DE102008052477A1

DE102008052477A1 - Electrical field strength measuring sensor for use as microelectromechanical system sensor, has electrode arrangement including electrode strips located in spaces between electrode strips of another electrode arrangement

Info

Publication number: DE102008052477A1
Application number: DE102008052477A
Authority: DE
Inventors: Josef Burger; Jörg Dipl.-Ing. Hassel; Hans-Richard Dr. Kretschmer; Arno Dr. Steckenborn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2010-06-10

Abstract

The sensor has a faceplate (14) including slots (23) for exposing an electrode arrangement (12) in a position of the faceplate, and another electrode arrangement (13) in another position of the faceplate. An actuator (24) is provided as a mechanical coupling between a substrate (11) and the faceplate. Electrode strips (15) of the respective arrangements are alternately and consecutively arranged in a sequence on an upper surface of the substrate. The strips of the former arrangement are located in spaces between the strips of the latter arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft einen als mikromechanisches System ausgebildeten Sensor zur Messung der elektrischen Feldstärke, der folgende Bestandteile aufweist. Es ist ein Substrat vorgesehen, auf dessen Oberfläche eine erste Elektrodenanordnung mit voneinander beabstandeten, parallel zueinander auf der Oberfläche verlaufenden und gemeinsam elektrisch kontaktierten (ersten) Elektrodenstreifen und eine zweite Elektrodenanordnung mit voneinander beabstandeten, parallel zueinander auf er Oberfläche verlaufenden und gemeinsam elektrisch kontaktierten weiteren (zweiten) Elektrodenstreifen vorgesehen sind. Außerdem ist eine Blende vorgesehen, die parallel zur besagten Oberfläche des Substrates sowohl ausgerichtet als auch beweglich gelagert ist, wobei die Blende für die erste Elektrodenanordnung und für die zweite Elektrodenanordnung Schlitze aufweist, die in einer ersten Stellung der Blende die ersten Elektrodenstreifen (der ersten Elektrodenanordnung) und in einer zweiten Stellung der Blende die zweiten Elektrodenstreifen (der zweiten Elektrodenanordnung) freilegen. Zuletzt ist ein Aktuator vorgesehen, der als mechanische Kopplung zwischen Substrat und Blende vorgesehen ist und auf diese Weise die Blende bewegen kann. Durch Bewegung der Blende werden die Elektrodenstreifen der ersten und zweiten Elektrodenanordnung abhängig von der Stellung der Blende freigelegt, wenn diese mit den Schlitzen in fluchtende Übereinsstimmung gebracht werden.The The invention relates to a micromechanical system Sensor for measuring the electric field strength, the following Ingredients has. It is a substrate provided on the Surface a first electrode assembly with each other spaced apart, running parallel to each other on the surface and electrically contacted (first) electrode strips and a second electrode assembly with spaced-apart, running parallel to each other on the surface and together electrically contacted further (second) electrode strips are provided. In addition, a diaphragm is provided, the both parallel to said surface of the substrate aligned as well as movably mounted, wherein the aperture for the first electrode assembly and the second electrode assembly Slits, which in a first position of the aperture, the first Electrode strips (the first electrode assembly) and in a second position of the diaphragm, the second electrode strips (the second electrode assembly). Last is an actuator provided as a mechanical coupling between the substrate and aperture is provided and can move in this way, the aperture. By Movement of the aperture become the electrode strips of the first and second Electrode arrangement depending on the position of the aperture exposed when in line with the slots in alignment to be brought.

Gemäß der WO 2005/121819 A1 ist es allgemein bekannt, dass mittels verschiebbarer Blenden elektrische Felder gemessen werden können. Hierzu ist gemäß diesem Dokument vorgesehen, dass unterhalb der Blende ein Substrat mit mikromechanisch hergestellten Transistoren vorgesehen ist, wobei eine Elektrode des Transistors zur Messung des elektrischen Feldes als sogenannte Detektionselektrode ausgebildet ist.According to the WO 2005/121819 A1 It is generally known that electrical fields can be measured by means of displaceable diaphragms. For this purpose, it is provided according to this document that below the diaphragm, a substrate is provided with micromechanically produced transistors, wherein one electrode of the transistor for measuring the electric field is designed as a so-called detection electrode.

Weiterhin ist gemäß der US 6,177,800 81 bekannt, dass zur Messung der elektrischen Felder auch ein kapazitives Prinzip verwendet werden kann. Dabei bildet eine Elektrode, die auf einem Substrat ausgebildet ist, sozusagen eine Kondensatorplatte, die zumindest eine Veränderung der elektrischen Feldstärke durch Bewegen der zugehörigen Blende ermitteln kann. Die eingesetzte Blende weist Schlitze auf, die der Breite der verwendeten Elektrodenstreifen entspricht. Wird die Blende translatorisch hin- und herbewegt, so werden abwechselnd die Elektrodenstreifen unterhalb der Fenster freigelegt und anschließend durch die Stege er Blende zwischen den Fenstern wieder abgedeckt.Furthermore, according to the US 6,177,800 81 It is known that a capacitive principle can also be used to measure the electric fields. In this case, forms an electrode which is formed on a substrate, so to speak, a capacitor plate which can determine at least one change in the electric field strength by moving the associated aperture. The inserted aperture has slots corresponding to the width of the electrode strips used. If the aperture translates back and forth, so the electrode strips are exposed below the window and then covered by the webs he aperture between the windows again alternately.

Das hierdurch verwirklichte berührungslose Prinzip der Potentialmessung an einer Oberfläche (die sozusagen die zweite Kondensatorplatte bildet) oder die Ermittlung der Feldstärke im Allgemeinen (bei Vorhandensein eines elektrischen Feldes ohne Vorhandensein einer körperlichen Kondensatorplatte) verwirklicht das Messprinzip der sogenannten Feldmühle. Hierbei wird die effektive Fläche der Detektionselektrode periodisch verändert. Dadurch wird die Ladung Q auf der Detektoroberfläche zeitlich verändert und es entsteht ein Verschiebungsstrom i = dQ/dt = U × dC/dt. Dies bedeutet, dass bei bekannter Kondensatorkapazität C der Sensoreinrichtung über den Verschiebestrom i das Potential U bestimmt werden kann. Insofern lässt sich der Sensor auch als Voltmeter verwenden.The This realized contact-free principle of potential measurement on a surface (the second capacitor plate, so to speak forms or the determination of the field strength in general (at Presence of an electric field without presence of one physical capacitor plate) realizes the measuring principle the so-called field mill. This becomes the effective area the detection electrode changed periodically. This will be the Charge Q temporally changed on the detector surface and a displacement current i = dQ / dt = U × dC / dt arises. This means that with known capacitor capacity C of the sensor device via the displacement current i the Potential U can be determined. In that sense, the Also use the sensor as a voltmeter.

Gemäß B. Bahreyni et al., ”Analysis and Design of a Micromachined Electric-Field Sensor”, Journal of Microelectronicme chanical Systems, Vol. 17, No. 1, Februar 2008, Seiten 31 bis 36 ist es weiterhin bekannt, dass die Empfindlichkeit des Sensors, bestehend aus streifenförmigen Elektroden, vergrößert werden kann, wenn zwei Sätze von Elektrodenstreifen vorgesehen sind, die über eine geeignete Maske mit versetzten Schlitzen wechselseitig freigelegt werden. Zu diesem Zweck werden die beiden Sätze von Elektrodenstreifen jeweils auf ein positives und ein negatives Elektrodenpotential gelegt, so dass die absolute Differenz der Potentiale im Vergleich zu der zuerst beschriebenen Variante des Sensors doppelt so groß ist. Die beiden Sätze von Elektroden werden dem letztgenannten Dokument nach in zwei benachbarten Feldern derart angeordnet, dass sich ein Versatz jeweils um die Breite eines Elektrodenstreifens ergibt. Das so erzeugte Feld der beiden Sätze von Elektrodenstreifen erinnert insofern an ein langgestrecktes Schachbrettmuster. Um ein wechselseitiges Freilegen der Elektrodenstreifen zu ermöglichen, weist die Blende zwei Reihen von in Längsrichtung der Schlitze hintereinander angeordneten Schlitzen auf, wobei jeweils der erste Schlitz in dieser Reihe für eine entsprechende Elektrode des ersten Satzes und der zweite Schlitz der Reihe für eine entsprechende Elektrode des zweiten Satzes vorgesehen ist. Im Vergleich zu der vorab beschriebenen Variante mit lediglich einem Satz von streifenartigen Elektroden, ist die letztgenannte Variante des Sensors hinsichtlich der baulichen Abmessungen also doppelt so breit.According to Bahreyni et al., "Analysis and Design of a Micromachined Electric-Field Sensor", Journal of Microelectronic Mechanical Systems, Vol. 1, February 2008, pages 31 to 36 It is also known that the sensitivity of the sensor consisting of strip-shaped electrodes can be increased if two sets of electrode strips are provided, which are mutually exposed via a suitable mask with offset slots. For this purpose, the two sets of electrode strips are each set to a positive and a negative electrode potential, so that the absolute difference of the potentials is twice as large compared to the first described variant of the sensor. The two sets of electrodes are arranged according to the latter document in two adjacent fields such that an offset results in each case by the width of an electrode strip. The field of the two sets of electrode strips thus produced is reminiscent of an elongated checkerboard pattern. In order to allow mutual exposure of the electrode strips, the diaphragm has two rows of slots arranged one behind the other in the longitudinal direction of the slots, wherein in each case the first slot in this row for a corresponding electrode of the first set and the second slot of the row for a corresponding electrode of the second sentence is provided. Compared to the previously described variant with only one set of strip-like electrodes, the last-mentioned variant of the sensor is therefore twice as wide in terms of structural dimensions.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Sensor in Form eines mikro-elektromechanischen Systems anzugeben, mit dem die elektrische Feldstärke gemessen werden kann, und welcher bei vergleichsweise hoher Empfindlichkeit gleichzeitig vergleichsweise geringe Bauteilabmessungen ermöglicht.The The object of the invention is to provide a sensor in the form of a Micro-electromechanical system to specify the electric field strength can be measured, and which at comparatively high sensitivity simultaneously allows comparatively small component dimensions.

Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Sensor erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Elektrodenstreifen der ersten Elektrodenanordnung und die Elektrodenstreifen der zweiten Elektrodenanordnung in abwechselnder Reihenfolge hintereinander auf der Oberfläche angeordnet sind, wobei sich die Elektrodenstreifen der einen Elektrodenanordnung jeweils in den Zwischenräumen zwischen den Elektrodenstreifen der anderen Elektrodenanordnung befinden. Vergleicht man diese konstruktive Ausgestaltung also mit der schachbrettartigen Anordnung der Elektrodenstreifen gemäß dem Stand der Technik, so könnte man sagen, dass die Schachfelder zweier auf dem Schachfeld benachbarter Reihen einfach ineinander geschoben werden, so dass in dieser Reihe nur noch Schachfelder einer Farbe vorliegen. Vorteilhaft lässt sich hierdurch eine vergrößerte Packungsdichte der maßgeblichen Elektrodenstreifen erreichen, die zu einer Verringerung der notwendigen Grundfläche für die Elektrodenanordnungen auf 50% führt. Eine Abdeckung dieser erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung mit einer Blende lässt sich vorteilhaft dadurch erreichen, dass für beide Sätze von Elektrodenstreifen nur ein Satz von Schlitzen in der Blende verwendet wird, welcher abwechselnd zum Freilegen des einen Satzes und zum Freilegen des anderen Satzes dient. Dadurch lässt sich auch die Fläche der verwendeten Blende und insbesondere auch deren Bauteilgewicht auf ungefähr die Hälfte reduzieren. Hierdurch werden vorteilhaft insgesamt geringere Abmessungen des als mikro-elektromechanisches System ausgebildeten Sensors (im Folgenden als MEMS-Sensor bezeichnet, wobei MEMS für mikro-elektromechanisches System steht).This object is achieved with the sensor mentioned above according to the invention that the electrode strips of the first electrode assembly and the electrode strips of the second Elek arranged in alternating order in succession on the surface, wherein the electrode strips of the one electrode arrangement are respectively in the spaces between the electrode strips of the other electrode arrangement. If one compares this structural design with the checkered arrangement of the electrode strips according to the prior art, one could say that the chess fields of two adjacent rows on the chess field are simply pushed one inside the other, so that only chess fields of one color are present in this series. This advantageously makes it possible to achieve an increased packing density of the relevant electrode strips, which leads to a reduction of the necessary base area for the electrode arrangements to 50%. A cover of this electrode arrangement according to the invention with a diaphragm can advantageously be achieved by using only one set of slots in the diaphragm for both sets of electrode strips, which alternately serves to expose one set and to expose the other set. As a result, the area of the diaphragm used and in particular also its component weight can be reduced to approximately half. As a result, advantageously smaller overall dimensions of the sensor designed as a micro-electro-mechanical system (hereinafter referred to as MEMS sensor, where MEMS stands for micro-electro-mechanical system).

Die Verringerung der notwendigen Oberfläche der Blende hat jedoch noch einen weiteren Vorteil, dass nämlich die Masse dieses Bauteils verringert wird. Da die Blende zum wechselnden Verdecken und Freilegen der betreffenden Elektrodenstrei fen eine alternierende transversale Bewegung parallel zur Oberfläche der Elektrodenstreifen durchführen muss, ist diese als schwingungsfähiges System zu betrachten. Je geringer deren Masse ausfällt, desto geringer sind auch die für das Ausführen dieser Schwingungen notwendigen Aktivierungsenergien. Außerdem lassen sich wegen der geringeren Masse der Blende auch höhere Anregungsfrequenzen verwirklichen, wodurch die zeitliche Empfindlichkeit des Sensors verbessert werden kann.The Reduction of the necessary surface of the aperture has but still another advantage, namely that the mass of this component is reduced. Because the aperture to the changing cover and exposing the respective electrode strips to an alternating one transverse movement parallel to the surface of the electrode strips must perform, this is as oscillatory To look at the system. The lower their mass fails, the lower are those for running These vibrations necessary activation energies. Furthermore can be due to the lower mass of the aperture also higher Realize excitation frequencies, thereby reducing the temporal sensitivity of the sensor can be improved.

Die Art, wie eine messtechnische Schaltung zur Auswertung des Verschiebestroms an den beiden Sätzen von Elektrodenstreifen gemessen werden kann, ist allgemein bekannt und z. B. in dem oben genannten Aufsatz von B. Bahreyni in 9 dargestellt. Es handelt sich dabei um eine differenzielle Messmethode, wobei die Elektrodenstreifen jeweils eines Elektrodensatzes in einer Parallelschaltung zusammengefasst werden.The way in which a metrological circuit for evaluating the displacement current at the two sets of electrode strips can be measured is well known and z. B. in the above-mentioned article by B. Bahreyni in 9 shown. It is a differential measurement method, whereby the electrode strips of each electrode set are combined in a parallel circuit.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Blende frei schwebend über der besagten Oberfläche in einer elastischen Aufhängung gelagert ist und zusammen mit dieser ein schwingungsfähiges System bildet. Die Schwingungen, die dieses Schwingungssystem bevorzugt ausführen kann (erste Mode), sollen derart sein, dass sich während der Schwingungen die Blende in konstantem Abstand zur Oberfläche des Substrates, auf dem die Elektrodenflächen vorgesehen sind, translatorisch hin- und herbewegen kann. Die frei schwebende Lagerung in der elastischen Aufhängung führt vorteilhaft beim Ausführen der Schwingungen der Blende zu einer geringen Reibung und daher zu geringen Verlusten. Daher ist vorteilhaft eine Anregung der Blende zu Schwingungen mit einem geringen Energieaufwand möglich, der in der Resonanzfrequenz des durch die elastische Aufhängung und die Blende gebildeten schwingungsfähigen Systems ein Minimum hat.According to one advantageous embodiment of the invention it is provided that the Aperture levitating above the said surface is mounted in an elastic suspension and together with this forms a vibratory system. The vibrations, which can preferably perform this vibration system (first Mode), should be such that during the vibrations the aperture at a constant distance to the surface of the substrate, on which the electrode surfaces are provided, translational can move back and forth. The free-floating storage in the elastic Suspension performs advantageous when running the vibrations of the diaphragm to a low friction and therefore too low losses. Therefore, it is advantageous to stimulate the aperture possible to vibrations with a low energy consumption, in the resonant frequency of the elastic suspension and the iris formed oscillatory system a minimum Has.

Weiterhin wird eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung erhalten, wenn die elastische Aufhängung Biegebalken aufweist, die parallel zur besagten Oberfläche ausgerichtet sind. Die Aufhängung in Biegebalken erfolgt bevorzugt derart, dass die Biegebalken an einer Seite starr an dem ortsfesten Substrat befestigt sind und mit dem anderen Ende an der Blende angreifen. Bevorzugt weisen die Biegebalken ihre (konstruktiv bedingte) geringste Steifigkeit hinsichtlich einer Biegeverformung parallel zur besagten Oberfläche auf. Dies bedeutet, dass die durch die Verformung des Biegebalkens erzeugte Biegelinie ebenso wie der unverformte Biegebalken parallel zur Oberfläche es besagten Substrates erfolgt. Hierdurch kann vorteilhaft verhindert werden, dass es bei der Ausführung der Schwingungen zu einem Kontakt mit dem Substrat kommt, so dass ein gleichmäßig paralleler Abstand der Blende während der Ausführungen der bevorzugten Schwingungen gewährleistet ist. Die Biegesteifigkeit lässt sich konstruktiv über ein geeignetes Flächenträgheitsmoment des Querschnitts der Biegebalken, gesehen parallel zur besagten Oberfläche, beeinflussen.Farther is a particularly advantageous embodiment of the invention obtained when the elastic suspension has bending beams, which are aligned parallel to said surface. The suspension in bending beams is preferably such that the bending beam rigidly on one side of the stationary substrate are attached and attack with the other end on the panel. The bending beams preferably have their (constructively caused) lowest rigidity in terms of bending deformation parallel to said surface on. This means that by the deformation of the bending beam generated bending line as well as the undeformed bending beam in parallel to the surface of said substrate. hereby can be advantageously prevented that it in the execution the vibrations come into contact with the substrate, so that a uniform parallel distance of the aperture ensured during the execution of the preferred vibrations is. The bending stiffness can be constructively over a suitable area moment of inertia of the cross section the bending beam, seen parallel to said surface, influence.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn mehrere Biegebalken vorgesehen sind, die schwingungstechnisch gesehen in Reihe oder parallel geschaltet sind. Eine Parallelschaltung von Biegebalken wird dadurch erreicht, dass die Blende in mehreren Punkten (bevorzugt an den vier Eckpunkten bei rechteckiger Ausführung der Blende) aufgehängt sind, so dass sich eine verhältnismäßig stabile Bauform ergibt. Diese Parallelschaltung von Biegefedern kann vorzugsweise mit einer Reihenschaltung von Biegefedern kombiniert werden, wobei die Verschaltung der Biegebalken über einen gemeinsamen Verbindungsbalken erreicht werden kann, an den alle betreffenden Biegebalken auf derselben Seite angreifen. Hierdurch wird vorteilhaft eine weitere Reduzierung des erforderlichen Bauraums ermöglicht – beispielsweise durch eine Halbierung der notwendigen Biege federlänge.Farther it is advantageous if a plurality of bending beams are provided, the vibrationally connected in series or in parallel. A Parallel connection of bending beam is achieved by the Aperture in several points (preferably at the four vertices at rectangular version of the panel) suspended are, so that's a relative stable design results. This parallel connection of bending springs can preferably be combined with a series of bending springs be, with the interconnection of the bending beam over a common connection bar can be achieved, to all attack the relevant bending beam on the same side. hereby Advantageously, a further reduction of the required installation space possible - for example by halving the necessary bending spring length.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Aktuator durch ineinandergreifende Elektrodenkämme ausgebildet ist, von denen der eine ortsfest mit dem Substrat und der andere mit der Blende mechanisch gekoppelt ist. Hierdurch wird ein sogenannter Kammantrieb erzeugt, bei dem elektrostatische Kräfte zur Erzeugung der Bewegung ausgenutzt werden. Je nach Ladung der beiden Elektrodenkämme werden nämlich die Stabelektroden des einen Elektrodenkammes aus den Zwischenräumen der Stabelektroden des anderen Elektrodenkammes verdrängt oder in sie hineingezogen, so dass durch eine periodische Potentialschaltung die Schwingungsbewegung der Blende erzeugt wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der mit der Blende mechanisch gekoppelte Elektrodenkamm aus Stabelektroden besteht, die in Bewegungsrichtung der Blende vom Seitenrand derselben abstehen. Dies hat den Vorteil eines verringerten Bauraumbedarfes für die entsprechend erzeugte Kammelektrode der Blende.Farther It is advantageous if the actuator by interlocking Electrode combs is formed, one of which is stationary mechanically coupled to the substrate and the other to the diaphragm is. As a result, a so-called comb drive is generated, in which exploited electrostatic forces to generate the movement become. Depending on the charge of the two electrode combs namely the stick electrodes of the one electrode comb from the interstices the rod electrodes of the other electrode comb displaced or drawn into it, so that by a periodic potential circuit the vibration movement of the diaphragm is generated. Especially advantageous it is when the electrode comb mechanically coupled to the diaphragm consists of stick electrodes, in the direction of movement of the diaphragm stand out from the side edge of the same. This has the advantage of a reduced Required space for the correspondingly generated comb electrode the aperture.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Blende mit einem Auslenkungssensor gekoppelt ist. Dieser gibt Aufschluss über den momentanen Auslenkungszustand der Blende, so dass abhängig vom Einsatzfall die Schwingungen der Blende über eine geeignete Ansteuerung des Aktors gesteuert oder geregelt werden können. Vorteilhaft ist der Auslenkungssensor aus zwei ineinander greifenden Elektrodenkämmen aufgebaut, wobei das oben beschriebene Aktorprinzip umgekehrt wird.Farther It is advantageous if the diaphragm with a deflection sensor is coupled. This gives information about the current one Deflection state of the aperture, so depending on the application the vibrations of the diaphragm over a suitable control of the actuator can be controlled or regulated. Advantageous is the displacement sensor of two intermeshing electrode combs constructed, wherein the actuator principle described above is reversed.

Selbstverständlich kommen für den Aktor sowie den Sensor auch andere Wirkprinzipien in Frage. Beispielsweise kann der Aktor sowie der Sensor durch Piezokristalle ausgebildet werden, die in geeigneter Weise mit dem Substrat einerseits und der Blende andererseits mechanisch gekoppelt werden.Of course come for the actuator and the sensor also other principles of action in question. For example, the actuator and the sensor by piezo crystals be formed, in a suitable manner with the substrate on the one hand and the diaphragm are otherwise mechanically coupled.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors.Further Details of the invention are described below with reference to the drawing described. The single figure shows a schematic view to an embodiment of the invention Sensor.

Ein Sensor zur Messung der elektrischen Feldstärke ist als MEMS ausgebildet und weist ein Substrat 11 auf, auf dem die notwendigen Baugruppen angebracht sind. Hierbei können unterschiedliche, allgemein bekannte Verfahren der Mikrostrukturierung verwendet werden, vorzugsweise können die Strukturen in Ätztechnologie hergestellt werden. Wenn im Rahmen dieser Beschreibung von dem Substrat 11 die Rede ist, dann ist hiermit das die Grundfläche des Sensors zur Verfügung stellende Substrat gemeint. Auf diesem sind in jedem Falle eine erste Elektrodenanordnung 12 und eine zweite Elektrodenanordnung 13 aufgebracht, wobei die zweite Elektrodenanordnung lediglich teilweise gestrichelt angedeutet ist, da diese im in der Figur dargestellten Zustand gerade durch eine Blende 14 verdeckt wird. Beide Elektrodenanordnungen 12, 13 bestehen aus Elektrodenstreifen 15, die abwechselnd angeordnet sind und jeweils mit Leiterbahnen 16a, 16b kontaktiert und in Reihe geschaltet sind.A sensor for measuring the electric field strength is designed as a MEMS and has a substrate 11 on, on which the necessary modules are mounted. Here, different, generally known methods of microstructuring can be used, preferably the structures can be produced in etching technology. If in the context of this description of the substrate 11 the speech is meant hereby the substrate providing the base area of the sensor. On this are in each case a first electrode arrangement 12 and a second electrode assembly 13 applied, wherein the second electrode arrangement is only partially indicated by dashed lines, as these in the state shown in the figure straight through a diaphragm 14 is covered. Both electrode arrangements 12 . 13 consist of electrode strips 15 , which are arranged alternately and each with tracks 16a . 16b contacted and connected in series.

Die im Folgenden beschriebenen weiteren Bauelemente können beispielsweise in Ätztechnologie ebenfalls in dem Substrat 11 hergestellt werden. Alternativ ist es auch denkbar, dass der Sensor in Sandwichbauweise hergestellt wird, d. h. aus mehreren Platten und nicht nur aus dem Substrat 11 besteht. Dies gilt beispielsweise für die Blende 14, die frei schwebend oberhalb der beiden Elektrodenanordnungen 12, 13 in einer elastischen Aufhängung 17 gehalten ist. Diese elastische Aufhängung besteht aus Biegebalken 18, wobei für die Aufhängung insgesamt acht Biegebalken vorgesehen sind, die in vier pa rallel geschalteten Gruppen von jeweils zwei in Serie oder Reihe geschalteten Biegebalken angeordnet sind, wobei die Masse des schwingungsfähigen Systems vorrangig durch die Blende 14 ausgebildet wird.The further components described below can also be used, for example, in etching technology in the substrate 11 getting produced. Alternatively, it is also conceivable that the sensor is manufactured in a sandwich construction, ie from a plurality of plates and not only from the substrate 11 consists. This applies, for example, to the aperture 14 floating above the two electrode arrangements 12 . 13 in an elastic suspension 17 is held. This elastic suspension consists of bending beams 18 , Wherein eight suspension bars are provided for the suspension, which are arranged in four pa rallel connected groups of two series or series connected bending beam, the mass of the oscillatory system primarily by the diaphragm 14 is trained.

Konkret wird das schwingungsfähige System in folgender Weise gebildet. Die Enden von vier parallel geschalteten Biegefedern 18 greifen an jeweils einer der Längsseiten 19 der Blende 15 an. Die Längsseiten 19 der Blende 15 werden durch diejenigen Seiten dieses rechteckigen Gebildes gebildet, welche sich längs der durch einen Doppelpfeil 20 angedeuteten Schwingungsrichtung befindet. Mit den anderen Enden sind diese Biegebalken 18 mit jeweils einem von zwei Querbalken 21 verbunden, von denen jeweils zwei andere Biegebalken 18 in derselben Richtung abragen (Ausbildung der Serienschaltung). Es sind somit zwei Querbalken 21 (jeweils einer parallel zur zugehörigen Längsseite 19 der Blende 14) vorgesehen, wobei diese eine mechanische Kopplung der vier jeweils auf einer Seite befindlichen Biegebalken 18 gewährleisten und auf diese Weise die oben beschriebene Kombination zwischen Reihenschaltung (Serienschaltung) und Parallelschaltung der Biegebalken zustande kommt. Die letztgenannten vier Biegebalken 18 sind weiterhin jeweils in einer starren Aufhängung 22 auf dem Substrat 11 befestigt.Specifically, the oscillatory system is formed in the following manner. The ends of four parallel spiral springs 18 engage each one of the long sides 19 the aperture 15 at. The long sides 19 the aperture 15 are formed by those sides of this rectangular structure, which are along by a double arrow 20 indicated direction of vibration is located. With the other ends are these bending beams 18 each with one of two crossbeams 21 connected, of which two other bending beams 18 protrude in the same direction (formation of the series circuit). There are thus two transom 21 (one each parallel to the associated longitudinal side 19 the aperture 14 ), this being a mechanical coupling of the four each located on one side bending beam 18 ensure and in this way the combination described above between series connection (series connection) and parallel connection of the bending beam comes about. The latter four bending beams 18 are still each in a rigid suspension 22 on the substrate 11 attached.

Wenn die Blende 14 in Richtung des Doppelpfeiles schwingt, so führt diese Schwingungen mit einer Amplitude a aus, welche dem Abstand zwischen zwei benachbarten Elektrodenstreifen 15 der ersten Elektrodenanordnung 12 und der zweiten Elektrodenanordnung 13 entspricht. Hierbei wird eine Anzahl von Schlitzen 23 in der Blende 14, die genau der Anzahl von Elektrodenstreifen 15 einer der Elektrodenanordnungen 12 oder 13 entspricht, um denjenigen Betrag versetzt, dass abwechselnd die Elektrodenstreifen 15 der einen Elektrodenanordnung 12 oder der anderen Elektrodenanordnung 13 freigelegt werden. Dabei wird die jeweils andere Elektrodenanordnung durch die Blende komplett abgedeckt.If the aperture 14 oscillates in the direction of the double arrow, so performs these oscillations with an amplitude a, which is the distance between two adjacent electrode strips 15 the first electrode arrangement 12 and the second electrode assembly 13 equivalent. This will be a number of slots 23 in the aperture 14 that is exactly the number of electrode strips 15 one of the electrode assemblies 12 or 13 equals the amount offset by alternating the electrode strips 15 the one electrode arrangement 12 or the other electrode assembly 13 be exposed. In this case, the respective other electrode arrangement is completely covered by the diaphragm.

Die Blende 14 ist mit einem Aktuator 24 mechanisch gekoppelt, wobei dieser als Kammantrieb (comb-drive) ausgeführt ist. Dieser weist demnach zwei Elektrodenkämme 25 auf, die ineinander verzahnt sind. Dabei bildet der an der Blende 14 befestigte Elektrodenkamm 25 einen integrativen Bestandteil der Blende 14, ist also einteilig mit dieser hergestellt. Der Elektrodenkamm 25 befindet sich an einer der Querseiten 26 der Blende 14, die rechtwinklig zur Bewegungsrichtung 20 der Blende 14 verlaufen. Damit führt die Bewegung 20 zu einer Veränderung der Überdeckung 27 der beiden verzahnten Elektrodenkämme 25, da der andere Elektrodenkamm ortsfest auf dem Substrat 11 befestigt ist.The aperture 14 is with an actuator 24 mechanically coupled, this is designed as a comb drive (comb-drive). This therefore has two electrode combs 25 on, which are interlocked. It forms the at the aperture 14 attached electrode comb 25 an integral part of the iris 14 , so it is made in one piece with this. The electrode comb 25 is located on one of the transverse sides 26 the aperture 14 perpendicular to the direction of movement 20 the aperture 14 run. This leads to the movement 20 to a change in coverage 27 the two toothed electrode combs 25 because the other electrode comb is stationary on the substrate 11 is attached.

Auf der anderen Querseite 26 der Blende 14 ist ein Auslenkungssensor 28 angebracht. Auch dieser besteht aus zwei Elektrodenkämmen 25 und ist analog zum Aktuator aufgebaut. Allerdings erfolgt über diesen keine Anregung der Blende 14 zu Schwingungen, sondern ein Signalabgriff zur Ermittlung der augenblicklichen Auslenkung der Blende 14.On the other lateral side 26 the aperture 14 is a displacement sensor 28 appropriate. This too consists of two electrode combs 25 and is constructed analogously to the actuator. However, there is no excitation of the diaphragm over this 14 to vibrations, but a signal tap to determine the instantaneous deflection of the aperture 14 ,

Zum Zwecke der elektrischen Ansteuerung des Sensors sind verschiedene Kontaktflächen 29 vorgesehen. Die Kammelektroden 25 an der Blende 14 können elektrisch über die Aufhängungen 22 der in diesem Falle leitend ausgeführten Biegebalken 18 und den Querbalken 21 erfolgen. Die ortsfesten Elektrodenkämme am Aktuator 24 und am Auslenkungssensor 28 können direkt kontaktiert werden. Außerdem enden auch die Leiterbahnen 16a, 16b zur Kontaktierung der Elektrodenstreifen 15 in geeigneten Kontaktflächen 29.For the purpose of electrical control of the sensor are different contact surfaces 29 intended. The comb electrodes 25 at the aperture 14 can be electrically over the suspensions 22 the in this case conductive executed bending beam 18 and the crossbeam 21 respectively. The fixed electrode combs on the actuator 24 and at the deflection sensor 28 can be contacted directly. In addition, the tracks will also end 16a . 16b for contacting the electrode strips 15 in suitable contact surfaces 29 ,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2005/121819 A1 [0002]
US 617780081 [0003]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

B. Bahreyni et al., Analysis and Design of a Micromachined Electric-Field Sensor, Journal of Microelectronicmechanical Systems, Vol. 1, February 2008, pages 31 to 36 [0005]

Claims

Sensor designed as a microelectromechanical system for measuring the electric field strength, comprising - a substrate ( 11 ), on the surface of which a first electrode arrangement ( 12 ) with spaced apart, parallel to each other on the surface and extending electrically contacted electrode strips ( 15 ) and a second electrode arrangement ( 13 ) with spaced apart, parallel to each other on the surface extending and jointly electrically contacted further electrode strips ( 15 ), - an aperture ( 14 ), which is parallel to said surface both aligned and movably mounted, wherein the diaphragm ( 14 ) for the first electrode arrangement ( 12 ) and for the second electrode arrangement ( 13 ) Slots ( 23 ), which in a first position of the diaphragm ( 14 ) the first electrode arrangement ( 12 ) and in a second position of the diaphragm ( 14 ) the second electrode arrangement ( 13 ), - an actuator ( 24 ) as a mechanical coupling between the substrate ( 11 ) and the aperture ( 14 ), characterized in that the electrode strips ( 15 ) of the first electrode arrangement ( 12 ) and the electrode strips ( 15 ) of the second electrode arrangement ( 13 ) are arranged on the surface in alternating sequence one behind the other, wherein the electrode strips of the one electrode arrangement are in each case located in the interspaces between the electrode strips of the other electrode arrangement.

Sensor according to claim 1, characterized in that the diaphragm ( 14 ) levitating over said surface in an elastic suspension ( 17 ) is stored and forms an oscillatory system with this.

Sensor according to claim 2, characterized in that the elastic suspension bending beam ( 18 ) aligned parallel to said surface.

Sensor according to claim 3, characterized in that the bending beams ( 18 ) have their least rigidity in terms of bending deformation parallel to said surface.

Sensor according to claim 3 or 4, characterized in that a plurality of bending beams ( 18 ) are provided, the vibration technology seen in series and / or connected in parallel.

Sensor according to one of claims 3 to 5, characterized in that the ends of at least a part of the bending beam ( 18 ) directly to the side edges of the panel ( 14 attack).

Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the actuator ( 24 ) by interlocking electrode combs ( 25 ) is formed, one of which is fixed to the substrate ( 11 ) and the other with the aperture ( 14 ) is mechanically coupled.

Sensor according to claim 7, characterized in that the one with the diaphragm ( 14 ) mechanically coupled electrode comb of rod electrodes, which in the direction of movement of the diaphragm ( 14 ) protrude from the side edge of the same.

Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the diaphragm with a deflection sensor ( 28 ) is coupled.