生要提供的第一电压（V1）的至少一部分的能量产生元件，其中所述能量产生元件具有太阳能电池装置。

5.根据前述权利要求之一所述的微电子模块，

其中所述薄层的平面的衬底（104）是柔性的和/或能够多维地变形的薄膜或格栅。

6.根据前述权利要求之一所述的微电子模块，

其中所述模块（100）具有多个主动流动影响元件（103），其中所述主动流动影响元件（103）具有不同的和/或相同的定向；或者

其中所述模块（100）具有多个主动流动影响元件（103）和至少一个被动流动影响元件，其中所述主动和/或被动流动影响元件（103）具有不同的和/或相同的定向。

7.根据权利要求6所述的微电子模块，

其中所述多个主动流动影响元件（103）的定向、依赖于时间的操控和/或依赖于电压幅度的操控和/或所述被动流动影响元件的定向确定对流体的影响的方向。

8.根据前述权利要求之一所述的微电子模块，

其中所述模块（100）具有至少一个接收器，所述接收器被设立用于接收信号，其中所述开关元件（102）是能够依赖于所述信号切换的；和/或

其中所述模块（100）具有至少一个发送器，所述发送器被设立用于将信号发送给接收器，其中所述信号至少包括关于由所述模块（100）所检测的参数的信息。

9.根据前述权利要求之一所述的微电子模块，

所述模块（100）具有至少一个传感器，所述传感器被设立用于检测关于所述模块（100）的信息、关于所述流体的信息和/或关于所述模块（100）的环境的信息，其中所述传感器是压力传感器、温度传感器和/或湿度传感器。

10.根据前述权利要求之一所述的微电子模块，

由于流过的流体对所述模块（100）产生影响的压力、温度和/或湿度的确定通过所述流动影响元件（103）和/或单独的传感器来进行。

11.根据前述权利要求之一所述的微电子模块，

其中所述模块（100）具有控制元件，所述控制元件被设立用于依赖于所检测的信息来适配流过的流体的流体动力加速度；和/或

其中所述模块（100）具有至少一个用于激活和/或去激活所述模块（100）的开关元件（102）。

12.根据前述权利要求之一所述的微电子模块，

其中所述电压转换器（101）、所述开关元件（102）、所述流动影响元件（103）、所述传感器、所述接收器、所述发送器和/或所述控制元件被实施为MEMS结构。

13.模块阵列（200），所述模块阵列具有多个根据前述权利要求之一所述的微电子模块（201），

其中所述多个微电子模块（201）的主动和/或被动流动影响元件（204）至少部分地具有不同的定向。

14.根据前述权利要求之一所述的至少一个微电子模块（301）或至少一个模块阵列在交通工具（302）的表面上的布置（300），

其中所述交通工具（302）是飞机、水上交通工具或陆上交通工具。

15.用于在使用根据前述权利要求之一所述的至少一个微电子模块或至少一个模块阵列的情况下影响流体的流动的方法（400），

其中环流和/或溢流所述模块或模块阵列的表面的流体的流动关于所述流体的方向和/或速度被影响，所述方法具有下列步骤：

将所提供的第一电压转换成更高的、更低的或相同的第二电压（401）；

根据所述第二电压产生流体动力加速度（402）；以及

通过所述流体动力加速度来影响所述流体的方向和/或速度（403）。