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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Elektrofeldmeter als Gewitterwarner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche Elektrofeldmeter als Gewitterwarner sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 1 591 932 eine diaphragmafreie Feldmühle zur Messung elektrostatischer Felder und Spannungen bekannt, wobei bei den Feldmühlen gemäß dem Stand der Technik ein von einem Motor angetriebenes, über Schleifkontakte mit Masse verbundenes Flügelrad so zwischen einem als Diaphragma wirkenden, perforierten Schirm und einer kreisscheibenförmig im Isolierring gehaltenen hochohmigen Auffangelektrode, dass ein periodisch schwankender Teil eines äußeren elektrostatischen Kraftfeldes auf die Auffangelektroden gelangt und dort eine elektrische Wechselladung influenziert.
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Im Stand der Technik sind bereits Messgeräte zur Messung des elektrischen Feldes, insbesondere Elektrofeldmeter, welche auch als E-Feldmesser bezeichnet werden, bekannt, deren Funktionsweise auf dem bekannten Prinzip der Feldmühle basiert. Derartige Messgeräte weisen eine im Vergleich zu mikromechanischen Strukturen relativ große Größe auf, beispielsweise mehrere Zentimeter in wenigstens einer Ausdehnungsrichtung. Weiterhin sind derartige große Elektrofeldmeter von einer vergleichsweise starken Energiequelle abhängig. Diese Elektrofeldmeter werden beispielsweise als Warngeräte vor Gewittern verwendet, wobei sie zur Messung des statischen elektrischen Feldes der erdnahen Atmosphäre konfiguriert sind. Dabei ist vorgesehen, dass bei Überschreitung eines bestimmten Grenzwertes der elektrischen Feldstärke, beispielsweise 1 kV/m, eine Gewitterwarnanzeige schon vor dem ersten Blitz aktiviert wird. Als Gewitterwarner konfigurierte Elektrofeldmeter nutzen das Wissen, wonach ein Ansteigen der elektrischen Feldstärke der erdnahen Atmosphäre auf größere Werte als 1 kV/m, oder Polaritätswechsel des elektrischen Feldes, auf eine heranziehende Gewitterfront hindeuten. Beispielsweise werden solche Elektrofeldmeter zur Gewitterwarnung an Höhenobservatorien genutzt, wobei Spannungswerte aufgezeichnet werden.
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Weiterhin sind als Blitzdetektoren konfigurierte Gewitterwarngeräte bekannt, die das gepulste elektrische Wechselfeld der von Blitzen verursachten elektromagnetischen Blitzimpulse, die auch als LEMP oder Sferics bezeichnet werden, messen. Blitzdetektoren weisen einen Empfänger für elektromagnetische Wechselfelder auf und sind zur Detektion von Pulsen auf verschiedenen Frequenzen vorgesehen Die Blitzdetektoren detektieren die Blitze heranziehender Gewitter beispielsweise über vergleichsweise große Entfernungen.
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Gewitter können, insbesondere für eine sich im Freien aufhaltende Person, lebensbedrohlich sein. Bei gutem Wetter liegt die elektrische Feldstärke im Bereich von ca. 100 V/m bis 300 V/m. Unterhalb eines Gewitters weist die elektrische Feldstärke Werte von bis zu –30.000 V/m oder +30.000 V/m auf. Diese Änderungen des elektrischen Feldes treten zeitlich vor einem Gewitter auf und können zur Vorhersage des Gewitters verwendet werden. Änderungen der Feldstärke des elektrischen Feldes der Atmosphäre können als Gewitterhinweise und/oder Blitzhinweise verwendet werden. Die Gewitterwarngeräte gemäß dem Stand der Technik sind allerdings unhandlich, groß und von einer vom Benutzer mitzuführenden Energiequelle abhängig. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gewitterwarngerät zum Einbau in kleine tragbare Geräte zur Benutzung im Freien oder in Fahrzeugen zur Verfügung zu stellen, welches die Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und besonders leicht und mobil einsetzbar ist. Hierdurch wird eine im Vergleich zum Stand der Technik besonders einfache und energiesparende, insbesondere kostensparende, Feldstärkemessung, beispielsweise während eines Gewitters, ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur, insbesondere das mikromechanische Elektrofeldmeter als Gewitterwarner, zur Detektion eines elektrischen Feldes gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass dadurch ein Gewitterwarner als ein miniaturisiertes Feldstärkemessgerätes bereitgestellt wird. Dieser Gewitterwarner weist insbesondere eine miniaturisierte, sehr leichte und kleine als mikroelektromechanischen (MEMS) Sensor bezeichnete mikromechanische Struktur zur Erkennung der Blitzgefahr durch Messung des erdnahen atmosphärischen elektrischen Feldes auf und ist in eine Vielzahl von tragbaren, insbesondere kleinen, Gegenständen und/oder Geräten, beispielsweise Armbanduhren, Mobiltelefone, Regenschirme, Golfschläger, Golfkarren oder Golfbeutel, integrierbar, insbesondere einbaubar. Somit wird mit der erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur ein mobiles Gewitterwarngerät für Sportler, beispielsweise für Sportarten wie Klettern, Wandern, Bootsport oder Golf, für Kraftfahrzeuge und/oder Wasserfahrzeuge realisiert. Bei Kraftfahrzeugen kann durch das Gewitterwarngerät besonders vorteilhaft die Gefahr einer Reifenperforation durch Blitzableitung erheblich reduziert werden. Ein weiterer besonders vorteilhafter Einsatzzweck des erfindungsgemäßen mobilen Gerätes ist die, als ESD-Überwachung bezeichnete, Warnung vor triboelektrischen Entladungsblitzen, welche beispielsweise für empfindliche Personen die Warnung vor Hochspannungsfeldern umfasst. Beispielsweise kann eine erfindungsgemäße mikromechanische Struktur, auch als Sensor bezeichnet, zur Benutzung in Arbeitskleidung für Bahnarbeiter, in Helmen und/oder an der Baggerschaufel konfiguriert sein. Ein weiterer vorteilhafter Einsatzzweck des erfindungsgemäßen Sensors besteht in der Benutzung des Sensors in Zusammenhang mit Anlagen, wie beispielsweise Windkraftanlagen und/oder Seilbahnen, um beispielsweise den Betrieb der Anlagen rechtzeitig vor dem Gewitter auf Basis einer vom Sensor hervorgerufenen Gewitterwarnung einzustellen. Weiterhin ist besonders vorteilhaft die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur zur Verwendung in einem Leitungssuchgerät, beispielsweise zur Orientierungsbestimmung und/oder Positionsbestimmung elektrischer Leitungen, konfigurierbar. Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur zur Integration in Mobiltelefone oder Smartphones vorgesehen oder konfigurierbar, insbesondere in Kombination mit einer Software. Weiterhin ist es vorteilhaft möglich die mikromechanische Struktur als Näherungsschalter zu verwenden. Eine mikromechanische Struktur mit einer fest mit dem Substrat verbundenen ersten Elektrode erzielt den Vorteil, dass durch Auslenkung der zweiten Elektrode mit einer von der Antriebseinrichtung vorgegebenen Schwingungsfrequenz, wobei die zweite Elektrode ein definiertes Potential, insbesondere ein Massepotential, zur Abschirmung der ersten Elektrode von dem elektrischen Feld in der Überlappstellung aufweist. Die zweite Elektrode weist bevorzugt das Massepotential einer auf Massepotential befindlichen äußeren Masse, insbesondere eines Gehäuses eines Elektrogeräts oder der Erde, auf. Das Gehäuse der mikromechanischen Struktur weist ein für statische elektrische Felder durchlässiges Material auf, beispielsweise Glas, niedrig dotiertes Silizium oder Polymer, insbesondere leitfähiges Polymer. Die Anforderung an das Material des Gehäuses besteht insbesondere darin, dass elektromagnetische Felder von außen nicht abgeschirmt werden. Wenn sich die erste Elektrode und die zweite Elektrode nicht in der Überlappstellung befinden, influenziert das elektrische Feld in Abhängigkeit der Feldstärke des elektrischen Feldes und der Polarität des elektrischen Feldes in der ersten Elektrode elektrische Ladungen. Auf Grund der, insbesondere periodischen, Relativbewegung der abschirmenden zweiten Elektrode gegenüber der ersten Elektrode wird in der ersten Elektrode ein die Schwingungsfrequenz aufweisendes erstes Spannungssignal in Abhängigkeit der Feldstärke und/oder der Polarität des elektrischen Feldes erzeugt. Mit Relativbewegung ist eine Bewegung sowohl der ersten Elektrode als auch der zweiten Elektrode relativ zum Substrat eingeschlossen, sowie eine Bewegung lediglich einer der beiden Elektroden, also entweder der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode, relativ zum Substrat, wobei die jeweils andere Elektrode fest mit dem Substrat verbunden ist. Bevorzugt weist die mikromechanische Struktur eine Auswerteinrichtung mit einem Ladungsverstärker zur Erzeugung eines Auswertesignals, insbesondere eines gegenüber dem ersten Spannungssignal verstärkten zweiten Spannungssignals, in Abhängigkeit des durch die Feldstärke des elektrischen Feldes und der Relativbewegung der zweiten Elektrode hervorgerufenen ersten Spannungssignals auf. Dabei wird insbesondere nur die Feldstärke einer Komponente des elektrischen Feldes in eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats verlaufende Richtung ausgewertet. Insbesondere ist die Auswerteinrichtung zur Signalverarbeitung des Spannungssignals zu einem digitalisierten Signal, beispielsweise mittels eines Analog-Digital-Wandlers, und/oder zu einem kalibrierten Signal konfiguriert.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das definierte Potential ein Massepotential, insbesondere das Erdpotential ist und/oder die mikromechanische Struktur eine fest mit dem Substrat verbundene weitere erste Elektrode aufweist, wobei die Antriebsanordnung zur Bewirkung der Relativbewegung der zweiten Elektrode und der ersten Elektrode relativ zueinander zwischen der Überlappstellung und einer weiteren Überlappstellung konfiguriert ist, wobei die weitere erste Elektrode und die zweite Elektrode in der weiteren Überlappstellung in Projektionsrichtung übereinander angeordnet sind. Dadurch ist es vorteilhaft möglich eine volldifferentielle Auswertung des an der ersten Elektrode hervorgerufenen ersten Spannungssignals und eines an der weiteren ersten Elektrode hervorgerufenen weiteren ersten Spannungssignals in Abhängigkeit der Feldstärke des elektrischen Feldes bereitzustellen. Die Auswerteinrichtung weist insbesondere einen volldifferentiellen Ladungsverstärker auf, wobei ein erster Eingang der Auswerteinrichtung mit der ersten Elektrode leitfähig verbunden ist, wobei ein zweiter Eingang der Auswerteinrichtung mit der weiteren ersten Elektrode verbunden ist und wobei die Auswerteinrichtung ein zweites Spannungssignal erzeugt, wobei die Auswerteeinrichtung eine volldifferentielle Auswerteschaltung zur Erzeugung eines volldifferentiellen zweiten Spannungssignals aufweist. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis, insbesondere eine bessere Robustheit, der mikromechanischen Struktur zu erzielen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Elektrode und die weitere erste Elektrode in einer parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats ausgerichteten ersten Elektrodenebene angeordnet sind, wobei die erste Elektrode und die weitere erste Elektrode in der ersten Elektrodenebene elektrisch isoliert voneinander und in Projektionsrichtung nebeneinander angeordnet sind, wobei die zweite Elektrode in einer parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats ausgerichteten zweiten Elektrodenebene angeordnet ist. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis, insbesondere eine bessere Robustheit, der mikromechanischen Struktur zu erzielen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Elektrode eine erste Teilelektrode, insbesondere die erste Elektrode eine weitere erste Teilelektrode, und die zweite Elektrode eine zweite Teilelektrode aufweisen, wobei die Antriebsanordnung zur Bewirkung der Relativbewegung der zweiten Elektrode zwischen der Überlappstellung und einer Freigabestellung konfiguriert ist, wobei die erste Teilelektrode und die zweite Teilelektrode in der Freigabestellung in der Projektionsrichtung, insbesondere zumindest teilweise, nebeneinander angeordnet sind, wobei insbesondere die Antriebsanordnung zur Bewirkung der Relativbewegung der zweiten Elektrode zwischen der Überlappstellung und der weiteren Überlappstellung konfiguriert ist, wobei insbesondere die weitere erste Teilelektrode und die zweite Teilelektrode in der weiteren Überlappstellung in der Projektionsrichtung übereinander angeordnet sind. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis, insbesondere eine bessere Robustheit, der mikromechanischen Struktur zu erzielen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Teilelektrode, insbesondere die weitere erste Teilelektrode, und die zweite Teilelektrode eine zur Haupterstreckungsebene des Substrats parallele Haupterstreckungsrichtung aufweisen, wobei die Antriebsanordnung zur Bewirkung der Relativbewegung der zweiten Elektrode in eine zur Haupterstreckungsrichtung senkrechte Antriebsrichtung konfiguriert ist. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis, insbesondere eine bessere Robustheit, der mikromechanischen Struktur zu erzielen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Elektrode eine Mehrzahl an leitfähig miteinander verbundenen ersten Teilelektroden, insbesondere die weitere erste Elektrode die Mehrzahl an leitfähig miteinander verbundenen weiteren ersten Teilelektroden, und die zweite Elektrode die Mehrzahl an leitfähig miteinander verbundenen zweiten Teilelektroden aufweisen, wobei die Mehrzahl an ersten Teilelektroden und die Mehrzahl an zweiten Teilelektroden in der Überlappstellung in Projektionsrichtung allesamt übereinander angeordnet sind, wobei insbesondere die Mehrzahl an ersten Teilelektroden und die Mehrzahl an zweiten Teilelektroden in einer weiteren Überlappstellung in Projektionsrichtung allesamt übereinander angeordnet sind. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis, insbesondere eine bessere Robustheit, der mikromechanischen Struktur zu erzielen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Mehrzahl an ersten Teilelektroden, insbesondere die Mehrzahl an weiteren ersten Teilelektroden, und die Mehrzahl an zweiten Teilelektroden allesamt parallel zur Haupterstreckungsrichtung ausgerichtet sind, wobei die Mehrzahl an ersten Teilelektroden allesamt voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei insbesondere die Mehrzahl an weiteren ersten Teilelektroden allesamt voneinander beabstandet angeordnet sind, und wobei die Mehrzahl an zweiten Teilelektroden allesamt voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei insbesondere die Mehrzahl an weiteren ersten Teilelektroden zwischen die Mehrzahl an ersten Teilelektroden eingreifend angeordnet sind. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis, insbesondere eine bessere Robustheit, der mikromechanischen Struktur zu erzielen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Elektrode in einer in der ersten Elektrodenebene liegenden ersten Kreisebene angeordnet ist und die zweite Elektrode in einer in der zweiten Elektrodenebene liegenden zweiten Kreisebene angeordnet ist, wobei die erste Kreisebene und die zweite Kreisebene parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats und in der Projektionsrichtung zentriert übereinander angeordnet sind, wobei die Antriebsanordnung zur Bewirkung der Relativbewegung, insbesondere Rotationsbewegung, der zweiten Elektrode um eine mittig durch die erste Kreisebene, mittig durch die zweite Kreisebene und senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats verlaufende Drehachse konfiguriert ist. Die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur, insbesondere das mikromechanisches Elektrofeldmeter als Gewitterwarner, zur Detektion eines elektrischen Feldes hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass der Gewitterwarner ein miniaturisiertes Feldstärkemessgerätes ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Elektrode eine als erstes Kreissegment ausgebildete erste Teilelektrode, insbesondere die weitere erste Elektrode eine als weiteres erstes Kreissegment ausgebildete weitere erste Teilelektrode, und die zweite Elektrode eine als zweites Kreissegment ausgebildete zweite Teilelektrode aufweisen, wobei das erste Kreissegment, insbesondere das weitere erste Kreissegment, und das zweite Kreissegment kongruent ausgebildet sind, wobei insbesondere das erste Kreissegment und das weitere erste Kreissegment in Umlaufrichtung der ersten Kreisebene nebeneinander angeordnet sind, wobei das erste Kreissegment und das zweite Kreissegment in der Überlappstellung in Projektionsrichtung übereinander angeordnet sind, wobei insbesondere das weitere erste Kreissegment und das zweite Kreissegment in der weiteren Überlappstellung in Projektionsrichtung übereinander angeordnet sind. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis, insbesondere eine bessere Robustheit, der mikromechanischen Struktur zu erzielen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Elektrode eine Mehrzahl an als erste Kreissegmente ausgebildete erste Teilelektroden, insbesondere die weitere erste Elektrode die Mehrzahl an als weitere erste Kreissegmente ausgebildete weitere erste Teilelektroden, und die zweite Elektrode die Mehrzahl an als zweite Kreissegmente ausgebildete zweite Teilelektroden aufweisen, wobei die ersten Kreissegmente, insbesondere die weiteren ersten Kreissegmente, und die zweiten Kreissegmente allesamt kongruent ausgebildet sind, wobei insbesondere jedes erste Kreissegment in eine Umlaufrichtung in der ersten Kreisebene zwischen zwei weiteren ersten Kreissegmenten angeordnet ist, wobei in der Überlappstellung die zweiten Kreissegmente in Projektionsrichtung allesamt über der Mehrzahl an ersten Kreissegmenten, wobei insbesondere in der weiteren Überlappstellung die zweiten Kreissegmente in Projektionsrichtung allesamt über der Mehrzahl an weiteren ersten Kreissegmenten angeordnet sind. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis, insbesondere eine bessere Robustheit, der mikromechanischen Struktur zu erzielen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Substrat der mikromechanischen Struktur ein Material aus, insbesondere dotiertem, Silizium und/oder leitfähigem Polymer aufweist, wobei insbesondere die mikromechanische Struktur ein Gehäuse aus Silizium, Polymer und/oder Keramik aufweist. Beispielsweise ist das Gehäuse als ein Moldgehäuse mit einem für elektrische Felder transparentem Deckel ausgebildet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein Elektrogerät, insbesondere tragbares und/oder programmierbares Elektrogerät vorgesehen, welches eine Software aufweist, wobei die Software zur Verwendung in Kombination mit der mikromechanischen Struktur konfiguriert ist. Die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur, insbesondere das mikromechanisches Elektrofeldmeter als Gewitterwarner, zur Detektion eines elektrischen Feldes hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass der Gewitterwarner ein miniaturisiertes Feldstärkemessgerätes ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Sensoranordnung mit einer Mehrzahl mikromechanischer Strukturen vorgesehen, wobei die Haupterstreckungsebenen der Substrate der Mehrzahl an mikromechanischen Strukturen parallel zueinander und/oder senkrecht zueinander zur ortsaufgelösten Messung und/oder zeitaufgelösten Messung des elektrischen Feldes angeordnet sind oder wobei die Sensoranordnung zur berührungslosen Detektion einer Bewegung eines elektrostatisch geladenen Objekts, insbesondere einer Hand eines Benutzers und/oder zur Detektion eines von einem Gerät erzeugten elektrischen Feldes mit einer ortsabhängigen Struktur konfiguriert ist. Hierdurch ist es besonders vorteilhaft möglich, eine zeitaufgelöste und/oder ortsaufgelöste Messung des elektrischen Feldes vorzunehmen. Weiterhin ist vorstellbar mittels dieser Anordnung ein von einem Gerät erzeugtes elektrisches Feld, welches eine definierte Ortsabhängigkeit aufweist, ortsaufgelöst zu vermessen. Dadurch ist besonders vorteilhaft eine Anwendungsmöglichkeit der Sensoranordnung in der Nahbereichskommunikation, auch als Near Field Communication oder NFC bezeichnet vorgesehen, beispielsweise zum Auslesen von elektrostatisch geladenen Buchstaben, insbesondere von Blindenschrift.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
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1a bis 1c eine schematische Draufsicht gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 eine schematische Seitenansicht gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3 ein schematisches Schaltbild einer Auswerteinrichtung und
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4 eine schematische Draufsicht einer Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung und
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5 eine schematische Draufsicht gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1a bis 1c ist eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die mikromechanische Struktur 1, auch als Sensor 1 oder oberflächen-mikro-mechanische (OMM) Feldmühle 1 bezeichnet, ist zur Messung der elektrischen Feldstärke und/oder Polarität, insbesondere einer Komponente, eines äußeren auf die mikromechanische Struktur 1 einwirkenden elektrischen Feldes in eine senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene 100 verlaufende Projektionsrichtung 201 konfiguriert. Das Substrat 40 der OMM-Feldmühle 1 wird dabei beispielsweise aus Silizium 42 hergestellt. Die OMM Feldmühle 1 weist eine erste Elektrodenebene 200‘ mit einer ersten Elektrode 10 und einer weiteren ersten Elektrode 10‘ auf, sowie eine zweite Elektrodenebene 200‘‘ mit einer zweiten Elektrode 20 auf. Die erste Elektrode 10 und die weitere erste Elektrode 10‘ der ersten Elektrodenebene 200‘ sind fest auf einer Isolationsschicht 41 des Substrats 40 aufgebracht, insbesondere einer Oxidschicht 41. Die erste Elektrode 10 der ersten Elektrodenebene 200‘ weist bevorzugt eine Mehrzahl von ersten Teilelektroden 11 und die zweite Elektrode 10‘ die Mehrzahl von weiteren ersten Teilelektroden 11‘ auf, wobei jeweils die ersten Teilelektroden 11 leitfähig miteinander verbunden sind, und die weiteren ersten Teilelektroden 11‘ leitfähig miteinander verbunden sind. Weiterhin umfasst die erste Elektrode 10 eine Kontaktstelle 12 und eine Leiterbahnanordnung 13 zur Herstellung der leitfähigen Verbindung zwischen den ersten Teilelektroden 11, welche insbesondere auf einer Isolationsschicht 41 des Substrats 40 angeordnet ist. Die weitere erste Elektrode umfasst ebenfalls eine weitere Kontaktstelle 12‘ und eine weitere Leiterbahnanordnung 13‘ zur Herstellung der leitfähigen Verbindung zwischen den weiteren ersten Teilelektroden 11‘ auf der Isolationsschicht 41 des Substrats 40. Die zweite Elektrodenebene 200‘‘ ist in Projektionsrichtung 201 über der ersten Elektrodenebene 200‘ angeordnet. Die mikromechanische Struktur weist an zwei Enden der beweglichen Masse jeweils eine Antriebsanordnung 30, 30‘ auf, welche beispielsweise als Kammantrieb oder piezo-elektrischer Antrieb ausgebildet ist, und womit die zweite Elektrode 20 mit einer Schwingungsfrequenz, insbesondere der Resonanzfrequenz der Antriebsanordnung 30, 30‘, zu einer Relativbewegung ausgelenkt wird. Die mikromechanische Struktur 1 umfasst eine Antriebsanordnung 30 mit einem Antriebsmittel 31 und einer an einem mit dem Substrat 40 fest verbundenen Anker 33 angeordneten elastischen Feder 32, sowie eine weitere Antriebsanordnung 30‘ mit einem weiteren Antriebsmittel 31‘ und einer an einem mit dem Substrat 40 fest verbundenen weiteren Anker 33‘ weiteren Feder 32‘ auf. Zwischen der Feder 32 und der weiteren Feder 32‘ ist eine bewegliche zweite Elektrode 20, welche auch als bewegliche Masse 20 bezeichnet wird, in der zweiten Elektrodenebene 200‘‘ aufgehängt, wobei die bewegliche Masse 20 oder zweite Elektrode 20 die Mehrzahl an leitfähig miteinander verbundenen zweiten Teilelektroden 21 umfasst. Die ersten Teilelektroden 11, die weiteren ersten Teilelektroden 11‘ und die zweiten Teilelektroden 21 weisen eine Haupterstreckungsrichtung 102 auf, sind allesamt zueinander parallel angeordnet und werden auch als erste Stege 11, weitere erste Stege 11 bzw. zweite Stege 21 bezeichnet. Die zweite Elektrode weist ein Massepotential 22, insbesondere mittels einer leitfähigen Verbindung zu einem ein Massepotential 22 aufweisenden äußeren Masse (nicht dargestellt), beispielsweise einem leitenden Teil eines Gehäuses, auf. Sowohl die Breite der zweiten Stege 21 der zweiten Elektrode 20 und der Abstände zwischen den zweiten Stegen 21, als auch die Breite der ersten Stege 11 der ersten Elektrode 11 und der Abstände zwischen den ersten Stegen 11 sind derart dimensioniert, dass bei einer Auslenkung der zweiten Elektrode 20 in eine Überlappstellung die zweiten Stege 21 der zweiten Elektrode 20 und die ersten Stege 11 der ersten Elektrode 10 in Projektionsrichtung 201 übereinander angeordnet sind. Weiterhin sind sowohl die Breite der zweiten Stege 21 der zweiten Elektrode 20 und der Abstände zwischen den zweiten Stegen 21, als auch die Breite der weiteren ersten Stege 11‘ der weiteren ersten Elektrode 11‘ und der Abstände zwischen den weiteren ersten Stegen 11‘ derart dimensioniert, dass bei einer Auslenkung der zweiten Elektrode 20 in eine weitere Überlappstellung die zweiten Stege 21 der zweiten Elektrode 20 und die weiteren ersten Stege 11‘ der weiteren ersten Elektrode 10‘ in Projektionsrichtung 201 übereinander angeordnet sind. In der Überlappstellung sind die weiteren ersten Stege 11‘ in Projektionsrichtung 201 neben den zweiten Stegen 21 und in der weiteren Überlappstellung sind die ersten Stege 11 in Projektionsrichtung 201 neben den zweiten Stegen 21 angeordnet.
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Die Antriebsanordnung bewirkt eine Relativbewegung der zweiten Elektrode 20 zwischen der Überlappstellung und der weiteren Überlappstellung, wobei die Relativbewegung eine Translationsbewegung in eine zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 40 parallele und zur Haupterstreckungsrichtung der ersten Stege 11, weiteren ersten Stege 11‘ und zweiten Stege 21 senkrechte Antriebsrichtung 101 ist. Das zu detektierende externe elektrische Feld, beispielsweise das von einem Gewitter oder durch Aufladungen von Gegenständen hervorgerufene elektrostatische Feld, influenziert elektrische Ladungen in der weiteren ersten Elektrode 10‘ während der Überlappstellung, wobei die erste Elektrode 10 von der zweiten Elektrode 21 abgeschirmt wird, und in der ersten Elektrode 10 während der weiteren Überlappstellung, wobei die weitere ersten Elektrode 10‘ von der zweiten Elektrode 21 abgeschirmt wird. Die Abschirmung durch die zweite Elektrode 20 vom elektrischen Feld wird durch die auf Massepotential gehaltenen zweiten Stege 21 der in Projektionsrichtung 201 unterhalb der zweiten Stege 21 angeordneten ersten Stege 11 bzw. weiteren ersten Stege 11‘ bewirkt.
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In 1a ist eine schematische Draufsicht der ersten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur 1 in der Überlappstellung dargestellt, wobei die zweiten Stege 21 der zweiten Elektrode 20 in Projektionsrichtung und die ersten Stege 11 der ersten Elektrode 10 in Projektionsrichtung 201 übereinander angeordnet sind. Die das Massepotential 22 aufweisenden zweiten Stege 21 der zweiten Elektrode 20 schirmen in dieser Anordnung das externe elektrostatische Feld gegenüber den ersten Stegen 11 der ersten Elektrode ab. In der dargestellten Draufsicht sind die ersten Stege 11 der ersten Elektrode 10 entgegen der Projektionsrichtung 201 unterhalb der zweiten Elektrode 20 angeordnet, wobei der Überlappbereich 15 durch gepunktete Umrisslinien der ersten Stege 11 dargestellt ist. Die in dieser Darstellung nicht verdeckten zwischen den beabstandeten zweiten Stege 21 der zweiten Elektrode 20 freiliegenden weiteren ersten Stege 11‘ der weiteren ersten Elektrode 10‘ sind mit durchgezogenen Umrisslinien, insbesondere in schwarzer Farbe, dargestellt und werden nicht gegenüber dem externen elektrischen Feld abgeschirmt, wobei der freiliegende Bereich in dieser Darstellung als weiterer Influenzbereich 14‘ bezeichnet wird. Dadurch werden in der Überlappstellungen elektrische Ladungen auf der weiteren ersten Elektrode 10‘ influenziert, wobei ein weiteres erstes Spannungssignal erzeugt wird, welches mittels einer mit der weiteren ersten Kontaktstelle 12‘ der weiteren ersten Elektrode leitfähig verbundenen Auswerteinrichtung 50 weiterverarbeitet wird. Durch die Antriebsanordnung 30 und die weitere Antriebsanordnung 30‘ wird die zweite Elektrode 20 gegenüber der ersten Elektrode 10 und der weiteren ersten Elektrode 10‘ in einer zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen und zur Haupterstreckungsrichtung 102 der ersten Stege 11, weiteren ersten Stege 11‘ und zweiten Stege 21 senkrechte Antriebsrichtung 101, insbesondere periodisch zwischen der Überlappstellung und der weiteren Überlappstellung bewegt.
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In 1b ist eine schematische Draufsicht der ersten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur 1 in einer Stellung zwischen der Überlappstellung und der weiteren Überlappstellung dargestellt, wobei in der Stellung sowohl die ersten Stege 11 der ersten Elektrode 10, als auch die weiteren ersten Stege 11‘ der weiteren ersten Elektrode 10‘ zumindest teilweise von den zweiten Stegen 21 der zweiten Elektrode 20 in Draufsicht auf die Haupterstreckungsebene 100 parallel zur Projektionsrichtung 201 verdeckt werden. Die ersten Stege 11 der ersten Elektrode 10 weisen dabei einen freiliegenden, nicht gegenüber dem externen elektrischen Feld abgeschirmten, mit durchgezogenen Umrisslinien dargestellten Influenzbereich 14 und einen mit gepunkteten Umrisslinien dargestellten Überlappbereich 15 auf. Entsprechend ist in 1b der weitere Influenzbereich 14‘ und ein weiterer Überlappbereich 15‘ der weiteren ersten Stege 11‘ der weiteren ersten Elektrode 10‘ dargestellt. In der Stellung zwischen der Überlappstellung und der weiteren Überlappstellung sind sowohl die erste Elektrode 10, als auch die weitere erste Elektrode 10‘ durch die das Massepotential 22 aufweisende zweite Elektrode 20 nur teilweise gegenüber dem externen elektrischen Feld abgeschirmt, sodass im Influenzbereich 14 der ersten Elektrode 10 und im Influenzbereich 14‘ der weiteren ersten Elektrode 10‘ Ladungen influenziert werden. An der ersten Kontaktstelle 12 wird ein erstes Spannungssignal abgegriffen, und an der weiteren ersten Kontaktstelle 12‘ wird ein weiteres erstes Spannungssignal abgegriffen und von der Auswerteeinrichtung 50 weiterverarbeitet. In der Stellung zwischen Überlappstellung und der weiteren Überlappstellung weist das weitere erste Spannungssignal auf Grund der geringeren Anzahl influenzierter Ladung auf Grund der teilweisen Abschirmung durch die zweite Elektrode 20 einen betragsmäßig niedrigeren Spannungswert auf als in der Überlappstellung gemäß 1a.
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In 1c ist eine schematische Draufsicht der ersten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur 1 in der weiteren Überlappstellung dargestellt, wobei die zweiten Stege 21 der zweiten Elektroden 20 alle weiteren ersten Stege 11‘ der weiteren ersten Elektrode 10‘ gegenüber dem externen elektrischen Feld abschirmend angeordnet sind und alle ersten Stege 11 der ersten Elektrode 10 den Influenzbereich 14 aufweisen und gegenüber dem externen elektrischen Feld nicht abgeschirmt sind.
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In 2 ist eine schematische Seitenansicht der ersten Ausführungsform der mikromechanischen Struktur 1 in der Überlappstellung gemäß 1a dargestellt, wobei die zweiten Stege 21 der zweiten Elektrode 20 die ersten Stege 11 der ersten Elektrode abschirmen. In der Überlappstellung sind die in einer zweiten Elektrodenebene 200‘‘ angeordneten zweiten Stege 21 in Projektionsrichtung 201 oberhalb der in einer ersten Elektrodenebene 100‘‘ angeordneten ersten Stegen 11 ausgerichtet. Das Substrat 40 weist eine Isolierschicht 41, insbesondere ein Oxidschicht, und eine Siliziumschicht 42 auf. Mit dem Substrat 40 ist der Anker 33 der Antriebsanordnung und der weitere Anker 33‘ der weiteren Antriebsanordnung fest verbunden, sodass mittels der Feder 32 und der weiteren Feder 32‘ eine, insbesondere periodische, Bewegung der zweiten Stege 21 der zweiten Elektrode 20 in Antriebsrichtung 101 bewirkt wird.
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Gemäß einer nicht dargestellten weiteren ersten Ausführungsform weist die mikromechanische Struktur 1 eine Mehrzahl an als Kreissegmente ausgebildete erste Teilelektroden, die Mehrzahl an als Kreissegmente ausgebildete weitere erste Teilelektroden und die Mehrzahl an als Kreissegmente ausgebildete zweite Teilelektroden auf, wobei jeweils die Teilelektroden einer Elektrode miteinander leitfähig verbunden sind und alle Kreissegmente kongruent sind. Die als Kreissegmente ausgebildeten zweiten Teilelektroden werden auch als Flügel bezeichnet. Die zweite Elektrode der zweiten Elektrodenebene 200‘‘ umfasst ein Flügelrad mit der Mehrzahl an Flügeln, welche leitfähig miteinander verbunden sind und auf Massepotential liegen. Das Flügelrad ist um einen Mittelpunkt drehbar auf dem Substrat 40 verankert und wird über eine Antriebsanordnung 30, 30‘ mit einer definierten Schwingungsfrequenz zu einer, insbesondere periodischen, Rotationsbewegung angetrieben.
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Gemäß einer nicht dargestellten weiteren zweiten Ausführungsform umfasst die mikromechanische Struktur 1 genau eine erste Elektrode 10 in der ersten Ebene, die durch Auslenkung genau einer beweglichen zweiten Elektrode 20 dem externen elektrischen Feld entweder ausgesetzt wird oder gegenüber dem externen elektrischen Feld abgeschirmt wird.
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In 3 ist schematisches Schaltbild einer Auswerteinrichtung 50 einer mikromechanischen Struktur 1 dargestellt. Die Auswerteinrichtung 2, auch als Auswertschaltung 2 bezeichnet, weist bevorzugt einen, insbesondere volldifferentiellen, Ladungsverstärker 50 mit einem ersten Eingang 51, welcher mit der ersten Kontaktstelle 12 der ersten Elektrode 10 leitfähig verbunden ist und einen zweiten Eingang 51‘, welcher mit der weiteren ersten Kontaktstelle 12‘ der weiteren ersten Elektrode 10‘ leitfähig verbunden ist, sowie einen Kondensator 52 und einen weiteren Kondensator 53 auf. Der Ladungsverstärker ist dabei zur Verstärkung des von den auf der ersten Elektrode 10 influenzierten Ladungen hervorgerufenen ersten Spannungssignals und des auf der weiteren ersten Elektrode 10‘ von den influenzierten Ladungen hervorgerufenen weiteren ersten Spannungssignals konfiguriert. In einem ersten Schritt wird mittels Differenzbildung ein volldifferentielles Ausgangssignal aus dem ersten Spannungssignal und dem weiteren ersten Spannungssignal von dem Ladungsverstärker erzeugt, die zweite Elektrode 20 das für den Betrieb der Auswertschaltung erforderliche Bezugsmassepotential aufweist. Das Ausgangssignal des Ladungsverstärkers 50 ist ein Spannungssignal mit einer Frequenz gleich der Schwingfrequenz der beweglichen zweiten Elektrode 20. Das Ausgangssignal wird im weiteren Verlauf einer Signalverarbeitung, beispielsweise durch einen Analog-Digital Wandler digitalisiert und weiter aufbereitet, beispielsweise kalibriert. Die Auswerteinrichtung erzeugt aus dem ersten Spannungssignal der ersten Elektrode 10 und dem weiteren ersten Spannungssignal der weiteren ersten Elektrode 10‘ der mikromechanischen Struktur 1 ein Ausgangssignal für externe elektrische Felder mit einer Feldstärke im Bereich von 0,1 bis 20 kV/m, wobei das Ausgangssignal Informationen über die Feldstärke, die Polarität und zeitliche Abhängigkeit des externen elektrischen Feldes umfasst. Die Auswertung erfolgt besonders bevorzugt mittels eines Software-Algorithmus, welcher für mobile Anwendungselektronik programmiert wird, wobei der Software-Algorithmus im Freien bei Annäherung eines Gewitters den Polaritätswechsel des elektrischen Feldes der Atmosphäre überwacht, und/oder bei einem Anstieg der Feldstärke des elektrischen Felds in Abhängigkeit des detektierten Feldstärke eine Warnung generiert, wobei die Warnung Warnstufen umfasst, beispielsweise drei Warnstufen, wobei eine niedrigste Warnstufe bei einer gemessenen Feldstärke größer als 1 kV/m aktiviert wird, wobei eine mittlere Warnstufe bei einer gemessenen Feldstärke größer als 5 kV/m aktiviert wird, wobei die höchste Warnstufe bei einer gemessenen Feldstärke größer als 20 kV/m aktiviert wird. Weiterhin ist der Software-Algorithmus zur Generierung von Warnungen bei elektrostatischen Aufladungen im Innenraum, beispielsweise einer Wohnung, und von Warnung vor Entladungen, beispielsweise Teppichbodenaufladung beim Laufen oder beim Einkleiden, konfiguriert. Weiterhin ist besonders bevorzugt die Auswerteschaltung 2 zur Filterung in Elektrogeräten verwendeter Frequenzen konfiguriert, beispielsweise um eine Blitzgefahr von technischen Hochspannungsfeldern zu unterscheiden.
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In 4 ist eine schematische Draufsicht einer Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Sensoranordnung weist eine Anordnung der mikromechanischen Struktur 1 in einer 3×3 Matrix auf. Die Haupterstreckungsebenen 100 der Substrate 40 der in der 3×3 Matrix angeordneten mikromechanischen Strukturen 1 innerhalb der Sensoranordnung liegen allesamt parallel zueinander. Hierdurch ist es besonders vorteilhaft möglich, eine ortsaufgelöste Messung des elektrischen Feldes vorzunehmen. Beispielsweise kann die Bewegung eines vorbeibewegten, insbesondere elektrostatisch geladenen, Objekts, insbesondere eine Hand eines Benutzers, detektiert werden. Besonders bevorzugt wird durch diese Anordnung die Bewegungsrichtung des vorbeibewegten Objekts mittels einer zusätzlich zur ortsaufgelösten zudem auch zeitaufgelösten Messung des elektrischen Feldes detektiert. Weiterhin ist vorstellbar mittels dieser Anordnung ein von einem Gerät erzeugtes elektrisches Feld, welches eine definierte Ortsabhängigkeit aufweist, ortsaufgelöst zu vermessen. Beispielsweise ist das eine definierte Ortsabhängigkeit aufweisende elektrische Feld ein, insbesondere von einer Antennenanordnung des Geräts, erzeugter zweidimensionaler Barcode aus elektrischen Feldern. Dadurch ist besonders vorteilhaft eine Anwendungsmöglichkeit der Sensoranordnung in der Nahbereichskommunikation, auch als Near Field Communication oder NFC bezeichnet vorgesehen, beispielsweise zum Auslesen von elektrostatisch geladenen Buchstaben, insbesondere von Blindenschrift.
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In 5 ist eine schematische Draufsicht einer mikromechanischen Struktur 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die mikromechanische Struktur insbesondere ein mikromechanisches Elektrofeldmeter als Gewitterwarner ist. Die in 5 dargestellte zweite Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der in 1 dargestellten beispielhaften ersten Ausführungsform, wobei die zweite Ausführungsform sich von der ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die mikromechanische Struktur 1 vier erste Elektroden 10 und vier weitere erste Elektroden 10‘ aufweist, wobei insbesondere sowohl die vier ersten Elektroden 10, als auch die vier weiteren ersten Elektroden 10‘ elektrisch isoliert voneinander, und insbesondere in der ersten Elektrodenebene 200‘ angeordnet sind.
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Bevorzugt bildet jeweils eine erste Elektrode 10 der vier Elektroden 10 und eine weitere erste Elektrode 10‘ der vier weiteren Elektroden 10‘ jeweils eine Einheit 10, 10‘, wobei insbesondere insgesamt vier solcher Einheiten 10, 10‘ parallel zur Haupterstreckungsebene in der ersten Elektrodenebene 200‘ derart angeordnet sind, dass in Antriebsrichtung 101 jeweils zwei Einheiten 10, 10‘ hintereinander angeordnet sind. Weiterhin sind die vier Einheiten 10, 10‘ in der ersten Elektrodenebene 200‘ insbesondere derart angeordnet, dass jeweils zwei Einheiten 10, 10‘ in sowohl zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 40 parallele, als auch zur Antriebsrichtung 101 senkrechte Richtung hintereinander angeordnet sind. Diese Anordnung ist insbesondere mit einer schachmusterartigen Anordnung der vier Einheiten 10, 10‘ vergleichbar.
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Jede einzelne Einheit 10, 10‘ der vier Einheiten ist dabei insbesondere entsprechend der ersten Ausführungsform ausgebildet, wobei von der Antriebsanordnung 30, und insbesondere von der weiteren Antriebsanordnung 30‘, eine Relativbewegung der zweiten Elektrode 20 in Antriebsrichtung 101 gegenüber der ersten Elektrode 10 und gegenüber der weiteren ersten Elektrode 10‘ zwischen einer Überlappstellung und einer weiteren Überlappstellung bewirkt wird. In der Überlappstellung sind die erste Elektrode 10 und die zweite Elektrode 20 in der Überlappstellung in die senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 40 verlaufende Projektionsrichtung 201 übereinander angeordnet. In der weiteren Überlappstellung sind die weitere erste Elektrode 10’ und die zweite Elektrode 20 in Projektionsrichtung 201 übereinander angeordnet. Die zweite Elektrode 20 weist ein definiertes Potential 22 zur Abschirmung der ersten Elektrode 10 gegenüber dem elektrischen Feld in der Überlappstellung, und insbesondere in der weiteren Überlappstellung, auf.
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Besonders bevorzugt ist die mikromechanische Struktur 1 mit den vier Einheiten 10, 10‘, welche jeweils auch als Detektionseinheiten 10, 10‘ bezeichnet werden, gemäß der zweiten Ausführungsform zur positionsaufgelöste und/oder zweitaufgelösten Messung von durch einem externen elektrischen Feld influenzierten Ladungen konfiguriert. Insbesondere ist die zweite Ausführungsform eine Realisierung der in 4 dargestellten Sensoranordnung mit vier statt neun Detektionseinheiten bzw. Sensoren in einer einzigen mikromechanischen Struktur 1.
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Die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur ist durch mikroskopische Untersuchung an der mikromechanischen Struktur feststellbar.
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Die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur kann zur Detektion aller elektrischen Felder, insbesondere der Erdatmosphäre, eingesetzt werden. Besonders eignet sich die erfindungsgemäße Struktur für tragbare Gegenstände oder als Sensor für Bosch Sensortec Produkte, sowie insbesondere als KFZ Anwendungen als Gewitterwarner. Weiterhin sind Apps vorgesehen, welche auf die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur in einem Mobiltelefon oder Smartphone zurückgreifen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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