DE102016125722A1 - 3-Achs Winkelbeschleunigungsmesser - Google Patents

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    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction

Abstract

Es werden sowohl Winkelbeschleunigungsmesser als auch Systeme, die derartige Beschleunigungsmesser verwenden, beschrieben. Die Winkelbeschleunigungsmesser können eine Prüfmasse und Drehbeschleunigungs-Detektionsbalken, die zu der Mitte der Prüfmasse gerichtet sind, enthalten. Die Winkelbeschleunigungsmesser können Abtastfähigkeiten für die Winkelbeschleunigung um drei orthogonale Achsen enthalten. Die Abtastbereiche für die Winkelbeschleunigung um eine der drei Achsen können radial näher an der Mitte der Prüfmasse als die Abtastbereiche für die Winkelbeschleunigung um die anderen beiden Achsen positioniert sein. Die Prüfmasse kann durch einen oder mehrere Anker mit dem Substrat verbunden sein.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität gemäß 35 USC. § 119(e) der provisorischen US-Patentanmeldung, laufende Nr. 62/276.217, mit dem Titel "3-AXIS ANGULAR ACCELEROMETER", eingereicht am 7. Januar 2016, gemäß dem Aktenzeichen des Bevollmächtigten G0766.70071US00, die hierdurch in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hier aufgenommen ist. Diese Anmeldung beansprucht die Priorität gemäß 35 USC. § 119(e) der provisorischen US-Patentanmeldung, laufende Nr. 62/330.788, mit dem Titel "3-AXIS ANGULAR ACCELEROMETER", eingereicht am 2. Mai 2016, gemäß dem Aktenzeichen des Bevollmächtigten G0766.70071US01, die hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • GEBIET DER OFFENBARUNG
  • Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf Winkelbeschleunigungsmesser mikroelektromechanischer Systeme (MEMS).
  • HINTERGRUND
  • MEMS-Winkelbeschleunigungsmesser sind konfiguriert, Winkelbeschleunigungen einer Prüfmasse um eine oder mehrere Achsen zu detektieren. Die Prüfmasse ist typischerweise über dem Substrat aufgehängt. In einigen MEMS-Winkelbeschleunigungsmessern wird die Detektion der Winkelbeschleunigung unter Verwendung eines oder mehrerer kapazitiver Sensoren erreicht.
  • KURZDARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
  • Es werden sowohl Winkelbeschleunigungsmesser als auch Systeme, die derartige Beschleunigungsmesser verwenden, beschrieben. Die Winkelbeschleunigungsmesser enthalten eine Prüfmasse und Drehbeschleunigungs-Detektionsbalken, die zur Mitte der Prüfmasse gerichtet sind. Die Winkelbeschleunigungsmesser können Abtastfähigkeiten für die Winkelbeschleunigung um drei orthogonale Achsen enthalten. Die Abtastbereiche für die Winkelbeschleunigung um eine der drei Achsen können radial näher an der Mitte der Prüfmasse als die Abtastbereiche für die Winkelbeschleunigung um die anderen beiden Achsen positioniert sein. Die Prüfmasse kann durch einen oder mehrere Anker mit dem Substrat verbunden sein.
  • In bestimmten Ausführungsformen wird ein Winkelbeschleunigungsmesser bereitgestellt, der ein Substrat und eine Prüfmasse umfasst. Die Prüfmasse weist einen äußeren Umfang, eine Mitte, die innerhalb des äußeren Umfangs eingeschlossen ist, und mehrere Balken auf, wobei wenigstens einer der mehreren Balken ein festes Ende unmittelbar an dem Umfang und ein freies Ende unmittelbar an der Mitte umfasst. Der Winkelbeschleunigungsmesser umfasst ferner einen oder mehrere Anker, die die Prüfmasse mit dem Substrat verbinden, und wenigstens eine feste Elektrode, die mit dem Substrat verbunden ist und sich dem wenigstens einem der mehreren Balken benachbart befindet, wobei die wenigstens eine feste Elektrode konfiguriert ist, einen Detektionskondensator mit dem wenigstens einen der mehreren Balken zu bilden.
  • In bestimmten Ausführungsformen wird eine Vorrichtung zur Winkelbeschleunigungsdetektion bereitgestellt, die eine Prüfmasse umfasst, die einen Außenrand, der einen ersten Bereich begrenzt, einen Innenrand, der innerhalb des ersten Bereichs angeordnet ist und einen zweiten Bereich, der kleiner als der erste Bereich ist, begrenzt, und eine Mitte, die innerhalb des zweiten Bereichs angeordnet ist, aufweist. Die Prüfmasse umfasst ferner mehrere Balken, die am Innenrand der Prüfmasse befestigt sind und sich zur Mitte der Prüfmasse erstrecken.
  • In bestimmten Ausführungsformen wird ein Winkelbeschleunigungsmesser bereitgestellt, der eine Prüfmasse, die einen äußeren Umfang und eine Mitte aufweist, und mehrere Balken mit freiem Ende, die jeweilige feste Enden unmittelbar an dem Umfang und jeweilige freie Enden unmittelbar an der Mitte aufweisen, umfasst.
  • In bestimmten Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Abtasten einer Winkelbeschleunigung bereitgestellt, das das Abtasten der Winkelbeschleunigung einer Prüfmasse um eine Drehachse durch das Detektieren der Bewegung mehrerer Balken mit freiem Ende, die jeweilige feste Enden unmittelbar an einem Umfang der Prüfmasse und jeweilige freie Enden unmittelbar an einer Mitte der Prüfmasse aufweisen, umfasst.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Es werden verschiedene Aspekte und Ausführungsformen der Anmeldung bezüglich der folgenden Figuren beschrieben. Es sollte erkannt werden, dass die Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet sind. Die Elemente, die in mehreren Figuren erscheinen, sind in allen Figuren, in denen sie erscheinen, durch die gleichen Bezugszeichen angegeben.
  • 1 veranschaulicht schematisch eine Prüfmasse eines Winkelbeschleunigungsmessers, wobei die Prüfmasse konfiguriert sein kann, Bewegungen um die x-Achse, die y-Achse und/oder die z-Achse zu detektieren, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
  • 2A ist eine Draufsicht einer Prüfmasse eines Winkelbeschleunigungsmessers, wobei die Prüfmasse mehrere Balken umfasst, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
  • 2B ist eine Draufsicht einer Prüfmasse eines weiteren Winkelbeschleunigungsmessers gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
  • 3 ist eine Draufsicht eines z-Abtastelements, das einen Balken umfasst, der ein Ende aufweist, das an einem Innenrand einer Prüfmasse befestigt ist, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
  • 4 veranschaulicht ein Beispiel von zwei Differenzsignalen, die durch ein z-Abtastelement erzeugt werden, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
  • 5A ist die Seitenansicht einer yz-Ebene eines Winkelbeschleunigungsmessers, der eine Prüfmasse, einen Verankerungspfosten und x-Abtastelektroden umfasst, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
  • 5B ist die Seitenansicht einer xz-Ebene eines Winkelbeschleunigungsmessers, der eine Prüfmasse, einen Verankerungspfosten und y-Abtastelektroden umfasst, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
  • 5C ist eine Draufsicht eines Winkelbeschleunigungsmessers, der x-Abtastelektroden, y-Abtastelektroden und z-Abtastelektroden umfasst, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
  • 5D ist eine Draufsicht, die einen Abschnitt eines Winkelbeschleunigungsmessers veranschaulicht, der mehrere Verankerungspfosten aufweist, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen.
  • 6A ist eine die Halteseile ausführlicher veranschaulichende Draufsicht der Prüfmasse eines Winkelbeschleunigungsmessers gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
  • 6B ist eine Draufsicht eines Abschnitts eines Winkelbeschleunigungsmessers, der ein symmetrisches Halteseil aufweist, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
  • 7A ist eine Draufsicht, die einen Bewegungsstopper, der entlang einem Außenrand einer Prüfmasse angeordnet ist, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung veranschaulicht.
  • 7B ist eine Draufsicht, die einen Bewegungsstopper, der in der Nähe der Mitte einer Prüfmasse angeordnet ist, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung veranschaulicht.
  • 8 ist eine Draufsicht eines Winkelbeschleunigungsmessers, der eine Prüfmasse und mehrere Abdeckstopper umfasst, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
  • 9 ist eine Seitenansicht eines Winkelbeschleunigungsmessers, der eine Prüfmasse umfasst, die mehrere Erhebungen, die auf der Unterseite der Prüfmasse angeordnet sind, und mehrere Erhebungen, die auf der Oberseite der Prüfmasse angeordnet sind, aufweist, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
  • 10A–10D veranschaulichen in Blockschaltplanform verschiedene Systeme, die einen Winkelbeschleunigungsmesser der hier beschriebenen Typen enthalten.
  • 11 veranschaulicht einen Blockschaltplan einer beispielhaften Implementierung einer Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle (E/A-Schnittstelle), wie sie in den Systemen nach den 10A–10D implementiert sein kann.
  • 12 veranschaulicht in Blockschaltplanform eine Leistungseinheit des Typs, der in den Systemen nach den 10A–10D verwendet werden kann, einschließlich einer Energieerntevorrichtung, einer wiederaufladbaren Leistungsvorrichtung und eines Energiespeichersystems.
  • 13A–13B veranschaulichten Photovoltaik-Energieerntevorrichtungen eines Typs, der in der Leistungseinheit nach 12 verwendet werden kann.
  • 14 veranschaulicht eine Schwingungsenergieerntevorrichtung des Typs, der in der Leistungseinheit nach 12 verwendet werden kann.
  • 15A veranschaulicht eine elektrische Überlastungs-Energieerntevorrichtung eines Typs, der in der Leistungseinheit nach 12 verwendet werden kann.
  • 15B veranschaulicht eine Vorrichtung zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen eines Typs, der in der elektrischen Überlastungs-Energieerntevorrichtung nach 15A verwendet werden kann.
  • 16 veranschaulicht ein integriertes System, das einen oder mehrere Winkelbeschleunigungsmesser der Typen, die hier beschrieben sind, und eine oder mehrere Photovoltaik-Erntevorrichtungen umfasst.
  • 17 veranschaulicht einen Querschnitt einer beispielhaften wafer-bedeckten wiederaufladbaren Leistungsquelle, die in der Leistungseinheit nach 12 verwendet werden kann.
  • 18 veranschaulicht einen Superkondensator, der in der Leistungseinheit nach 12, die mit einer MEMS-Vorrichtung, wie z. B. einem Winkelbeschleunigungsmesser der hier beschriebenen Typen, integriert ist, verwendet werden kann.
  • 19 veranschaulicht einen Superkondensator eines Typs, der in der Leistungseinheit nach 12 verwendet werden kann.
  • 20A veranschaulicht einen Querschnitt eines kombinierten Superkondensators und einer Batterievorrichtung, die in einer Leistungseinheit, wie z. B. der nach 12, verwendet werden können, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
  • 20B veranschaulicht ein Schaltungsschema eines kombinierten Superkondensators und einer Batterievorrichtung.
  • 21A ist eine perspektivische Ansicht einer zusammengebauten Vorrichtungsbaugruppe, die ein flexibles Substrat mit einer Anzahl von Komponenten, wie z. B. den Komponenten der Systeme nach den 10A–10D, auf ihm aufweist.
  • 21B ist eine Seitenansicht der Vorrichtungsbaugruppe nach 21A.
  • 22 veranschaulicht einen Katheder, der eine Vorrichtung umfasst, die konfiguriert ist, eine Winkelbeschleunigung zu messen.
  • 23 veranschaulicht einen Tennisspieler, der einen Schläger in einer Hand hält, wobei der Schläger einen Sensor umfasst, der konfiguriert ist, eine Winkelbeschleunigung zu messen.
  • 24 ist eine Seitenansicht eines mikrofluidischen Kanals, der konfiguriert ist, die Viskosität eines Fluids unter Verwendung eines Winkelbeschleunigungsmessers abzutasten.
  • 25 ist eine Vorderansicht des Kopfs einer Person, wobei die Person Hörhilfevorrichtungen trägt, die konfiguriert sind, eine Winkelbeschleunigung abzutasten.
  • 26 veranschaulicht einen Patienten, der in einem Bett liegt und ein Paar von Ernährungssonden, die durch die Nase hindurchgehen, aufweist.
  • 27 ist eine Seitenansicht eines Zugs, der mehrere Sensoren aufweist, die konfiguriert sind, eine Schwankungsbewegung abzutasten.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Es sind Beschleunigungsmesser, die eine Winkelbeschleunigung um bis zu drei orthogonale Achsen detektieren, beschrieben. Der Beschleunigungsmesser kann eine einzige Prüfmasse aufweisen, die manchmal wie eine Scheibe geformt ist, die über einem Substrat aufgehängt ist, wobei die Prüfmasse separate Abtastelemente zum Abtasten der Beschleunigung um die drei Achsen aufweist. Die separaten Abtastelemente können in verschiedenen Abständen von der Mitte der Prüfmasse angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen sind die Abtastelemente für zwei der drei Achsen im gleichen Abstand wie voneinander von der Mitte der Prüfmasse angeordnet, wobei die Abtastelemente für die dritte Achse näher an der Mitte der Prüfmasse angeordnet sind. Wenn die Prüfmasse im Wesentlichen eben ist, können die Abtastelemente, die die Winkelbeschleunigung um die Achse, die zu der Ebene senkrecht ist, detektieren, aufgehängte Strukturen sein, die ein Ende, das an einem Innenrand der Prüfmasse befestigt ist, und ein weiteres, freies Ende näher an der Mitte der Prüfmasse als das feste Ende aufweisen. Die Achse senkrecht zu der Ebene der Prüfmasse wird im Folgenden als die z-Achse bezeichnet. Die Achsen parallel zu der Ebene der Prüfmasse werden im Folgenden als die x-Achse und die y-Achse bezeichnet.
  • Die Positionierung der Abtastelemente in der beschriebenen Weise kann einen unerwünschten Versatz in dem Beschleunigungsmesser-Ausgangssignal verringern und kann außerdem die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers erhöhen. Eine mechanische Beanspruchung kann unerwünscht einen Versatzfehler im Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers verursachen und kann näher zur Mitte der Prüfmasse größer sein, wenn die Prüfmasse durch einen zentralen Anker aufgehängt ist. Die Positionierung des Abtastelements zum Abtasten der Beschleunigung um die z-Achse in der oben beschriebenen Weise kann vorteilhaft die Auswirkung der mechanischen Beanspruchung auf das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers verringern. Außerdem kann das Positionieren der Abtastelemente für die x- und die y-Achse ferner von der Mitte der Prüfmasse zu einer größeren Bewegung der Elemente in Reaktion auf die Beschleunigung führen und folglich die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers vergrößern.
  • Der Beschleunigungsmesser stellt in wenigstens einigen Ausführungsformen eine hochempfindliche Winkelbeschleunigungsdetektion bei einem leistungsarmen Betrieb bereit. Die Beschleunigungsmesser können differentiell sein und Differenzsignale für eine oder mehrere der drei Achsen, um die die Winkelbeschleunigung detektiert wird, bereitstellen.
  • Die Aspekte der vorliegenden Erfindung stellen Anbindstrukturen zum Anbinden eines äußeren Abschnitts einer Prüfmasse an einem Mittenabschnitt der Prüfmasse bereit. Es können mehrere Halteseile bereitgestellt sein. Eines oder mehrere der Halteseile können eine Serpentinenstruktur aufweisen, die eine Rotationssymmetrie um einen Radius der Prüfmasse zeigt. Zwei oder mehr Halteseile können eine Spiegelsymmetrie um eine Achse der Prüfmasse aufweisen. Derartige Konfigurationen können die Auswirkung von Beanspruchungen verringern und orthogonale Moden unterdrücken.
  • Die Beschleunigungsmesser der hier beschriebenen Typen können in verschiedenen Systemen verwendet werden, um eine Winkelbeschleunigung oder deren Fehlen zu detektieren. Die Vorrichtungen, die den Beschleunigungsmesser enthalten, können in einem Internet der Dinge (IoT-Netz) verwendet werden. Tragbare Vorrichtungen einschließlich Fitnesssensoren und Gesundheitsfürsorge-Überwachungsvorrichtungen, Industrieanlagen und Diagnosewerkzeugen, militärischer Ausrüstung und Gesundheitsfürsorge-Überwachungsgeräten können z. B. Beschleunigungsmesser der hier beschriebenen Typen verwenden.
  • Sowohl die oben beschriebenen Aspekte und Ausführungsformen als auch zusätzliche Aspekte und Ausführungsformen werden im Folgenden weiter beschrieben. Diese Aspekte und/oder Ausführungsformen können einzeln, alle zusammen oder in irgendeiner Kombination aus zwei oder mehr verwendet werden, da die Anmeldung in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt ist.
  • Gemäß den Aspekten der vorliegenden Anmeldung kann ein Winkelbeschleunigungsmesser eine einzige Prüfmasse umfassen, die konfiguriert ist, Bewegungen um drei Achsen zu detektieren. 1 veranschaulicht schematisch eine Prüfmasse 101 eines Winkelbeschleunigungsmessers, wobei die Prüfmasse konfiguriert sein kann, die Bewegungen um die x-Achse, die y-Achse und/oder die z-Achse zu detektieren, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse 101 eine Scheibenform aufweisen. Es kann jedoch irgendeine andere geeignete Form verwendet werden. Die Prüfmasse 101 kann z. B. in einigen Ausführungsformen eine elliptische Form oder in anderen Ausführungsformen eine polygonale Form aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse 101 eine Scheibe umfassen, die einem Radius aufweist, der in einigen Ausführungsformen zwischen 10 µm und 2 mm, in einigen Ausführungsformen zwischen 100 µm und 1 mm, in einigen Ausführungsformen zwischen 500 µm und 1 mm, in einigen Ausführungsformen zwischen 700 µm und 1 mm, in einigen Ausführungsformen zwischen 750 µm und 850 µm, in einigen Ausführungsformen zwischen 900 µm und 1 mm oder zwischen irgendwelchen anderen geeigneten Werten oder Bereichen von Werten liegt.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse über einem Substrat aufgehängt sein und durch einen oder mehrere Verankerungspfosten mit dem Substrat verbunden sein. Der Verankerungspfosten kann (die Verankerungspfosten können) mit der Mitte oder der Nähe der Mitte der Prüfmasse verbunden sein. In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse mit nur einem Verankerungspfosten verbunden sein, der sich mit der Prüfmasse im Wesentlichen in ihrer Mitte in Kontakt befinden kann.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung kann eine Prüfmasse mehrere z-Abtastbalken umfassen, die konfiguriert sind, die Drehung/Bewegung um die z-Achse zu detektieren, und die sich zur Mitte der Prüfmasse erstrecken, um einen durch eine mechanische Beanspruchung verursachten Signalversatz abzuschwächen. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Anmeldung können die x-Abtastelemente und die y-Abtastelemente an Orten positioniert sein, die dem Umfang der Prüfmasse entsprechen, um die Detektionsempfindlichkeit um die x-Achse bzw. die y-Achse zu vergrößern.
  • 2A ist eine Draufsicht einer Prüfmasse 200 eines Winkelbeschleunigungsmessers, wobei die Prüfmasse mehrere z-Abtastbalken umfasst, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung. Die Prüfmasse 200 kann als die Prüfmasse 101 nach 1 dienen. In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse ein leitfähiges Material, wie z. B. Silicium, dotiertes Silicium, Polysilicium oder dotiertes Polysilicium, umfassen. Das Silicium und/oder das Polysilicium kann mit einer Dotierungskonzentration in einigen Ausführungsformen zwischen 1016 cm–3 und 5 × 1020 cm–3, in einigen Ausführungsformen zwischen 1018 cm–3 und 1020 cm–3, in einigen Ausführungsformen zwischen 5 × 1018 cm–3 und 5 × 1019 cm–3 oder zwischen irgendwelchen geeigneten Werten oder Bereichen von Werten n-dotiert und/oder p-dotiert sein. Es sind außerdem andere Werte möglich. In einer Alternative können andere leitfähige Materialien verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse 200 aus einem leitfähigen Material, wie z. B. einem der oben erörterten leitfähigen Materialien, hergestellt sein.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse 200 einen oder mehrere gebogene Balken, wie z. B. die gebogenen Balken 201, 211 und 221, umfassen. Die gebogenen Balken können in einigen Ausführungsformen Ringe bilden. Die gebogenen Balken können in einigen Ausführungsformen konzentrische Ringe bilden. Beispielhaft und nicht zur Einschränkung veranschaulicht 2A eine Prüfmasse 200 mit drei gebogenen Balken. Die Anmeldung ist jedoch in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt, wobei irgendeine andere geeignete Anzahl gebogener Balken größer als null verwendet werden kann. Jeder gebogene Balken kann einen Innenrand und einen Außenrand aufweisen. Jeder Außenrand kann einen Bereich begrenzen, der den jeweiligen Innenrand umfasst. Der gebogene Balken 201 kann z. B. einen Außenrand 202 aufweisen, der einen Bereich begrenzt, der den Innenrand 204 umfasst. Die verschiedenen gebogenen Balken können durch einen oder mehrere Stützbalken, wie z. B. den Stützbalken 215, verbunden sein. Während 2A eine Prüfmasse mit vier Stützbalken veranschaulicht, kann irgendeine andere geeignete Anzahl von Stützbalken verwendet werden. Die Stützbalken können eine rechteckige Form, wie in der Figur veranschaulicht ist, oder irgendeine andere geeignete Form aufweisen.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse 200 einen Mittenabschnitt 230 umfassen. Der Mittenabschnitt 230 kann in einigen Ausführungsformen einen Bereich definieren, der die Mitte der Prüfmasse 200 einschließt. In einigen Ausführungsformen kann der Mittenabschnitt 230 mit einem oder mehreren (in 2A nicht gezeigten) Verankerungspfosten verbunden sein. Der Verankerungspfosten kann (die Verankerungspfosten können) mit dem Substrat verbunden sein. In einigen Ausführungsformen kann der (können die) Verankerungspfosten in Reaktion auf eine oder mehrere Torsionen um die x-Achse und/oder die y-Achse als Drehpunkt(e) für die Prüfmasse 200 funktionieren. Der Mittenabschnitt 230 kann irgendeine geeignete Form aufweisen. Der Mittenabschnitt 230 kann z. B. eine quadratische Form, eine rechteckige Form, eine kreisförmige Form, eine elliptische Form usw. aufweisen. Die Verankerungspfosten können hier außerdem einfach als "Anker" bezeichnet werden.
  • Die Prüfmasse kann durch das Schwenken um die x-Achse und/oder die y-Achse auf die Torsion(en) reagieren. In Reaktion auf derartige Bewegungen können ein oder mehrere x-Abtastelemente und/oder ein oder mehrere y-Abtastelemente eine Änderung eines oder mehrerer Parameter detektieren. In einigen Ausführungsformen können die x-Abtastelemente einen Kondensator umfassen, der eine erste Elektrode, die an einem Substrat angeordnet ist, und eine zweite Elektrode, die an der Prüfmasse angeordnet ist, aufweist. In einigen Ausführungsformen kann ein Abschnitt der Prüfmasse, der der ersten Elektrode zugewandt ist, als eine zweite Elektrode dienen. In einigen Ausführungsformen können die y-Abtastelemente einen Kondensator umfassen, der eine erste Elektrode, die an einem Substrat angeordnet ist, und eine zweite Elektrode, die an der Prüfmasse angeordnet ist, aufweist. In einigen Ausführungsformen kann ein Abschnitt der Prüfmasse, der der ersten Elektrode zugewandt ist, als eine zweite Elektrode dienen. Wenn die Prüfmasse um den (die) Verankerungspfosten um die x-Achse oder die y-Achse schwenkt, kann eine Änderung der Kapazität des x-Abtastelements oder der Kapazität des y-Abtastelements detektiert werden. In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse 200 zwei x-Abtastelemente umfassen. Beide x-Abtastelemente können in einigen Ausführungsformen kapazitiv sein. Die Prüfmasse 200 kann z. B. die Kondensatoren Cx – und Cx + umfassen, die auf gegenüberliegenden Seiten der Prüfmasse 200 um die x-Achse angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse 200 zwei y-Abtastelemente umfassen. Beide y-Abtastelemente können in einigen Ausführungsformen kapazitiv sein. Die Prüfmasse 200 kann z. B. die Kondensatoren Cy – und Cy + umfassen, die auf gegenüberliegenden Seiten der Prüfmasse 200 um die y-Achse angeordnet sind.
  • In einigen Ausführungsformen können mehrere Halteseile, wie z. B. das Halteseil 232, einen Mittenabschnitt 230 mit dem inneren gebogenen Balken verbinden. In einigen Ausführungsformen können die Halteseile als Federn dienen, die konfiguriert sind, in Reaktion auf eine Torsion in der xy-Ebene eine Rückstellkraft bereitzustellen. Die Federn können wirken, um die Prüfmasse in Reaktion auf die Torsion in der xy-Ebene zu ihrer ungestörten Position zurückzustellen. Die Elastizitätskonstante der Halteseile kann von der Form der Halteseile abhängig sein. Die Form der Halteseile wird im Folgenden weiter erörtert.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse 200 mehrere Balken umfassen, wie z. B. den z-Abtastbalken 216, um die Torsion(en) um die z-Achse zu detektieren. In dieser Anmeldung können die "Balken" des Typs, der in 2A veranschaulicht ist, alternativ als "Finger", "frei eingespannte Balken" oder "z-Abtastbalken" bezeichnet werden, wobei sie in einigen Ausführungsformen Kragbalken sein können. In einigen Ausführungsformen können die Balken am Innenrand eines gebogenen Balkens, wie z. B. dem Innenrand 204, befestigt sein. In einigen Ausführungsformen können die Balken so aufgehängt sein, dass die Bereiche, wo sie sich mit dem Innenrand 204 in Kontakt befinden, ihr einziger Befestigungspunkt sind. In einigen Ausführungsformen können sich die Balken zur Mitte der Prüfmasse 200 erstrecken. In einigen Ausführungsformen können sich die Balken radial zur Mitte der Prüfmasse 200 erstrecken. In Reaktion auf die Torsion(en) um die z-Achse können die Balken in der xy-Ebene um die Bereiche schwenken, wo sie sich mit dem Innenrand 204 in Kontakt befinden. Wie im Folgenden weiter erörtert wird, kann eine Variation eines Parameters, wie z. B. einer Kapazität, detektiert werden, wenn sich die Balken bewegen. Die Prüfmasse 200 kann irgendeine geeignete Anzahl von z-Abtastbalken umfassen. Die verschiedenen z-Abtastbalken können sich ähnlich zum Balken 216 mit dem Innenrand 202 in Kontakt befinden. In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse 200 einen zweiten Satz von Balken umfassen, die sich mit dem Innenrand des gebogenen Balkens 211 in Kontakt befinden, wie in 2A veranschaulicht ist. Während 2A die Prüfmasse 200 veranschaulicht, die zwei Sätze von Balken aufweist, ist die Anmeldung in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt, wobei irgendeine andere geeignete Anzahl von Sätzen von Balken, die größer als null ist, verwendet werden kann. In einigen Ausführungsformen können die Balken, die sich mit dem gebogenen Balken 201 in Kontakt befinden, länger als die Balken, die sich mit dem gebogenen Balken 211 in Kontakt befinden, sein. In einigen Ausführungsformen können die Balken, die sich mit dem gebogenen Balken 201 in Kontakt befinden, eine Winkelteilung aufweisen, die kleiner als die Winkelteilung der Balken ist, die sich mit dem gebogenen Balken 211 in Kontakt befinden.
  • 2B ist eine Draufsicht einer Prüfmasse 250 eines Winkelbeschleunigungsmessers gemäß einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform. Die Prüfmasse 250 kann die gleichen Eigenschaften wie jene aufweisen, die im Zusammenhang mit der Prüfmasse 200 beschrieben worden sind. Ungleich der Prüfmasse 200 kann jedoch die Prüfmasse 250 eine polygonale Form (z. B. quadratisch oder rechteckig) aufweisen. Entsprechend kann die Prüfmasse 250 einen äußeren Abschnitt 251 umfassen, der einen polygonalen Außenrand 252 aufweisen kann. In einigen Ausführungsformen kann die Verwendung einer Prüfmasse, die einen polygonalen Außenrand anstatt eines gebogenen Außenrands aufweist, die Verwendung der Grundfläche auf dem Chip verbessern. Das heißt, den gleichen verfügbaren Raum auf dem Chip vorausgesetzt, können die polygonalen Prüfmassen größere Oberflächen als die gebogenen Prüfmassen und deshalb größere Massen aufweisen. Im Ergebnis kann die Empfindlichkeit des Winkelbeschleunigungsmessers verbessert werden. In der folgenden Beschreibung wird häufig auf die Prüfmasse 200 Bezug genommen. Es sollte erkannt werden, dass die Prüfmasse 250 oder Prüfmassen mit anderen Formen alternativ verwendet werden können, wenn es nicht anders dargelegt ist.
  • 3 ist eine Draufsicht eines z-Abtastelements 300, das einen Balken aufweist, der ein Ende aufweist, das an einem Innenrand einer Prüfmasse befestigt ist, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung. Das z-Abtastelement 300 kann einen Balken 216 umfassen, der sich mit dem Innenrand 204 in Kontakt befindet. In einigen Ausführungsformen kann der Balken 216 konfiguriert sein, sich in Reaktion auf die Torsion(en) um die z-Achse in der xy-Ebene zu bewegen, wie durch den Pfeil 320 und den Pfeil 321 veranschaulicht ist. In einigen Ausführungsformen kann das z-Abtastelement 300 eine Elektrode 313 umfassen. Die Elektrode 313 kann in einigen Ausführungsformen dem Balken 216 benachbart sein. Die Elektrode 313 kann in einigen Ausführungsformen ein leitfähiges Material, wie z. B. Aluminium, Kupfer, dotiertes Silicium und/oder dotiertes Polysilicium, umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode 313 mit einem Pfosten 316 verbunden sein. Der Pfosten 316 kann mit einem Substrat verbunden sein. Während 3 eine Elektrode 313 veranschaulicht, die durch einen Pfosten mit dem Substrat verbunden ist, kann irgendeine andere geeignete Anzahl von Pfosten größer als eins verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann ein Kondensator Cz +, der die Elektrode 313 und den Balken 216 als Elektroden aufweist, ausgebildet sein. Wenn sich der Balken 216 in Reaktion auf die Torsion(en) um die z-Achse bewegt, kann sich der Abstand zwischen dem Balken 216 und der Elektrode 313 ändern und folglich eine Änderung der dem Kondensator Cz + zugeordneten Kapazität verursachen. Die Änderung der Kapazität kann verwendet werden, um die Torsion(en) um die z-Achse zu detektieren. Der Balken 216 kann konfiguriert sein, für die Winkelbeschleunigungen um die z-Achse empfindlich zu sein. In einigen Ausführungsformen kann der Balken 216 für Linearbeschleunigungen und/oder Winkelgeschwindigkeiten unempfindlich sein.
  • In einigen Ausführungsformen kann das z-Abtastelement 300 eine Elektrode 314 umfassen. Die Elektrode 314 kann in einigen Ausführungsformen dem Balken 216 benachbart sein. Die Elektrode 314 kann bezüglich der Elektrode 313 auf der gegenüberliegenden Seite des Balkens 216 angeordnet sein. Die Elektrode 314 kann in einigen Ausführungsformen ein leitfähiges Material, wie z. B. Aluminium, Kupfer, dotiertes Silicium und/oder dotiertes Polysilicium, umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode 314 mit einem Pfosten 318 verbunden sein. Der Pfosten 318 kann mit einem Substrat verbunden sein. Während 3 veranschaulicht, dass die Elektrode 314 durch einen Pfosten mit dem Substrat verbunden ist, kann irgendeine andere geeignete Anzahl von Pfosten größer als eins verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann ein Kondensator Cz –, der die Elektrode 314 und den Balken 216 als Elektroden aufweist, ausgebildet sein. Wenn sich der Balken 216 in Reaktion auf die Torsion(en) um die z-Achse bewegt, kann sich der Abstand zwischen dem Balken 216 und der Elektrode 314 ändern und folglich eine Änderung der dem Kondensator Cz – zugeordneten Kapazität verursachen. Die Änderung der Kapazität kann verwendet werden, um die Torsion(en) um die z-Achse zu detektieren.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Änderung der Kapazität, die dem Kondensator Cz – zugeordnet ist, konfiguriert sein, dass sie zu der Änderung der Kapazität, die dem Kondensator Cz + zugeordnet ist, entgegengesetzt ist. Falls z. B. ΔCz die Änderung der dem Kondensator Cz – zugeordneten Kapazität in Reaktion auf die Torsion(en) um die z-Achse ist, kann die Änderung der dem Kondensator Cx – zugeordneten Kapazität gleich –ΔCz sein. Im Ergebnis können die Bewegungen in der xy-Ebene zu der Erzeugung von Detektionssignalen führen, die differentiell sind. Das z-Abtastelement 300 kann konfiguriert sein, auf die Winkelbeschleunigungen um die z-Achse zu reagieren. In einigen Ausführungsformen kann das z-Abtastelement 300 für Linearbeschleunigungen und/oder Winkelgeschwindigkeiten unempfindlich sein.
  • 4 veranschaulicht ein Beispiel eines durch ein z-Abtastelement erzeugten Differenzsignals gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung. In dem nicht einschränkenden Beispiel nach 4 kann eine sinusförmige Torsion um die z-Achse auf die Prüfmasse 200 ausgeübt werden. In Reaktion auf eine derartige Torsion kann sich der Balken 216 im Lauf der Zeit gemäß den Pfeilen 320 und 321 bewegen und folglich im Lauf der Zeit eine Änderung der dem Kondensator Cz + zugeordneten Kapazität, die sinusförmig ist, und eine entgegengesetzte Änderung der dem Kondensator Cz – zugeordneten Kapazität verursachen. Die Änderung der beiden Kapazitäten kann die Erzeugung der Differenzsignale 402 und 404 verursachen, wie in 4 veranschaulicht ist. In einigen Ausführungsformen kann die Verwendung von Differenzsignalen gegenüber der Verwendung einseitiger Signale bevorzugt sein, um Gleichtaktsignale zu unterdrücken. Gleichtaktsignale können z. B. durch Linearbeschleunigungen, die bezüglich der z-Achse auftreten, und/oder durch Rauschen verursacht werden. In einem weiteren Beispiel können die Gleichtaktsignale durch das Nebensprechen verursacht werden, das zwischen den beiden Moden auftritt, die zwei jeweils orthogonalen Achsen zugeordnet sind.
  • Wie vorher erörtert worden ist, kann (können) die Torsion(en) um die x-Achse mit den Kondensatoren Cx + und Cx – detektiert werden, während die Torsion(en) um die y-Achse mit den Kondensatoren Cy + und Cy – detektiert werden kann (können). 5A ist die Seitenansicht einer yz-Ebene eines Winkelbeschleunigungsmessers, der eine Prüfmasse 200, einen Verankerungspfosten 503 und die x-Abtastelektroden 541 und 542 umfasst, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung. In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse 200 innerhalb eines Hohlraums 502 angeordnet sein, der in einem Substrat 501 erhalten wird. Der Hohlraum 502 kann z. B. durch das Ätzen eines Abschnitts des Substrats 501 erhalten werden. Das Substrat 501 kann in einigen Ausführungsformen ein Siliciumsubstrat sein. In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse 200 durch einen Verankerungspfosten 503 mit dem Substrat 501 verbunden sein. In einigen Ausführungsformen kann der Verankerungspfosten 503 mit einem Mittenabschnitt 230 verbunden sein. In anderen Ausführungsformen kann das Mittenelement 230 als der Verankerungspfosten 503 dienen. Der Abstand zwischen der Unterseite der Prüfmasse und der Oberseite des Substrats kann, gemessen entlang der z-Achse, in einigen Ausführungsformen zwischen 1 µm und 10 µm, in einigen Ausführungsformen zwischen 1,5 µm und 3 µm, in einigen Ausführungsformen zwischen 1,7 µm und 1,9 µm oder zwischen irgendwelchen geeigneten Werten oder Bereichen von Werten liegen. Es sind außerdem andere Werte möglich. Die Prüfmasse 200 kann eine entlang der z-Achse gemessene Dicke aufweisen, die in einigen Ausführungsformen zwischen 1 µm und 50 µm, in einigen Ausführungsformen zwischen 10 µm und 20 µm, in einigen Ausführungsformen zwischen 15 µm und 17 µm oder zwischen irgendwelchen geeigneten Werten oder Bereichen von Werten liegt. Es sind außerdem andere Werte möglich.
  • 5A veranschaulicht die x-Abtastelektroden 541 und 542, die auf dem Substrat 501 auf gegenüberliegenden Seiten des Verankerungspfostens 503 angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen können die x-Abtastelektroden 541 und 542 an Orten, die dem Außenrand der Prüfmasse 200, wie z. B. dem Außenrand 202, entsprechen, angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen kann ein Kondensator Cx +, der die x-Abtastelektrode 542 und die Prüfmasse 200 als Elektroden aufweist, ausgebildet sein. In Reaktion auf eine oder mehrere um die x-Achse auf die Prüfmasse 200 ausgeübte Torsionen kann die Prüfmasse 200 unter Verwendung des Verankerungspfostens 503 als Drehpunkt um die x-Achse schwenken. Folglich kann sich der Abstand zwischen der Prüfmasse 200 und der x-Abtastelektrode 542 ändern und folglich eine Änderung der der Kapazität Cx + zugeordneten Kapazität verursachen. Die Änderung der Kapazität kann verwendet werden, um die Torsion(en) um die x-Achse zu detektieren.
  • In einigen Ausführungsformen kann ein Kondensator Cx –, der die x-Abtastelektrode 541 und die Prüfmasse 200 als Elektroden aufweist, ausgebildet sein. In Reaktion auf eine oder mehrere um die x-Achse auf die Prüfmasse 200 ausgeübte Torsionen kann die Prüfmasse 200 unter Verwendung des Verankerungspfostens 503 als Drehpunkt um die x-Achse schwenken. Folglich kann sich der Abstand zwischen der Prüfmasse 200 und der x-Abtastelektrode 541 ändern und folglich eine Änderung der der Kapazität Cx – zugeordneten Kapazität verursachen. Die Änderung der Kapazität kann verwendet werden, um die Torsion(en) um die x-Achse zu detektieren.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Änderung der dem Kondensator Cx – zugeordneten Kapazität konfiguriert sein, dass sie zu der Änderung der dem Kondensator Cx + zugeordneten Kapazität entgegengesetzt ist. Falls z. B. ΔCx die Änderung der dem Kondensator Cx – zugeordneten Kapazität ist, kann die Änderung der dem Kondensator Cx + zugeordneten Kapazität gleich –ΔCx sein. Im Ergebnis können die Bewegungen in der yz-Ebene zu der Erzeugung von Detektionssignalen führen, die differentiell sind.
  • 5A veranschaulicht ferner eine Elektrode 313, die Teil eines z-Abtastelements 300 sein kann, wie in 3 veranschaulicht ist. Für die Einfachheit ist in 5A nur eine Elektrode 313 veranschaulicht. Wie oben erörtert worden ist, kann die Elektrode 313 durch den Pfosten 316 mit dem Substrat 501 verbunden sein. Der Pfosten 316 kann in einigen Ausführungsformen aus einem leitfähigen Material hergestellt sein. In einigen Ausführungsformen kann die z-Abtastelektrode 540 an dem Substrat 501 angeordnet sein, wobei sie sich über den Pfosten 316 mit der Elektrode 313 in elektrischen Kontakt befinden kann. In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode 540 unter der Oberseite des Substrats 501 angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode 501 Polysilicium oder dotiertes Polysilicium umfassen.
  • In einigen Ausführungsformen kann die x-Abtastelektrode 541 an irgendeinem geeigneten Ort positioniert sein, so dass der Abstand zwischen der x-Abtastelektrode 541 und dem Verankerungspfosten 503 größer als der Abstand zwischen der Elektrode 313 und dem Verankerungspfosten 503 ist, wobei beide Abstände in der xy-Ebene gemessen werden. Ähnlich kann die x-Abtastelektrode 542 an irgendeinem geeigneten Ort positioniert sein, so dass der Abstand zwischen der x-Abtastelektrode 542 und dem Verankerungspfosten 503 größer als der Abstand zwischen irgendeiner der Elektroden 313 und dem Verankerungspfosten 503 ist, wobei beide Abstände in der xy-Ebene gemessen werden.
  • 5B ist die Seitenansicht einer xz-Ebene eines Winkelbeschleunigungsmessers, der eine Prüfmasse 200, einen Verankerungspfosten 503 und die y-Abtastelektroden 551 und 552 umfasst, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung. 5B veranschaulicht die y-Abtastelektroden 551 und 552, die auf gegenüberliegenden Seiten des Verankerungspfostens 503 auf dem Substrat 501 angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen können die y-Abtastelektroden 551 und 552 an Orten, die dem Außenrand der Prüfmasse 200, wie z. B. dem Außenrand 202, entsprechen, angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen kann ein Kondensator Cy +, der die y-Abtastelektrode 552 und die Prüfmasse 200 als Elektroden aufweist, ausgebildet sein. In Reaktion auf eine oder mehrere Torsionen, die um die y-Achse auf die Prüfmasse 200 ausgeübt werden, kann die Prüfmasse 200 unter Verwendung des Verankerungspfostens 503 als Drehpunkt um die y-Achse schwenken. Folglich kann sich der Abstand zwischen der Prüfmasse 200 und der y-Abtastelektrode 552 ändern und folglich eine Änderung der der Kapazität Cy + zugeordneten Kapazität verursachen. Die Änderung der Kapazität kann verwendet werden, um die Torsion(en) um die y-Achse zu detektieren.
  • In einigen Ausführungsformen kann ein Kondensator Cy –, der die y-Abtastelektrode 551 und die Prüfmasse 200 als Elektroden aufweist, ausgebildet sein. In Reaktion auf eine oder mehrere um die y-Achse auf die Prüfmasse 200 ausgeübte Torsionen kann die Prüfmasse 200 unter Verwendung des Verankerungspfostens 503 als Drehpunkt um die y-Achse schwenken. Folglich kann sich der Abstand zwischen der Prüfmasse 200 und der y-Abtastelektrode 551 ändern und folglich eine Änderung der der Kapazität Cy – zugeordneten Kapazität verursachen. Die Änderung der Kapazität kann verwendet werden, um die Torsion(en) um die y-Achse zu detektieren.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Änderung der dem Kondensator Cy – zugeordneten Kapazität konfiguriert sein, dass sie zu der Änderung der dem Kondensator Cy + zugeordneten Kapazität entgegengesetzt ist. Falls z. B. ΔCy die Änderung der dem Kondensator Cy – zugeordneten Kapazität ist, kann die Änderung der dem Kondensator Cy + zugeordneten Kapazität gleich –ΔCy sein. Im Ergebnis können die Bewegungen in der xz-Ebene zu der Erzeugung von Detektionssignalen führen, die differentiell sind.
  • 5B veranschaulicht ferner eine Elektrode 313, die Teil eines z-Abtastelements 300 sein kann, wie in 3 veranschaulicht ist. Für die Einfachheit ist in 5B nur eine Elektrode 313 veranschaulicht. Wie oben erörtert worden ist, kann die Elektrode 313 durch einen Pfosten mit dem Substrat 501 verbunden sein. Der Pfosten 316 kann in einigen Ausführungsformen aus einem leitfähigen Material hergestellt sein. In einigen Ausführungsformen kann die z-Abtastelektrode 540 an dem Substrat 501 angeordnet sein, wobei sie sich über den Pfosten 316 mit der Elektrode 313 in elektrischen Kontakt befinden kann. In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode 540 unter der Oberseite des Substrats 501 angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode 501 Polysilicium oder dotiertes Polysilicium umfassen.
  • In einigen Ausführungsformen kann die y-Abtastelektrode 551 an irgendeinem geeigneten Ort positioniert sein, so dass der Abstand zwischen der y-Abtastelektrode 551 und dem Verankerungspfosten 503 größer als der Abstand zwischen der Elektrode 313 und dem Verankerungspfosten 503 ist, wobei beide Abstände in der xy-Ebene gemessen werden. Ähnlich kann die y-Abtastelektrode 552 an irgendeinem geeigneten Ort positioniert sein, so dass der Abstand zwischen der y-Abtastelektrode 552 und dem Verankerungspfosten 503 größer als der Abstand zwischen irgendeiner der Elektroden 313 und dem Verankerungspfosten 503 ist, wobei beide Abstände in der xy-Ebene gemessen werden.
  • 5C ist eine Draufsicht eines Winkelbeschleunigungsmessers, der x-Abtastelektroden, y-Abtastelektroden und z-Abtastelektroden umfasst, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung. Die gestrichelten Linien, die dem Innenrand 204 und dem Außenrand 202 des gebogenen Balkens 201 und dem Innenrand 214 und dem Außenrand 212 des gebogenen Balkens 211 entsprechen, können in einer xy-Ebene angeordnet sein, die einer Oberfläche der Prüfmasse 200 entspricht. Während 5C zwei gebogene Balken veranschaulicht, kann irgendeine geeignete Anzahl gebogener Balken verwendet werden.
  • In einigen Ausführungsformen können die x-Abtastelektroden 541 und 542 an Orten, die dem gebogenen Balken 201 entsprechen, an dem Substrat 501 angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können die x-Abtastelektroden 541 und 542 an Orten, die dem Außenrand 202 entsprechen, angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können die x-Abtastelektroden 541 und 542 auf gegenüberliegenden Seiten des gebogenen Balkens 201 angeordnet sein. Die x-Abtastelektrode 541 kann mit einer Metallanschlussfläche Sx – verbunden sein, auf die über Drahtbonden oder durch eine Sonde zugegriffen werden könnte. Ähnlich kann die x-Abtastelektrode 542 mit einer Metallanschlussfläche Sx + verbunden sein, auf die über Drahtbonden oder durch eine Sonde zugegriffen werden könnte. In einigen Ausführungsformen kann eine Metallanschlussfläche ref mit dem Verankerungspfosten verbunden sein, wobei sie konfiguriert sein kann, eine Bezugsspannung bereitzustellen.
  • In einigen Ausführungsformen können die Bewegungen der Prüfmasse 200 um die x-Achse die Erzeugung einer ersten Spannung zwischen der Metallanschlussfläche Sx – und der Metallanschlussfläche ref verursachen. In einigen Ausführungsformen können die Bewegungen der Prüfmasse 200 um die x-Achse die Erzeugung einer zweiten Spannung zwischen der Metallanschlussfläche Sx + und der Metallanschlussfläche ref verursachen. In einigen Ausführungsformen können die beiden Spannungen zwei Differenzsignale bilden. Wenn die Prüfmasse um den Verankerungspfosten 503 schwenkt, kann sich entsprechend der Abschnitt des gebogenen Balkens 201, der der x-Abtastelektrode 541 entspricht, zu (oder weg von) dem x-Abtastelement 541 bewegen, während sich gleichzeitig der Abschnitt des gebogenen Balkens 201, der der x-Abtastelektrode 542 entspricht, weg von (oder zu) dem x-Abtastelement 542 bewegen kann.
  • In einigen Ausführungsformen können die y-Abtastelektroden 551 und 552 an Orten, die den gebogenen Balken 201 entsprechen, an dem Substrat 501 angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können die y-Abtastelektroden 551 und 552 an Orten, die dem Außenrand 202 entsprechen, angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können die y-Abtastelektroden 551 und 552 auf gegenüberliegenden Seiten des gebogenen Balkens 201 angeordnet sein. Die y-Abtastelektrode 551 kann mit einer Metallanschlussfläche Sy – verbunden sein, auf die über Drahtbonden oder durch eine Sonde zugegriffen werden könnte. Ähnlich kann die y-Abtastelektrode 552 mit einer Metallanschlussfläche Sy + verbunden sein, auf die über Drahtbonden oder durch eine Sonde zugegriffen werden könnte. In einigen Ausführungsformen können die Bewegungen der Prüfmasse 200 um die y-Achse die Erzeugung einer ersten Spannung zwischen der Metallanschlussfläche Sy – und der Metallanschlussfläche ref verursachen. In einigen Ausführungsformen können die Bewegungen der Prüfmasse 200 um die y-Achse die Erzeugung einer zweiten Spannung zwischen der Metallanschlussfläche Sy + und der Metallanschlussfläche ref verursachen. In einigen Ausführungsformen können die beiden Spannungen zwei Differenzsignale bilden. Wenn die Prüfmasse um den Verankerungspfosten 503 schwenkt, kann sich entsprechend der Abschnitt des gebogenen Balkens 201, der der y-Abtastelektrode 551 entspricht, zu (oder weg von) dem y-Abtastelement 551 bewegen, während sich gleichzeitig der Abschnitt des gebogenen Balkens 201, der der y-Abtastelektrode 552 entspricht, weg von (oder zu) dem y-Abtastelement 552 bewegen kann.
  • In einigen Ausführungsformen können sich mehrere z-Abtastelemente, wie z. B. das z-Abtastelement 300, das im Zusammenhang mit 3 beschrieben worden ist, mit dem Innenrand 204 in Kontakt befinden. Während 5C vier z-Abtastelemente veranschaulicht, kann irgendeine geeignete Anzahl von z-Abtastelementen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen können die z-Abtastelemente einen Balken 216 umfassen, der ein am Innenrand 204 befestigtes Ende aufweist. In einigen Ausführungsformen können die z-Abtastelemente die Elektroden 313 und 314 umfassen, die auf gegenüberliegenden Seiten des Balkens 216 angeordnet sind. Die Elektroden 313 und 314 können mit (in 5C nicht gezeigten) z-Abtastelektroden, die an dem Substrat 501 angeordnet sind, durch den Pfosten 316 bzw. den Pfosten 318 verbunden sein.
  • In einigen Ausführungsformen können alle oder ein Anteil der z-Abtastelektroden, die an die Elektroden 313 gekoppelt sind, wechselseitig verbunden sein, wie in 5C veranschaulicht ist. Derartige z-Abtastelektroden können ferner mit einer Metallanschlussfläche Sz – verbunden sein. In einigen Ausführungsformen können alle oder ein Anteil der z-Abtastelektroden, die an die Elektroden 314 gekoppelt sind, wechselseitig verbunden sein, wie in 5C veranschaulicht ist. Derartige z-Abtastelektroden können ferner mit einer Metallanschlussfläche Sz + verbunden sein. Auf die Metallanschlussflächen Sz – und Sz + könnte über Drahtbonden oder durch eine Sonde zugegriffen werden. In einigen Ausführungsformen können die Bewegungen der Prüfmasse 200 um die z-Achse die Erzeugung einer ersten Spannung zwischen der Metallanschlussfläche Sz – und der Metallanschlussfläche ref verursachen. In einigen Ausführungsformen können die Bewegungen der Prüfmasse 200 um die z-Achse die Erzeugung einer zweiten Spannung zwischen der Metallanschlussfläche Sz + und der Metallanschlussfläche ref verursachen. In einigen Ausführungsformen können die beiden Spannungen zwei Differenzsignale bilden. Wenn sich die Balken 216 zu den und weg von den Elektroden 313 und 314 bewegen, können sich die den Kondensatoren Cz – und Cz + zugeordneten Kapazitäten ändern und folglich die Erzeugung von Differenzsignalen, wie z. B. der Differenzsignale 402 und 404, wie in 4 gezeigt ist, verursachen.
  • Die bezüglich 5C veranschaulichte Ausführungsform kann konfiguriert sein, das Nebensprechen, das sich zwischen den x-Abtastelementen und den y-Abtastelementen ergibt, zu unterdrücken oder abzuschwächen. In einigen Ausführungsformen können beim Vorhandensein einer Beschleunigung um die x-Achse die x-Abtastelektroden 541 und 542 zwei Differenzsignale abtasten, während die y-Abtastelektroden 551 und 552 kein Signal abtasten können. In einigen Ausführungsformen können beim Vorhandensein einer Beschleunigung um die x-Achse die x-Abtastelektroden 541 und 542 zwei Differenzsignale abtasten, während die y-Abtastelektroden 551 und 552 ein Gleichtaktsignal abtasten können. Gleichtaktsignale können durch das Subtrahieren des an der Metallanschlussfläche Sy – gemessenen Signals von dem an der Metallanschlussfläche Sy + gemessenen Signal oder umgekehrt eliminiert werden. Ähnlich können beim Vorhandensein einer Beschleunigung um die y-Achse die y-Abtastelektroden 551 und 552 zwei Differenzsignale abtasten, während die x-Abtastelektroden 541 und 542 ein Gleichtaktsignal abtasten können. Gleichtaktsignale können durch das Subtrahieren des an der Metallanschlussfläche Sx – gemessenen Signals von dem an der Metallanschlussfläche Sx + gemessenen Signal oder umgekehrt eliminiert werden. Die als gnd bezeichnete Metallanschlussfläche kann als ein Masseanschluss verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann die gnd-Metallanschlussfläche auf das gleiche Potential wie die Prüfmasse vorgespannt sein.
  • Die im Zusammenhang mit den 5A–5C beschriebenen Ausführungsformen veranschaulichen eine Prüfmasse, die durch einen Verankerungspfosten, der in der Nähe der Mitte der Prüfmasse angekoppelt ist, mit dem Substrat verbunden ist. Unter einigen Umständen kann das Verbinden der Prüfmasse mit dem Substrat durch einen einzigen Verankerungspfosten den Winkelbeschleunigungsmesser für Linearbeschleunigungen empfindlich machen. In Reaktion auf Linearbeschleunigungen entlang der x-Achse können sich z. B. Torsionen der Prüfmasse um die y-Achse ergeben. Dieses Verhalten kann unerwünscht sein, da die Prüfmasse selbst beim Fehlen von Winkelbeschleunigungen Detektionssignale hervorrufen kann. Die Verwendung von mehr als einem Verankerungspfosten kann das Auftreten eines derartigen unerwünschten Verhaltens verringern. Nun wird ein Beispiel beschrieben.
  • 5D ist eine Draufsicht, die einen Abschnitt eines Winkelbeschleunigungsmessers, der mehrere Verankerungspfosten aufweist, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen veranschaulicht. Wie veranschaulicht ist, kann der Winkelbeschleunigungsmesser einen Mittenabschnitt 230, die Halteseile 232, die Verankerungspfosten 553 und die Balken 555, die mit dem gebogenen Balken 221, der vorher im Zusammenhang mit den 2A–2B beschrieben worden ist, verbunden sind, umfassen. Während 5D einen Winkelbeschleunigungsmesser mit vier Verankerungspfosten veranschaulicht, kann irgendeine andere geeignete Anzahl von Verankerungspfosten verwendet werden. Die Verankerungspfosten können in Bezug aufeinander gleichmäßig winkelig versetzt sein. Wenn vier Verankerungspfosten verwendet werden, kann z. B. jeder Verankerungspfosten 553 bezüglich der benachbarten Verankerungspfosten um etwa 90° (z. B. zwischen 89° und 91° oder zwischen 85° und 95°) winkelig versetzt sein. Der radiale Abstand zwischen der Mitte des Mittenabschnitts 230 und dem Ort der Verankerungspfosten kann gewählt sein, um ein gewünschtes Niveau der Immunität gegen Linearbeschleunigungen bereitzustellen. Die Vergrößerung eines derartigen radialen Abstands kann z. B. zu einer vergrößerten Immunität gegen Linearbeschleunigungen führen. Größere radiale Abstände können jedoch außerdem eine Verringerung der Empfindlichkeit gegen Winkelbeschleunigungen aufgrund einer Vergrößerung der effektiven Torsionssteifigkeit der Prüfmasse verursachen.
  • In einigen Ausführungsformen können die Verankerungspfosten über die Balken 555 an die Prüfmasse gekoppelt sein. Die Verankerungspfosten 553 können z. B. über die Halteseile 232 an den Mittenabschnitt 230 gekoppelt sein, während der Mittenabschnitt 230 über die Balken 555 an den gebogenen Balken 221 gekoppelt sein kann. Die Balken 555 können in einigen Ausführungsformen steifer als die Halteseile 232 sein. In einigen Ausführungsformen kann jeder Balken 555 bezüglich der benachbarten Verankerungspfosten um etwa 45° (z. B. zwischen 44° und 46° oder zwischen 40° und 50°) winkelig versetzt sein. Wenn Winkelbeschleunigungen um die z-Achse auftreten, können sich die Halteseile 232 in der xy-Ebene biegen und folglich die Bewegung der Prüfmasse ermöglichen. Gleichzeitig können sich die Balken 555 in der Ebene drehen und folglich Drehungen der Prüfmasse verursachen.
  • Wie oben beschrieben worden ist, können die Halteseile 232 eine Elastizitätskonstante aufweisen, die konfiguriert ist, die Prüfmasse 200 zu ihrer ungestörten Position zurückzuführen. In einigen Ausführungsformen können die Halteseile 232 ferner konfiguriert sein, eine Beanspruchung zu absorbieren, die sich innerhalb der Prüfmasse 200 ergeben kann. Entsprechend können die Halteseile teilweise flexibel sein und können ihre Formen basierend auf der ausgeübten Belastung einstellen und folglich die durch die äußeren Abschnitte der Prüfmasse empfangene Belastung verringern. In einigen Ausführungsformen können die Halteseile ferner konfiguriert sein, nicht orthogonale Moden, wie z. B. Diagonalmoden, zu unterdrücken. Die Halteseile 232 können asymmetrisch oder symmetrisch sein.
  • 6A ist eine Draufsicht der Prüfmasse eines Winkelbeschleunigungsmessers, die die Mitte der Prüfmasse 200 ausführlicher zeigt. Wie veranschaulicht ist, können asymmetrische Halteseile verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Prüfmasse 200 einen Mittenabschnitt 230 umfassen, der mit einem oder mehreren Verankerungspfosten, wie z. B. dem Verankerungspfosten 503, verbunden ist. In anderen Ausführungsformen kann der Mittenabschnitt 230 als der Verankerungspfosten 503 dienen. Der Mittenabschnitt kann eine quadratische Form, eine kreisförmige Form, eine rechteckige Form, eine elliptische Form oder irgendeine andere geeignete Form aufweisen. Der Mittenabschnitt kann mit dem Innenrand des innersten gebogenen Balkens, wie z. B. des gebogenen Balkens 221, durch ein oder mehrere Halteseile 632 verbunden sein. Die Halteseile 632 können als die Halteseile 232 dienen. In einigen Ausführungsformen können die Halteseile 632 Serpentinenformen aufweisen. In einigen Ausführungsformen können die Halteseile 632 Elemente umfassen, die s-Formen aufweisen. Die Halteseile 632 können ferner erste Balken, die die s-förmigen Elemente mit dem Mittenabschnitt 230 verbinden, und zweite Balken, die die s-förmigen Elemente mit dem gebogenen Balken 221 verbinden, umfassen. In einigen Ausführungsformen können die Halteseile 632 asymmetrisch um eine Achse, wie z. B. die Achse 295, sein, die zu einem Radius parallel ist, der durch das Halteseil und die Mitte der Prüfmasse hindurchgeht. In einigen Ausführungsformen können die Halteseile 632 eine 180-Grad-Rotationssymmetrie um einen Punkt, der sich zwischen dem Mittenabschnitt 230 und dem gebogenen Balken 221 befindet, wie z. B. den Punkt 297, aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann der Punkt 297 ein Mittelpunkt zwischen einem Rand des Mittenabschnitts 230 und dem Innenrand des gebogenen Balkens 221 sein. In einigen Ausführungsformen kann ein Halteseil 632 bezüglich einer Achse, die durch die Mitte der Prüfmasse hindurchgeht und zu der Achse des Halteseils senkrecht ist, zu dem gegenüberliegenden Halteseil symmetrisch sein. Eine derartige Symmetrie kann als Spiegelsymmetrie bezeichnet werden.
  • Die Halteseile 632, die asymmetrisch sind, können verursachen, dass die Prüfmasse unter einigen Umständen auf Linearbeschleunigungen reagiert. In Reaktion auf Linearbeschleunigungen entlang der x-Achse können sich z. B. Torsionen der Prüfmasse um die z-Achse ergeben. Dieses Verhalten kann unerwünscht sein, da die Prüfmasse selbst beim Fehlen von Winkelbeschleunigungen Detektionssignale hervorrufen kann. Folglich können in einigen Ausführungsformen symmetrische Halteseile verwendet werden, die in einigen Ausführungsformen weniger empfindlich gegen eine unerwünschte Torsion sind. Ungleich asymmetrischen Halteseilen können die symmetrischen Halteseile die Torsionen der Prüfmasse in Reaktion auf Linearbeschleunigungen verhindern. 6B veranschaulicht ein Beispiel eines symmetrischen Halteseils gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen. Das Halteseil 633 kann als eines der Halteseile 232 dienen. Wie veranschaulicht ist, kann das Halteseil 633 bezüglich der Symmetrieachse 285 symmetrisch sein. Das Halteseil 633 kann konfiguriert sein, die Drehungen der Prüfmasse in Reaktion auf Winkelbeschleunigungen zu ermöglichen, während es in Reaktion auf Linearbeschleunigungen im Wesentlichen unbewegt bleibt. In einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere Löcher 639 durch ein Halteseil 633 geätzt sein. Das Loch kann (die Löcher können) z. B. entlang der Symmetrieachse 285 geätzt sein, wie in 6B veranschaulicht ist. Die Form und die Anzahl der Löcher können gewählt werden, um die Steifigkeit des Halteseils 633 wie gewünscht zu steuern. Die Vergrößerung der Größe und/oder der Anzahl der Löcher kann z. B. in einigen Ausführungsformen die Steifigkeit des Halteseils verringern.
  • In einigen Fällen kann die Prüfmasse 200 Beschleunigungen unterworfen sein, die Größen aufweisen, die groß genug sind, um eine Beschädigung an Abschnitten der Prüfmasse zu verursachen. Große Beschleunigungen um die z-Achse können z. B. Bewegungen der Prüfmasse verursachen, die über den Bereich der Gültigkeit der Halteseile hinausgehen. Folglich können die Halteseile ihre elastische Grenze überschreiten und folglich eine permanente Beschädigung erleiden. In einigen Ausführungsformen können Bewegungsstopper in der Form innerer Stopper und /oder äußerer Stopper verwendet werden, um eine Beschädigung der Halteseile zu verhindern. Es kann jedoch irgendein anderer geeigneter Typ eines Stoppers verwendet werden.
  • 7A ist eine Draufsicht, die einen Bewegungsstopper, der in der Nähe eines Randes der Prüfmasse 200 angeordnet ist, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung veranschaulicht. Wie in 7A veranschaulicht ist, kann ein Außenrand der Prüfmasse 200, wie z. B. der Außenrand 202, einen oder mehrere Vorsprünge 750 umfassen. In einigen Ausführungsformen kann der Außenrand 202 mehrere Vorsprünge des Typs des Vorsprungs 750 umfassen, die entlang seinem Umfang angeordnet sind. Der Vorsprung 750 kann ein Element umfassen, das am Außenrand 202 befestigt ist und von seinem Umfang hervorsteht. Ein derartiges Element kann eine Form aufweisen, die rechteckig ist, kreisförmig ist, oder irgendeine andere geeignete Form aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann ein äußerer Stopper 752 auf dem Substrat 501 angeordnet sein und kann sich dem Außenrand 202 benachbart befinden. Der äußere Stopper 752 kann direkt auf dem Substrat 501 angeordnet sein oder kann an mehreren Pfosten angeordnet sein, die sich mit dem Substrat 501 in Kontakt befinden. In einigen Ausführungsformen kann der Außenrand 752 einen Vorsprung in Übereinstimmung mit dem Vorsprung 750 umfassen. In einigen Ausführungsformen kann der äußere Stopper 752 in einem Abstand von dem Außenrand 202 angeordnet sein, so dass eine Lücke 751 ausgebildet ist. Die Lücke kann eine Größe aufweisen, die zwischen 500 nm und 5 µm, zwischen 800 nm und 2 µm, zwischen 1 µm und 1,4 µm oder zwischen irgendwelchen geeigneten Werten oder Bereichen von Werten liegt. Es sind außerdem andere Werte möglich.
  • Der äußere Stopper 752 kann verwendet werden, um übermäßige Bewegungen der Prüfmasse 200 um die z-Achse in Reaktion auf Beschleunigungen, die große Größen aufweisen, zu verhindern. In einigen Ausführungsformen kann die Lücke 751 ausreichend Raum bereitstellen, damit sich die Prüfmasse 200 in Reaktion auf Beschleunigungen, die Größen unter einem Sicherheitsschwellenwert aufweisen, um die z-Achse bewegt. Falls Beschleunigungen, die Größen aufweisen, die den Sicherheitsschwellenwert übersteigen, um die z-Achse auf die Prüfmasse 200 ausgeübt werden, kann eine Seitenwand des Vorsprungs 750 eine Seitenwand des entsprechenden Vorsprungs des äußeren Stoppers 752 treffen und folglich die Bewegung der Prüfmasse begrenzen. Während 7A einen äußeren Stopper veranschaulicht, der einen Vorsprung umfasst, der von dem Umfang des Randes hervorsteht, sind außerdem andere Konfigurationen möglich. Der Außenrand 202 und der äußere Stopper können z. B. Vertiefungen umfassen, die in Übereinstimmung zueinander angeordnet sind. Der äußere Stopper kann in einem Abstand vom Außenrand angeordnet sein, so dass dazwischen eine Lücke ausgebildet sein kann. Wenn Beschleunigungen, die den Sicherheitsschwellenwert übersteigen, um die z-Achse ausgeübt werden, kann eine Seitenwand der Vertiefung des Randes eine Seitenwand der entsprechenden Vertiefung des äußeren Stoppers treffen und folglich die Bewegung der Prüfmasse begrenzen.
  • 7B ist eine Draufsicht, die einen Bewegungsstopper, der in der Nähe der Mitte einer Prüfmasse angeordnet ist, gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung veranschaulicht. In einigen Ausführungsformen kann in einem Bereich, der durch zwei aufeinanderfolgende Halteseile 232, den Mittenabschnitt 230 und den Innenrand des innersten gebogenen Balkens begrenzt ist, ein Hohlraum ausgebildet sein. In einigen Ausführungsformen kann ein derartiger Hohlraum wenigstens teilweise mit einem inneren Stopper, wie z. B. dem inneren Stopper 760, gefüllt sein. In einigen Ausführungsformen kann der innere Stopper 760 direkt auf dem Substrat 501 angeordnet sein oder kann auf mehreren Pfosten angeordnet sein, die sich mit dem Substrat 501 in Kontakt befinden. In einigen Ausführungsformen kann der innere Stopper 760 in einem Abstand von den Halteseilen 232 angeordnet sein, so dass eine Lücke 761 ausgebildet ist. Die Lücke kann eine Größe aufweisen, die sich zwischen 500 nm und 5 µm, zwischen 800 nm und 2 µm, zwischen 1 µm und 1,4 µm, zwischen 2 µm und 4 µm oder zwischen irgendwelchen geeigneten Werten oder Bereichen von Werten befindet. Es sind außerdem andere Werte möglich. In einigen Ausführungsformen kann eine Lücke zwischen dem inneren Stopper 760 und dem Innenrand des innersten gebogenen Balkens ausgebildet sein. In einigen Ausführungsformen kann die Lücke zwischen den Halteseilen und dem inneren Stopper größer als die Lücke zwischen dem inneren Stopper und dem innersten gebogenen Balken sein.
  • Der innere Stopper 760 kann verwendet werden, um übermäßige Bewegungen der Prüfmasse 200 um die z-Achse in Reaktion auf Beschleunigungen mit großen Größen zu verhindern. In einigen Ausführungsformen kann die Lücke 761 ausreichend Raum bereitstellen, damit sich die Prüfmasse 200 in Reaktion auf Beschleunigungen, die Größen unter einem Sicherheitsschwellenwert aufweisen, um die z-Achse bewegt. Falls Beschleunigungen, die Größen aufweisen, die den Sicherheitsschwellenwert übersteigen, um die z-Achse auf die Prüfmasse 200 ausgeübt werden, kann das Halteseil 232 eine Seitenwand des inneren Stoppers 760 treffen und folglich die Bewegung der Prüfmasse begrenzen. In einigen Ausführungsformen können mehrere innere Stopper innerhalb mehrerer Hohlräume, die innerhalb des innersten gebogenen Balkens vorhanden sind, angeordnet sein. Die in 6A (oder 6B) gezeigte Ausführungsform kann z. B. vier innere Stopper umfassen, die in den vier gezeigten Hohlräumen angeordnet sind.
  • In einigen Fällen können die Beschleunigungen um die x-Achse und/oder die y-Achse Größen aufweisen, die groß genug sind, um eine Beschädigung an Abschnitten der Prüfmasse zu verursachen. Die Prüfmasse kann z. B. eine Überdrehung erfahren und kann in einigen Fällen von dem Verankerungspfosten getrennt werden. In einigen Ausführungsformen können Abdeckstopper, die über der Prüfmasse positioniert sind, verwendet werden, um die Überdrehungen der Prüfmasse zu verhindern. 8 ist eine Draufsicht eines Winkelbeschleunigungsmessers, der eine Prüfmasse 200 und mehrere Abdeckstopper 801 umfasst. Während 8 acht Abdeckstopper veranschaulicht, kann irgendeine andere geeignete Anzahl von Abdeckstoppern verwendet werden. Die Abdeckstopper können in einer Abdeckschicht ausgebildet sein, die in einem Abstand, gemessen entlang der z-Achse, von der Prüfmasse 200 positioniert ist. Ein derartiger Abstand kann in einigen Ausführungsformen zwischen 100 nm und 100 µm, in einigen Ausführungsformen zwischen 1 µm und 20 µm, in einigen Ausführungsformen zwischen 1 µm und 10 µm, in einigen Ausführungsformen zwischen 1 µm und 2 µm oder zwischen irgendwelchen anderen geeigneten Werten oder Bereichen von Werten liegen. In einigen Ausführungsformen kann die Abdeckschicht ein Teil eines Abdeck-Wafers sein. In einigen Ausführungsformen kann der Abdeck-Wafer mit dem Wafer, der die Prüfmasse umfasst, verbunden sein. Die Abdeckstopper können in einigen Ausführungsformen einen Balken umfassen. In einigen Ausführungsformen können die Abdeckstopper ein Element umfassen, das an einem Ende des Balkens befestigt ist. Ein derartiges Element kann eine kreisförmige Form, eine elliptische Form, eine polygonale Form oder irgendeine andere geeignete Form aufweisen. Die Abdeckstopper können konfiguriert sein, um die Bewegungen der Prüfmasse um die x-Achse und/oder die y-Achse in Reaktion auf Beschleunigungen, die Größen aufweisen, die einen Sicherheitsschwellenwert übersteigen, zu begrenzen. Falls Beschleunigungen, die Größen aufweisen, die den Sicherheitsschwellenwert übersteigen, um die x-Achse und/oder die y-Achse auf die Prüfmasse 200 ausgeübt werden, kann die Prüfmasse 200 einen oder mehrere Abdeckstopper 801 treffen, wobei folglich die Bewegung der Prüfmasse begrenzt wird und eine Überdrehung vermieden wird.
  • In einigen Fällen kann die Prüfmasse 200 das Substrat 501 und/oder einen oder mehrere Abdeckstopper 801 treffen, wenn sie sich in Reaktion auf die Beschleunigungen um die x-Achse und/oder die y-Achse bewegt. In einigen dieser Fälle kann die Unterseite der Prüfmasse 200 an dem Substrat 501 hängenbleiben und/oder kann die Oberseite der Prüfmasse 200 an einem oder mehreren Abdeckstoppern 801 hängenbleiben. Ein derartiges Szenario ist nicht erwünscht, da das Anhaften der Prüfmasse an einer Oberfläche, ob an dem Substrat oder einem Abdeckstopper, die Fähigkeit der Prüfmasse behindern kann, sich in Reaktion auf Beschleunigungen frei zu bewegen. Um das Anhaften zu vermeiden, können ein oder mehrere Erhebungen auf der Oberseite und/oder der Unterseite der Prüfmasse 200 angeordnet sein.
  • 9 ist eine Seitenansicht eines Winkelbeschleunigungsmessers, der eine Prüfmasse 200 aufweist, die eine oder mehrere Unterseiten-Erhebungen 904, die an der Unterseite der Prüfmasse angeordnet sind, und eine oder mehrere Oberseiten-Erhebungen 902, die an der Oberseite der Prüfmasse angeordnet sind, aufweist. Die Unterseiten-Erhebungen können konfiguriert sein, zu verhindern, dass die Unterseite der Prüfmasse am Substrat 501 hängenbleibt. Die Unterseiten-Erhebungen können an irgendeinem geeigneten Ort der Unterseite der Prüfmasse 200 angeordnet sein. Die Unterseiten-Erhebungen 904 können z. B. an der Unterseite des gebogenen Balkens 201 angeordnet sein. Die Oberseiten-Erhebungen können konfiguriert sein, zu verhindern, dass die Oberseite der Prüfmasse am Abdeckstopper 801 hängenbleibt. Die Oberseiten-Erhebungen 902 können z. B. an der Oberseite des gebogenen Balkens 201 an Orten in der xy-Ebene, die den Abdeckstoppern 801 entsprechen, angeordnet sein, wie in 8 veranschaulicht ist.
  • Die Merkmale und Ausführungsformen nach den 3–9 sind im Zusammenhang mit der Prüfmasse 200 beschrieben worden. Es sollte jedoch erkannt werden, dass derartige Merkmale und Ausführungsformen alternativ im Zusammenhang mit der Prüfmasse 250 verwendet werden können.
  • Die Aspekte der vorliegenden Anmeldung können einen oder mehrere Vorteile bereitstellen, von denen einige vorher beschrieben worden sind. Nun werden einige nicht einschränkende Beispiele derartiger Vorteile beschrieben, obwohl erkannt werden sollte, dass nicht alle Aspekte und Ausführungsformen notwendigerweise alle Vorteile bereitstellen, die nun beschrieben werden, und dass Vorteile zusätzlich zu jenen, die nun beschrieben werden, mit einigen der Aspekte verwirklicht werden können.
  • Die Aspekte der vorliegenden Anmeldung ermöglichen 3-Achs Beschleunigungsmesser mit einer einzigen Prüfmasse, die einen minimalen Signalversatz zeigen. Der Signalversatz kann durch eine mechanische Beanspruchung verursacht werden, die durch die beschleunigungsempfindlichen Elemente erfahren wird. Der Signalversatz kann in Winkelbeschleunigungsmessern besonders stark sein, die einzelne Verankerungspfosten aufweisen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung kann der Betrag der durch die Abtastelemente erfahrenen mechanischen Beanspruchung durch das Verlängern der Abtastelemente zur Mitte der Prüfmasse verringert werden.
  • Die Aspekte der vorliegenden Anmeldung ermöglichen 3-Achs Beschleunigungsmesser mit einer einzigen Prüfmasse, die eine hohe und in wenigstens einigen Ausführungsformen maximale Detektionsempfindlichkeit aufweisen. Die Detektionsempfindlichkeit kann durch das Positionieren der Elemente, die die Beschleunigung um die x-Achse und/oder die y-Achse abtasten, in Abständen von dem Verankerungspfosten, die größer als die Abstände zwischen irgendeinem der z-Abtastelemente und dem Verankerungspfosten sind, vergrößert werden.
  • Die Aspekte der vorliegenden Anmeldung stellen leistungsarme 3-Achs Beschleunigungsmesser bereit. Die Beschleunigungsmesser können Leistung verbrauchen, die in einigen Ausführungsformen kleiner als 100 Mikrowatt ist, kleiner als 20 Mikrowatt ist, kleiner als 10 Mikrowatt ist, zwischen 5 und 50 Mikrowatt liegt oder irgendeinen Wert oder Bereich von Werten innerhalb derartiger Bereiche aufweist. Der Beschleunigungsmesser kann über die Ausgangsdatenraten weniger als 20 Mikroampere verbrauchen. Folglich können sich die Beschleunigungsmesser für leistungsarme Anwendungen, wie z. B. die Verwendung innerhalb batteriebetriebener Vorrichtungen, eignen.
  • Die Winkelbeschleunigungsmesser gemäß einem oder mehreren Aspekten der vorliegenden Anmeldung können verschiedene vorteilhafte Betriebseigenschaften bereitstellen. In einigen Ausführungsformen können die Beschleunigungsmesser eine Detektion von Winkelgeschwindigkeiten zwischen 1.000 rad/s2 und 20.000 rad/s2 oder irgendeinem Bereich innerhalb derartiger Bereiche bereitstellen. Variable und mehrzellige Kämme können die seitliche Kapazität vergrößern und in einigen Ausführungsformen maximieren. Es kann eine vorteilhafte Dimensionierung bereitgestellt werden. Die Prüfmasse kann z. B. in einigen Ausführungsformen einen Radius zwischen 800 Mikrometern und 950 Mikrometern aufweisen. Die Vorrichtung kann unter Verwendung von 16-Mikrometer-MEMS-Bearbeitungstechniken herstellbar sein. In einigen Ausführungsformen kann ein Temperatursensor mit dem Beschleunigungsmesser integriert sein. Es kann ein Drei- und ein Vierdraht-SPI bereitgestellt werden.
  • Die 3-Achs Winkelbeschleunigungsmesser der hier beschriebenen Typen können einen Teil verschiedener Systeme mit Anwendungen in verschiedenen Gebieten, wie z. B. unter anderem Sport, Gesundheitsfürsorge, industrielle Situationen (z. B. die Überwachung des Maschinenzustands), bilden. Die verschiedenen Systeme können einen Teil in einem Internet der Dinge bilden oder in einem Internet der Dinge verwendet werden. Nun werden Beispiele derartiger Systeme und Anwendungen beschrieben.
  • 10A veranschaulicht ein Beispiel eines Typs des Systems, das einen Winkelbeschleunigungsmesser, wie er hier beschrieben ist, enthält, und der als ein Winkelbeschleunigungssensor betrachtet werden kann. Das System 1000 A enthält einen Winkelbeschleunigungsmesser 1002, eine Ausleseschaltungsanordnung 1004, eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle (E/A-Schnittstelle) 1006 und eine Leistungseinheit 1050. Der Winkelbeschleunigungsmesser 1002 kann des Typs, der im Zusammenhang mit den 1–3, 5A–5C, 6, 7A, 7B, 8, 9 beschrieben worden ist, oder irgendein geeigneter hier beschriebener Typ sein.
  • Die Ausleseschaltungsanordnung 1004 kann konfiguriert sein, Signale bereitzustellen, die zu der (den) Winkelbeschleunigung(en) proportional sind, die durch den Winkelbeschleunigungsmesser 1004 abgetastet werden. Die Ausleseschaltungsanordnung 1004 kann z. B. mit den in 5C gezeigten Metallanschlussflächen verbunden sein, um Signale zu erzeugen, die zu den abgetasteten Kapazitäten proportional sind. Die Ausleseschaltungsanordnung 1004 kann z. B. mit Folgenden verbunden sein: (a) den Metallanschlussflächen Sx – und Sx +; und/oder (b) den Metallanschlussflächen Sy – und Sy +; und/oder (c) den Metallanschlussflächen Sz – und Sz +. Von diesen Verbindungen kann die Ausleseschaltungsanordnung 1004 jeweilige Signale erzeugen, die zu den jeweiligen Kapazitäten der Kondensatoren Cx – und Cx +, Cy – und Cy + und Cz – und Cz + proportional sind. In einigen Ausführungsformen kann das Signal (können die Signale) einseitig erzeugt werden, während sie in anderen Ausführungsformen differentiell sein können. Die Ausleseschaltungsanordnung kann sowohl irgendwelche geeigneten Komponenten zum Ausführen derartiger Auslesefunktionen als auch eine Schaltungsanordnung für Signalverarbeitungsfunktionen, wie z. B. Filterung, Verstärkung und Demodulierung, enthalten. Die Ausleseschaltungsanordnung kann in einigen Ausführungsformen einen Transimpedanzverstärker umfassen. Die Ausleseschaltungsanordnung kann in einigen Ausführungsformen eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) sein und kann in einigen Ausführungsformen auf einem von dem Winkelbeschleunigungsmesser verschiedenen Substrat oder auf demselben Substrat ausgebildet sein.
  • In dem System nach 10A ist die Ausleseschaltungsanordnung 1004 mit der E/A-Schnittstelle 1006 verbunden, die als eine Kommunikationsschnittstelle dienen kann, durch die das System 1000 A mit einer externen Vorrichtung, wie z. B. einem entfernten Computer oder Server, kommuniziert. Folglich kann die E/A-Schnittstelle 1006 die durch den Winkelbeschleunigungsmesser 1002 abgetastete(n) Winkelbeschleunigung(en) zur weiteren Verarbeitung und/oder Anzeige zum Äußeren des Systems 1000 A übertragen. Zusätzlich oder alternativ kann die E/A-Schnittstelle 1006 die Kommunikationen von einer externen Vorrichtung, wie z. B. Steuersignale, drahtlose Ladesignale oder Software-Aktualisierungen, empfangen.
  • Die E/A-Schnittstelle 1006 kann verdrahtet oder drahtlos sein. Geeignete verdrahtete Verbindungen enthalten unter anderem Verbindungen des universellen seriellen Busses und Firewire-Verbindungen. In diesen Ausführungsformen, in denen eine verdrahtete Verbindung verwendet wird, kann die Verbindung steckbar sein. Verdrahtete Verbindungen können in Situationen verwendet werden, in denen das System 1000 A relativ unbeweglich ist, z. B. wenn es an einem im Wesentlichen stationären Objekt befestigt ist oder wenn der Abstand zwischen dem System 1000 A und einer externen Vorrichtung, mit der es kommuniziert, relativ konstant bleibt. In einigen Ausführungsformen kann jedoch die E/A-Schnittstelle drahtlos sein, z. B. über eine flexible Hochfrequenz-Antenne (HF-Antenne) kommunizieren.
  • 11 veranschaulicht einen Blockschaltplan einer beispielhaften Implementierung einer E/A-Schnittstelle 1006. Die drahtlose E/A-Schnittstelle 1100 nach 11 kann als die E/A-Schnittstelle 1006 nach 10A dienen. Die drahtlose E/A-Schnittstelle 1100 kann konfiguriert sein, Daten über Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth Low Energy (BLE), Zigbee, Thread, ANT, ANT+, IEEE 802.15.4, IEEE 802.11.ah oder irgendein anderes geeignetes drahtloses Kommunikationsprotokoll zu senden und/oder zu empfangen. Alternativ oder zusätzlich kann die drahtlose E/A-Schnittstelle konfiguriert sein, Daten unter Verwendung proprietärer Verbindbarkeitsprotokolle zu senden und/oder zu empfangen. Die drahtlose E/A-Schnittstelle 1100 kann eine Antenne 1102, einer HF-Anpassung 1104, einen Multiplexer (mix) 1106, die Verstärker 1108 und 1112, einen Empfangsweg 1110, einen Sendeweg 1114, ein Funkmodem 1116, einen Funkprozessor 1118, eine Speicherzugriffssteuerung 1120, einen Host-Prozessor 1122, ein digitales E/A-Modul 1124, eine Systemdiagnose 1130, die Speicher 1132 und 1134, einen Speicherdirektzugriff 1136, einen Zeitgeber 1138, ein Systemleistungsmanagement 1140, eine Mischsignalsensorschnittstelle 1142 oder irgendeine geeignete Kombination daraus umfassen. Die Antenne 1102 kann eine Mikrostreifenantenne, eine Schleifenantenne, eine Schlitzantenne, eine serpentinenförmige Antenne oder irgendeinen anderen geeigneten Typ von Antenne umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Antenne 1102 eine oder mehrere Kohlenstoffnanoröhrchenantennen umfassen. Die HF-Anpassung 1104 kann mit der Antenne 1102 verbunden sein und kann eine Schaltungsanordnung umfassen, die konfiguriert ist, eine Impedanzanpassung bereitzustellen und/oder eine Sollimpedanz bereitzustellen. Der Multiplexer (mux) 1106 kann konfiguriert sein, die Kommunikationskanäle im Zeitbereich und/oder im Frequenzbereich zu kombinieren und/oder zu trennen. Alternativ oder zusätzlich kann der Multiplexer 1106 konfiguriert sein, die zu der Antenne 1102 gelenkten Sendesignale von den durch die Antenne 1102 erhaltenen Empfangssignalen zu trennen. Der Verstärker 1108 kann konfiguriert sein, ein mit der Antenne 1102 empfangenes Signal zu verstärken. In einigen Ausführungsformen kann ein Empfangsweg 1110 bereitgestellt sein, wobei er an den Verstärker 1108 gekoppelt sein kann. Der Empfangsweg 1110 kann in einigen Ausführungsformen ein Filter umfassen. Ähnlich kann der Sendeweg 1114 ein Filter umfassen, wobei er konfiguriert sein kann, dem Verstärker 1112 ein Sendesignal bereitzustellen. Das Funkmodem 1116 kann eine Schaltungsanordnung umfassen, die konfiguriert ist, ein Signal für die Sendung zu modulieren und/oder die empfangenen Signale zu demodulieren.
  • Der Funkprozessor 1118 kann konfiguriert sein, den Typ des Kommunikationsprotokolls, die Datenrate, den Kommunikationskanal, den zu sendenden Datentyp oder irgendeinen anderen geeigneten Sendeparameter auszuwählen. Die zu sendenden Daten können innerhalb des Speichers 1132 oder des Speichers 1134 gespeichert sein. Der Funkprozessor 1118 kann konfiguriert sein, auf die in irgendwelchen der Speicher der drahtlosen E/A-Schnittstelle 1100 gespeicherten Daten zuzugreifen. Die Speicherzugriffssteuerung 1120 und der Speicherdirektzugriff 1136 können konfiguriert sein, auf irgendwelche der Speicher der drahtlosen E/A-Schnittstelle 1100 unabhängig von dem Funkprozessor 1118 zuzugreifen. Der Host-Prozessor kann z. B. einen Zugriff auf den Speicher unter Verwendung des Speicherdirektzugriffs 1136 anfordern, ohne ein Unterbrechungssignal an den Funkprozessor 1118 senden zu müssen. Der Host-Prozessor 1122 kann konfiguriert sein, die Operationen der drahtlosen E/A-Schnittstelle 1100 zu steuern. Der Host-Prozessor kann z. B. das Systemleistungsmanagement 1140 steuern, um die drahtlose E/A-Schnittstelle in einen Schlafmodus zu versetzen und folglich die Lebensdauer der Batterie zu erhöhen. Die E/A-Schnittstelle kann zu bestimmten vorgegebenen Zeitpunkten in den Schlafmodus versetzt werden. In einigen Ausführungsformen kann die E/A-Schnittstelle in den Schlafmodus versetzt sein und kann in regelmäßigen Intervallen, wie z. B. einmal pro Sekunde, aufwachen, um zu überwachen, ob eine Vorrichtung, wie z. B. die ASIC 1010, ein Wecksignal bereitgestellt hat. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, Wecksignale bereitzustellen, wenn ein Sensor, wie z. B. der Beschleunigungsmesser 1002, ein Signal oder eine Signalvariation detektiert hat. In einigen Ausführungsformen kann der Schlaf/Wach-Arbeitszyklus kleiner als 50 %, kleiner als 20 %, kleiner als 1 % oder kleiner als 0,1 % sein.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Host-Prozessor 1122 konfiguriert sein, eine Datenkompression an den durch einen Sensor, wie z. B. den Winkelbeschleunigungsmesser 1002, erhaltenen Daten auszuführen. Die Kompression kann z. B. das Erzeugen einer Datenmenge umfassen, die die Variationen in einer vorhandenen Datenmenge repräsentiert. Die Kompression kann ausgeführt werden, um die Größe eines zu sendenden Pakets oder einer zu sendenden Folge zu verringern.
  • Der Zeitgeber 1138 kann der drahtlosen E/A-Schnittstelle 1100 eine Zeitbasis bereitstellen. Die Systemdiagnose 1130 kann konfiguriert sein, Tests auszuführen, um die Integrität irgendeiner geeigneten Kombination der Komponenten der drahtlosen E/A-Schnittstelle 1100 zu verifizieren. Die Mischsignalsensorschnittstelle 1142 und das digitale E/A-Modul 1124 können konfiguriert sein, die mit einem oder mehreren Sensoren erhaltenen Signale bereitzustellen.
  • In einigen Ausführungsformen kann die drahtlose E/A-Schnittstelle 1100 konfiguriert sein, einen kontinuierlichen Datenfluss zu senden. In derartigen Ausführungsformen können die durch einen Sensor, wie z. B. den Winkelbeschleunigungsmesser 1002, erhaltenen Daten in einem Streaming-Modus gesendet werden. In anderen Ausführungsformen können die Daten innerhalb eines Speichers der E/A-Schnittstelle, z. B. des Speichers 1132 oder 1134, gepuffert werden. In derartigen Ausführungsformen kann ein Prozessor, wie z. B. der Funkprozessor 1118 oder der Host-Prozessor 1122, konfiguriert sein, auf die in dem Speicher gepufferten Daten zuzugreifen und die Daten der Antenne 1102 für die Sendung bereitzustellen. Die Antenne 1102 und/oder irgendeine geeignete Komponente der drahtlosen E/A-Schnittstelle 1100 können in einigen Ausführungsformen auf einem Substrat, wie z. B. einem flexiblen Substrat, angeordnet sein.
  • In 10A kann die Leistungseinheit 1050 einigen oder allen Komponenten des Systems 1000 A Leistung bereitstellen, wobei sie verschiedene Formen annehmen kann. In einigen Ausführungsformen kann die Leistungseinheit 1050 eine oder mehrere Batterien umfassen. Wie vorher beschrieben worden ist, können die Winkelbeschleunigungsmesser der hier beschriebenen Typen in wenigstens einigen Ausführungsformen ausreichend wenig Leistung verbrauchen, um ihren Betrieb während ausgedehnter Zeiträume ausschließlich basierend auf Batterieleistung zu ermöglichen. Die Batterien können in einigen Ausführungsformen wiederaufladbar sein. Die Leistungseinheit 1050 kann eine oder mehrere Lithiumionenbatterien, Lithiumpolymerbatterien (LiPo-Batterien), superkondensatorbasierte Batterien, alkalische Batterien, Aluminiumionenbatterien, Quecksilberbatterien, Trockenzellenbatterien, Zink-Kohlenstoff-Batterien, Nickel-Kadmium-Batterien, Graphen-Batterien oder irgendeinen anderen geeigneten Batterietyp umfassen.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Leistungseinheit 1050 eine Schaltungsanordnung umfassen, um AC-Leistung in DC-Leistung umzusetzen. Die Leistungseinheit 1050 kann z. B. AC-Leistung von einer Leistungsquelle außerhalb des Systems 1000 A, wie z. B. über die E/A-Schnittstelle 1006, empfangen und die DC-Leistung einigen oder allen der Komponenten des Systems 1000 A bereitstellen. In derartigen Fällen kann die Leistungseinheit 1050 einen Gleichrichter, einen Spannungsregler, einen DC-DC-Umsetzer oder irgendeine andere geeignete Vorrichtung zur Leistungsumsetzung umfassen.
  • Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen Energieerntekomponenten und/oder Energiespeicherkomponenten enthalten. Die Energie kann von der umgebenden Umwelt geerntet und gespeichert werden, um das System 1000 A mit Energie zu versorgen, wenn sie benötigt wird, was eine periodische, zufällige oder kontinuierliche Versorgung mit Energie enthalten kann. Der implementierte Typ der Energieerntekomponenten kann basierend auf der erwarteten Umgebung des Systems 1000 A gewählt werden, z. B. basierend auf der erwarteten Größe und Frequenz der Bewegung, die das System 1000 A wahrscheinlich erfährt, den Betrag der Belastung, den das System wahrscheinlich erfährt, den Betrag der Lichtexposition, den das System wahrscheinlich erfährt, und/oder der (den) Temperatur(en), der (denen) das System wahrscheinlich ausgesetzt ist, und anderen möglichen Erwägungen. Beispiele geeigneter Energieerntetechniken sind bezüglich der 12, 13A–13B und 14, 15, 16, 17, 18, 19 und 20A–20B gezeigt und beschrieben.
  • 12 veranschaulicht einen Blockschaltplan einer beispielhaften Implementierung der Leistungseinheit 1050 gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen. Die Leistungseinheit 1050 kann eine oder mehrere Energieerntevorrichtungen 1201, eine oder mehrere wiederaufladbare Leistungsquellen 1203, ein oder mehrere Energiespeichersysteme 1202 und einen Controller 1204 umfassen. Die Energieerntevorrichtung 1201 kann eine oder mehrere von einer thermoelektrischen Energieerntevorrichtung 1211, einer Schwingungserntevorrichtung 1212, einer elektrischen Überlastungserntevorrichtung 1213, einer Photovoltaik-Erntevorrichtung 1214, einer Hochfrequenz-Erntevorrichtung (HF-Erntevorrichtung) 1215, einer Erntevorrichtung 1216 für kinetische Energie oder irgendeine geeignete Kombination daraus umfassen. Alternativ oder zusätzlich können andere geeignete Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Leistungseinheit 1050 einen Controller 1204 umfassen, der irgendeine geeignete Logikschaltungsanordnung, wie z. B. einen Prozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder eine feldprogrammierbare Gatteranordnung (FPGA), umfassen kann. Der Controller 1204 kann mit der wiederaufladbaren Leistungsquelle 1203 und/oder dem Energiespeichersystem 1202 und/oder der Energieerntevorrichtung 1201 verbunden sein. Basierend auf den Anforderungen des mit Energie versorgten Systems kann der Controller 1204 konfiguriert sein, den Typ der bereitgestellten Ausgangsleistung, wie z. B. Wechselstrom-(AC-) oder Gleichstrom-(DC-)Leistung, zu wählen. In einigen Ausführungsformen kann der Controller 1204 basierend auf der Verfügbarkeit der geernteten Leistung konfiguriert sein, zu wählen, ob die durch die Energieerntevorrichtung 1201 geerntete Leistung, die in der wiederaufladbaren Leistungsquelle 1203 oder dem Energiespeichersystem 1202 gespeicherte Leistung oder irgendeine geeignete Kombination daraus ausgegeben wird.
  • In den 13A–13B sind nicht einschränkende Beispiele der thermoelektrischen Energieerntevorrichtungen, die als die thermoelektrische Energieerntevorrichtung 1211 verwendet werden können, veranschaulicht. Die thermoelektrische Energieerntevorrichtung 1300 nach 13A kann mehrere thermoelektrische Elemente 1310A, 1310B über einer Substratschicht 1330 und innerhalb einer dielektrischen Schicht 1320 umfassen. Die thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B können Elemente verschiedener Typen eines thermoelektrischen Materials (z. B. des p-Typ und des n-Typs) enthalten. Die thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B können miteinander verbunden sein, so dass jedes thermoelektrische Element zu der durch die thermoelektrische Energieerntevorrichtung 1300 in Reaktion auf einen Temperaturgradienten zwischen einer ersten Seite (z. B. einer heißen Seite) und einer zweiten Seite (z. B. einer kalten Seite) bereitgestellten Gesamtenergie beiträgt. Über der dielektrischen Schicht 1320 kann eine Wärmekontaktschicht 1340 bereitgestellt sein, um die Temperaturgradienten zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite zu unterstützen. Die Wärmekontaktschicht 1340 kann aus einem Material hergestellt sein, das ein guter Wärmeleiter ist.
  • Wie in 13A gezeigt ist, kann die thermoelektrische Energieerntevorrichtung 1300 eine vertikale Struktur enthalten, die mit der dielektrischen Schicht 1320 bereitgestellt ist, wobei sie als ein einziger Wafer ausgebildet sein kann. Die Struktur im Wafer-Maßstab der thermoelektrischen Energieerntevorrichtung 1300 erlaubt, dass sie mit anderen (in 13A nicht gezeigten) integrierten Schaltungskomponenten auf dem oder in der Nähe des Substrats 1330 integriert wird.
  • Wie beschrieben worden ist, können die thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B verschiedene Typen thermoelektrischer Materialien (z. B. einen p-Typ und einen n-Typ) enthalten. Das thermoelektrische Material der thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B kann ausgewählt sein, um in Reaktion auf einen Temperaturunterschied zwischen den beiden Enden eine Strömung von Ladungsträgern mit unterschiedlicher Polarität von einem Ende des thermoelektrischen Elements zu einem entgegengesetzten Ende zu erzeugen. In einem thermoelektrischen Element 1310A, das ein p-Typ-Material enthält, können die positiven Ladungsträger von einem heißen Ende zu einem entgegengesetzten kalten Ende strömen. Im Gegensatz können in einem thermoelektrischen Element 1310B, das ein n-Typ-Material enthält, die Elektroden von einem Ende, das die Wärmequelle aufweist, zu dem entgegengesetzten Ende, das kühler ist, strömen.
  • Die mehreren thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B können in einer Anordnung verbunden sein, während der Typ des Materials (z. B. zwischen dem n-Typ und dem p-Typ) in den benachbarten thermoelektrischen Elementen 1310A und 1310B alterniert. In dieser Weise können die Spannungen und/oder Ströme, die über den thermoelektrischen Elementen 1310A und 1310B entwickelt werden, summiert werden, um eine größere Gesamtspannung und/oder einen größeren Gesamtstrom zu erzeugen, als die thermoelektrischen Elemente 1310A und 1310B einzeln erzeugen. Die thermoelektrischen Elemente 1310A, die ein p-Typ-Material aufweisen, können z. B. mit den thermoelektrischen Elementen 1310B, die ein n-Typ-Material aufweisen, in Reihe geschaltet sein. Die thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B können so angeordnet sein, dass alle einem gegebenen thermoelektrischen Element benachbarten thermoelektrischen Elemente einen Typ des Materials enthalten, der von dem des Materials des gegebenen thermoelektrischen Elements verschieden ist. Die Ausgänge der Anordnungen der thermoelektrischen Elemente 1310A und 1310B können parallelgeschaltet sein, um die in einer speziellen Anwendung erforderliche Energie bereitzustellen.
  • Die Zusammenschaltungen 1350 können die thermoelektrischen Elemente 1310A und 1310B mit den benachbarten thermoelektrischen Elementen 1310A und 1310B verbinden. Während jedes thermoelektrische Element 1310A, 1310B eine kleine Energiemenge bereitstellen kann, kann das Verbinden der thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B in einer Anordnung eine höhere Energie bereitstellen, die für eine spezielle Anwendung benötigt wird. Wenn auf eine Seite der thermoelektrischen Energieerntevorrichtung 1300 Wärme angewendet wird, können die Elektronen in den thermoelektrischen Elementen 1310A, die ein p-Typ-Material aufweisen, von der kalten Seite zu der heißen Seite der thermoelektrischen Elemente 1310A strömen, während die Elektronen in den thermoelektrischen Elementen 1310B, die das n-Typ-Material aufweisen, von der heißen Seite zu der kalten Seite der thermoelektrischen Elemente 1310B strömen können. Falls die thermoelektrischen Elemente 1310A mit den thermoelektrischen Elementen 1310B in Reihe geschaltet sind und ein Thermoelement bilden, können folglich die Elektronen von der kalten Seite des p-Typ-Materials zur heißen Seite des p-Typ-Materials, über die Zwischenverbindung 1350 in die heiße Seite des n-Typ-Materials und in die kalte Seite des n-Typ-Materials strömen. Die in jedem der thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B erzeugte Energie kann kombiniert werden und an den Ausgangsanschlüssen der thermoelektrischen Energieerntevorrichtung 1300 bereitgestellt werden.
  • Die thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B können eine Form aufweisen, die die Oberfläche des thermoelektrischen Elements 1310A, 1310B, die der dielektrischen Schicht 1320 benachbart ist, maximiert. Die thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B können eine rechteckige Form aufweisen, wobei die Seiten, die ein längeres Ende aufweisen, der dielektrischen Schicht 1320 benachbart sind, während die kürzeren Seiten den Zwischenverbindungen 1350 benachbart sind. In einer weiteren Ausführungsform kann wenigstens eine Seite der thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B ein Quadrat sein.
  • Das Material der thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B kann so gewählt sein, dass der Wärmewiderstand der thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B kleiner als der Wärmewiderstand der dielektrischen Schicht 1320 ist, so dass die dielektrische Schicht nicht zu viel Wärmenebenschluss verursacht. Ein hoher Wärmewiderstand der thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B kann sicherstellen, dass ein ausreichender Temperaturunterschied zwischen einer heißen Seite und einer kalten Seite der thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B aufrechterhalten wird. Der Wärmewiderstand der thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B kann durch das Steuern des Dotierungsniveaus der thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B oder durch das Einbringen von Streuelementen, um die Photonenstreuung in den thermoelektrischen Elementen 1310A, 1310B zu vergrößern, ohne ihre elektrische Leitung signifikant zu beeinflussen, erhöht werden. Die Konzentration des Dotierungsniveaus oder der Streuelemente kann an einem Ende des thermoelektrischen Elements 1310A, 1310B im Vergleich zu einem gegenüberliegenden Ende des thermoelektrischen Elements 1310A, 1310B vergrößert oder verkleinert werden.
  • Die thermoelektrischen Elemente 1310A können z. B. p-Typ-BixSb(2-x)Te3-, p-Typ-Bi2Te3/Sb2Te3-Supergitter oder p-Typ-Si/Si(1-x)Gex-Supergitter sein, während die thermoelektrischen Elemente 110B n-Typ-Bi2Te(3-x)Sex-, n-Typ-Bi2T3/Bi2Te(3-x)Sex-Supergitter oder n-Typ-Si/Si(1-x)Gex-Supergitter sein können. Die dielektrische Schicht 1320 kann ein Polyimid sein, da es eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist und es die Verarbeitung der thermoelektrischen Elemente fördern kann. Die Wärmekontaktschicht 1340 kann eine elektrisch isolierende, aber wärmeleitfähige Schicht sein. In einer Ausführungsform kann die Wärmekontaktschicht 1340 aus mehreren Schichten hergestellt sein. Die Wärmekontaktschicht 1340 kann z. B. eine dünne nichtleitende Schicht, wie z. B. ein Oxid oder ein Nitrid, und darauf eine oder mehrere dickere Metallschichten, um die Wärmeleitung zu verbessern, enthalten. Die Wärmekontaktschicht 1340 kann eine Isolation an der Grenzfläche zu der elektrischen Zwischenverbindungsschicht 1350 bereitstellen, um einen elektrischen Kurzschluss der elektrischen Zwischenverbindungsschichten 1350 zu verhindern. Das Substrat 1330 kann irgendein halbleitendes Substrat mit einer ausreichenden Dicke, um die Wärmeleitung an der Unterseite zu fördern, sein. Während die Konfiguration des Substrats 1330 als die kalte Seite und der oberen Wärmekontaktschicht 1340 als die heiße Seite gezeigt ist, kann die Vorrichtung außerdem mit dem Substrat 1330 als die heiße Seite und der oberen Wärmekontaktschicht 1340 als die kalte Seite funktionieren.
  • In den beispielhaften Ausführungsformen kann die dielektrische Schicht 1320 ein oder mehrere Materialien mit hohem dielektrischen Durchschlag, wie z. B. Polyimid, Siliciumdioxid, Siliziumnitrid oder irgendeinem anderen Typ eines Dielektrikums, umfassen. Die dielektrische Schicht 1320 kann die thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B elektrisch isolieren. Die dielektrische Schicht 1320 kann die Wärmeleitung weg von den thermoelektrischen Elementen 1310A, 1310B unterdrücken. Die dielektrische Schicht 1320 kann eine geringere Wärmeleitfähigkeit als das Substrat 1330 und/oder die thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B aufweisen. Die dielektrische Schicht 1320 kann die thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B an vier Seiten umgeben, um die thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B thermisch parallelzuschalten und um es zu ermöglichen, dass der Wärmegradient über den thermoelektrischen Elementen 1310A, 1310B entwickelt wird, und um es zu ermöglichen, dass sich die meiste Wärme zu den Seiten der thermoelektrischen Energieerntevorrichtung 1300 bewegt. Ein höherer Wärmewiderstand der thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B im Vergleich zum Wärmewiderstand des Substrats 1330 und/oder der Wärmekontaktschicht 1340 kann es ermöglichen, dass der verfügbare Wärmegradient anstatt über der Wärmekontaktschicht oder dem Substrat 1330 über den thermoelektrischen Elementen abfällt. Folglich kann ein Temperaturunterschied, der in einigen Ausführungsformen ein maximaler Temperaturunterschied sein kann, zwischen der heißen Seite und der kalten Seite der thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B aufrechterhalten werden.
  • Zwischen den thermoelektrischen Elementen 1310A, 1310B und den Zwischenverbindungen 1350 können Barrierenmetalle 1360 enthalten sein, um die Halbleitermaterialien der thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B von den Metallzwischenverbindungen 1350 zu isolieren, während eine elektrische Verbindung zwischen den thermoelektrischen Elementen 1310A, 1310B und den Zwischenverbindungen 1350 aufrechterhalten wird. Die Barrierenmetalle 1360 können enthalten sein, um die Diffusion der Zwischenverbindungen 1350 in die Halbleitermaterialien der thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B zu verhindern.
  • Wenn auf eine Seite (z. B. die heiße Seite) der thermoelektrischen Energieerntevorrichtung 1300 Wärme angewendet wird, können Elektronen in einer Richtung in die thermoelektrischen Elemente 1310A, die das p-Typ-Material aufweisen, und in einer anderen Richtung in die thermoelektrischen Elemente 1310B, die das n-Typ-Material aufweisen, strömen. Weil die thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B in Reihe geschaltet sind, kann die in jedem der thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B erzeugte Energie kombiniert werden, um die kombinierte Energie an den Ausgängen der thermoelektrischen Energieerntevorrichtung 1300 bereitzustellen. Die ankommende Wärme kann durch die Wärmekontaktschicht 1340 zu der heißen Seite der thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B verteilt werden, während das Substrat 1330 die kalte Seite der thermoelektrischen Elemente 1310A, 1310B kühlen kann.
  • 13B veranschaulicht eine beispielhafte Konfiguration einer thermoelektrischen Energieerntevorrichtung 1301 gemäß einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform, die als die thermoelektrische Energieerntevorrichtung 1211 nach 12 dienen kann. Die thermoelektrische Energieerntevorrichtung 1301 kann mehrere thermoelektrische Elemente 1370A, 1370B über der Substratschicht 1373 und innerhalb einer dielektrischen Schicht 1371 über der Substratschicht 1373 enthalten. Die thermoelektrischen Elemente 1370A, 1370B können in einer Anordnung angeordnet sein, während der Typ des Materials (z. B. zwischen einem n-Typ und einem p-Typ) in den benachbarten thermoelektrischen Elementen 1370A und 1370B abgewechselt wird. Die mehreren thermoelektrischen Elemente 1370A, 1370B können über die Zwischenverbindungen 1372 in Reihe geschaltet sein. Über den thermoelektrischen Elementen 1370A, 1370B kann eine Wärmekontaktschicht 1374 bereitgestellt sein, um die auf die thermoelektrische Energieerntevorrichtung 1201 angewendete Wärme abzuführen.
  • Wie in 13B gezeigt ist, können die thermoelektrischen Elemente 1370A und 1370B geneigt sein. Zusätzlich können die thermoelektrischen Elemente 1370A und 1370B an einem oder beiden Enden der thermoelektrischen Elemente 1370A und 1370B die Verbindungsabschnitte 1370C enthalten, die mit den Zwischenverbindungen 1372 verbunden sind. Die dielektrische Schicht 1371 kann es ermöglichen, dass die thermoelektrischen Elemente 1370A und 1370B verschiedene Formen und Orientierungen enthalten. Die Orientierung und/oder die Form der thermoelektrischen Elemente 1370A und 1370B können basierend auf dem verfügbaren Raum für die thermoelektrische Energieerntevorrichtung 1301 und/oder auf den Systemleistungsanforderungen geändert werden. Die verschiedenen Formen der thermoelektrischen Elemente 1370A, 1370B können es ermöglichen, dass die thermoelektrische Energieerntevorrichtung 1301 eine semivertikale oder quasilaterale Struktur aufweist. Diese Formen der thermoelektrischen Elemente 1370A, 1370B können es ermöglichen, dass die Dicke der thermoelektrischen Energieerntevorrichtung 1301 im Vergleich zu den in 13A gezeigten vertikalen thermoelektrischen Elementen verringert wird. Die Verwendung einer längeren Länge, bereitgestellt durch die geneigte Konfiguration, kann eine verbesserte thermische Impedanz der Vorrichtung bereitstellen. In einem Fall, in dem 1370A und 1370B Supergitter sind, kann die Vorrichtungsleistung mit einer thermischen und elektrischen Leitung entlang der geneigten Länge oder entlang den Quantentöpfen der Vorrichtung durch das Abscheiden von Supergittern 1370A und 1370B entlang der geneigten Oberfläche verbessert werden. Das Ändern der Orientierung der thermoelektrischen Elemente 1370A und 1370B kann den verfügbaren Raum (z. B. den vertikalen Raum) verringern, während es die Oberfläche des thermoelektrischen Elements 1370A und 1370B, die der dielektrischen Schicht 1371 benachbart ist, vergrößert und in einigen Ausführungsformen maximiert.
  • Die thermoelektrische Energieerntevorrichtung 1211, ob sie in der Form nach 13A, 13B oder in irgendeiner anderen Form verkörpert ist, kann für die Verwendungen der hier beschriebenen Systeme nach den 10A–10D vorteilhaft sein, wenn ein Temperaturgradient erwartet wird. Im Kontext von Industrieanwendungen, in denen das System 1000A an einer Maschine zu positionieren ist, die bei einer hohen Temperatur mit einer externen Kühlluftströmung arbeitet, kann eine thermoelektrische Energieerntevorrichtung ausreichend Leistung bereitstellen, um das System 1000A zu betreiben. Wenn alternativ das System 1000A eine tragbare Vorrichtung bilden soll, ob für Fitness- oder medizinische Anwendungen, kann eine Seite der Vorrichtung gegen die Haut oder die Kleidung eines Anwenders gepresst werden, während die andere Seite der Luft ausgesetzt sein kann. In derartigen Konfigurationen kann eine thermoelektrische Energieerntevorrichtung 1111 verwendet werden, um Energie zu ernten, wie im Zusammenhang mit den 13A–13B beschrieben worden ist.
  • Wie in 12 veranschaulicht ist, kann die Energieerntevorrichtung 1201 eine oder mehrere Schwingungserntevorrichtungen 1212 umfassen. Die Schwingungserntevorrichtungen können konfiguriert sein, die Energie, die mechanisch schwingenden Körpern zugeordnet ist, wenigstens teilweise zu ernten. In einigen Ausführungsformen können die Schwingungserntevorrichtungen Magneten und Spulen verwenden, um die Schwingungsenergie elektromagnetisch zu ernten. 14 veranschaulicht eine beispielhafte elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen. Die elektromagnetische Energieerntevorrichtung kann die Spulen 1411, 1421 mit Magnetkernen und die Magneten 1431, 1441 umfassen. Die Magneten können an MEMS-Federn 1451, 1455, 1461, 1465 bereitgestellt sein. In einigen Ausführungsformen können die Spulen 1411, 1421 an einem stationären Rahmen 1470, der durch den Begrenzungskasten in 14 dargestellt ist, angebracht sein. Die Magneten 1431, 1441 können über die MEMS-Federn 1451, 1465 an den Rahmen 1470 gekoppelt sein. Diese Konfiguration kann es ermöglichen, dass die Schwingungsenergie die Magneten 1431, 1441 veranlasst, sich in einer vorgegebenen Richtung bezüglich der Spulen 1411, 1421 in einem vorgegebenen Bewegungsbereich zu bewegen. Die Relativbewegung zwischen den Magneten 1431, 1441 und den Spulen 1411, 1421 kann Änderungen in der Größe und der Orientierung des magnetischen Flusses, der durch die Kerne der Spulen hindurchgeht, verursachen, was Variationen der Ströme durch die Spulen induzieren kann.
  • Die Energieerntevorrichtung nach 14 kann unter Verwendung mikroelektronischer Halbleitertechniken hergestellt werden. In einigen Ausführungsformen können die Magneten 1431, 1441 und die MEMS-Federn 1451, 1465 auf einem ersten integrierten Schaltungssubstrat unter Verwendung von Mikroherstellungstechniken hergestellt werden, während die Spulen 1411, 1421 außerdem unter Verwendung von Mikroherstellungstechniken auf einer zweiten integrierten Schaltung hergestellt werden können. Das erste integrierte Schaltungssubstrat würde außerdem den stationären Rahmen 1470 definieren. Der Zusammenbau der Erntevorrichtung kann durch das Anbringen der Spulen 1411, 1421 innerhalb des Rahmens 1470 in einer permanenten Weise abgeschlossen werden. In anderen Ausführungsformen können die Spulen 1411, 1421, die Magneten 1431, 1441 und die MEMS-Federn 1451, 1465 innerhalb eines einzigen integrierten Schaltungssubstrats hergestellt werden.
  • Die Schwingungserntevorrichtung 1212, ob sie in der Form nach 14 oder in irgendeiner anderen Form verkörpert ist, kann für die Verwendungen der hier beschriebenen Systeme nach den 10A–10D vorteilhaft sein, wenn Schwingungen erwartet werden. In dem Kontext der Systeme, die konfiguriert sind, um Schwingungen, die durch Brücken, Gebäude, Überführungen, Masten oder Türme erlitten werden, unter Verwendung der Beschleunigungsmesser des hier beschriebenen Typs zu detektieren, kann eine Schwingungserntevorrichtung 1212 verwendet werden, um die Schwingungsenergie zu ernten. Alternativ kann im Kontext der Systeme zur Detektion von Beschleunigungen, die Türen oder Fenstern zugeordnet sind, an denen sie angebracht sind, eine Schwingungserntevorrichtung 1212 verwendet werden, um die Schwingungsenergie zu ernten. Alternativ kann im Kontext eines Systems zum Detektieren der Beschleunigungen, die Fahrradpedalen, Fahrradrädern, einem Laufsensor, Helmen, Schlägern, Keulen, Schlaghölzern oder Bällen, an denen es angebracht ist, zugeordnet sind, eine Schwingungserntevorrichtung 1212 verwendet werden, um die Schwingungsenergie zu ernten.
  • Wie in 12 veranschaulicht ist, kann die Energieerntevorrichtung 1201 eine oder mehrere elektrische Überlastungserntevorrichtungen 1213 umfassen. Eine elektrische Überlastungserntevorrichtung 1213 kann konfiguriert sein, die Energie von elektrischen Überlastungsereignissen zu ernten. Die Überlastungsereignisse enthalten Ströme und/oder Spannungen, die sich außerhalb der spezifizierten Grenzen der elektronischen Vorrichtung befinden. Eine elektronische Vorrichtung kann z. B. ein Übergangssignalereignis oder ein elektrisches Signal mit kurzer Dauer, das eine sich schnell ändernde Spannung oder eine hohe Leistung aufweist, erfahren. Die Übergangsereignisse können z. B. elektrostatische Entladungsereignisse (ESD-Ereignisse) enthalten, die sich aus einer plötzlichen Freisetzung von Ladung von einem Objekt oder einer Person zu einem elektronischen System oder einer Spannungs-/Stromspitze von der Leistungsquelle der elektrischen Vorrichtung ergeben.
  • In einigen Ausführungsformen kann die durch ein elektrisches Überlastungsereignis freigesetzte Energie geerntet werden und in der Form elektrischer Ladungen in einem oder mehreren Energiespeicherelementen, wie z. B. einem Kondensator oder Batterien, gespeichert werden. In den Situationen, in denen eine z. B. von einem ESD-Ereignis geerntete vorübergehende/Übergangsladung ausreichend ist, um eine Aufgabe auszuführen, kann eine elektronische Vorrichtung die Aufgabe unter Verwendung der geernteten Ladung ausführen. Wenn die Energie geerntet wird, kann die Spannung an einem Kondensator in dem Speicherelement überwacht werden. In Reaktion auf das Detektieren, dass eine ausreichende Ladung in dem Kondensator gespeichert ist, kann eine Unterbrechung bereitgestellt werden, um das System zu informieren, dass ausreichend Energie verfügbar ist, um ein Signal von dem elektronischen System zu senden.
  • In 15A ist eine beispielhafte elektrische Überlastungserntevorrichtung gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen veranschaulicht. Die elektrische Überlastungserntevorrichtung 1570 kann konfiguriert sein, die einem elektrostatischen Entladungsereignis zugeordnete Ladung in einer Bank von Speicherelementen zu speichern. In einigen Fällen können mehrere elektrostatische Entladungsereignisse auftreten. Derartige Ereignisse können unterschiedliche Größen aufweisen. Das Vorhandensein einer Bank von Speicherelementen kann es ermöglichen, dass die verschiedenen Ereignissen zugeordnete Ladung effizient gespeichert wird. Mehrere Schalter 1574 a, 1574 b, 1574 c und 1574 d können jeder in Reihe mit einem jeweiligen Kondensator 1572 a, 1572 b, 1572 c und 1572 d angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können die Schalter selektiv eingeschaltet werden, um die jeweiligen Kondensatoren mit einer Diode 1564 zu verbinden. Die Energie, die einem elektrostatischen Entladungsereignis am Anschlussstift 31 zugeordnet ist, kann durch die Diode 1564 zu einem der Kondensatoren 1572 a, 1572 b, 1572 c und 1572 d gelenkt werden. Eine Spannungsüberwachungsschaltung 1576 kann die durch die Kondensatoren gespeicherte Ladung überwachen. Die Spannungsüberwachungsschaltung kann bestimmen, welcher Kondensator die geringste darin gespeicherte Ladungsmenge aufweist und/oder welche Kondensatoren Ladungen unter einem vorgegebenen Schwellenwert aufweisen. Eine Schaltersteuerschaltung 1578 kann einen ausgewählten Schalter einschalten, um die Diode mit dem Kondensator, der die geringste Ladungsmenge aufweist, oder alternativ mit einem Kondensator, der eine Ladungsmenge aufweist, die kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist, zu verbinden. Die ESD-Schutzvorrichtung 1561 kann die Klemmung für elektrostatische Entladungsereignisse, die die Kapazität des Systems übersteigen, bereitstellen. In einigen Ausführungsformen ist eine ESD-Schutzvorrichtung 1562 zu einer Diode 1564 parallel angeordnet, wobei sie sie folglich vor ESD-Ereignissen schützt. In einigen Ausführungsformen ist die ESD-Schutzvorrichtung 1568 zu der Bank von Kondensatoren parallel angeordnet, wobei sie sie folglich vor ESD-Ereignissen schützt.
  • In 15B ist ein nicht einschränkendes Beispiel einer ESD-Schutzvorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen veranschaulicht. Die elektrische Überlastungsschutzvorrichtung 1560 kann als die ESD-Schutzvorrichtung 1561, 1562 und/oder 1568 dienen. Die elektrische Überlastungsschutzvorrichtung 1560 kann eine Diode 1565 umfassen, die in einer mit einer Diode 1566 antiparallelen Konfiguration angeordnet ist, so dass die Kathode der Diode 1565 mit der Anode der Diode 1566 und umgekehrt verbunden ist. Es sind außerdem andere Konfigurationen möglich. In einer weiteren Ausführungsform kann die Schutzvorrichtung vor elektrostatischen Entladungen zwei in Reihe angeordnete Dioden umfassen, so dass die Anode der ersten Diode an die Anode der zweiten Diode gekoppelt ist oder die Kathode der ersten Diode an die Kathode der zweiten Diode gekoppelt ist. In einer noch weiteren Ausführungsform kann eine elektrische Überlastungsschutzvorrichtung wenigstens einen Transistor, wie z. B. einen Bipolartransistor, als eine Blockierkomponente umfassen.
  • Wie in 12 veranschaulicht ist, kann die Energieerntevorrichtung 1201 eine oder mehrere Photovoltaik-Erntevorrichtungen 1214 umfassen. Die Photovoltaik-Erntevorrichtung 1214 kann konfiguriert sein, Licht, wie z. B. Sonnenlicht, zu absorbieren und in Elektrizität umzusetzen. Die Photovoltaik-Erntevorrichtung 1214 kann Photovoltaik-Energie in irgendeiner geeigneten Weise ernten. Die Photovoltaik-Erntevorrichtung 1214 kann z. B. eine oder mehrere kristalline Photovoltaikzellen, eine oder mehrere Dünnschicht-Photovoltaikzellen, eine oder mehrere Photovoltaikzellen aus amorphen Silicium oder irgendeinen anderen geeigneten Typ einer Photovoltaikzelle umfassen.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Photovoltaik-Erntevorrichtung 1214 mit einem oder mehreren MEMS-Winkelbeschleunigungsmessern des hier beschriebenen Typs auf demselben Die gemeinsam integriert sein. Die Erntevorrichtung und der Beschleunigungsmesser können z. B. in derselben Schicht einer integrierten Schaltung nebeneinander angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können die Photovoltaik-Erntevorrichtung und der Beschleunigungsmesser vertikal integriert sein. 16 veranschaulicht ein integriertes System, das einen oder mehrere Winkelbeschleunigungsmesser und eine oder mehrere Photovoltaik-Erntevorrichtungen umfasst, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen.
  • Das integrierte System 1600 kann mehrere gestapelte Schichten umfassen, die unter Verwendung von Mikroherstellungs-Bearbeitungstechniken oder anderen geeigneten Verfahren gebildet worden sind. Das integrierte System 1600 kann eine Erntevorrichtungsschicht 1601, eine Energiespeicherschicht 1602, eine MEMS-Schicht 1603 und eine Konditionierungs-/Verarbeitungsschaltungsschicht 1604 umfassen. Die Schichten können in irgendeiner geeigneten Weise geordnet sein. Das integrierte System 1600 kann ferner die Zwischenverbindungen 1621, 1622 und 1623 und eine oder mehrere Zwischenverbindungen 1610 umfassen. Die Erntevorrichtungsschicht 1601 kann eine oder mehrere Photovoltaik-Erntevorrichtungen 1214 und/oder andere Typen von Energieerntevorrichtungen, wie z. B. die im Zusammenhang mit den 13A–13B, 14 beschriebenen Erntevorrichtungen, umfassen. Die Energiespeicherschicht 1602 kann ein oder mehrere Energiespeicherelemente, wie z. B. Kondensatoren und/oder Superkondensatoren, umfassen. Die Superkondensatoren werden im Folgenden weiter beschrieben. Das Energiespeicherelement kann (die Energiespeicherelemente können) konfiguriert sein, die durch die Erntevorrichtung(en) der Erntevorrichtungsschicht 1601 geerntete Energie, z. B. in der Form elektrischer Ladungen, zu speichern.
  • Die MEMS-Schicht 1603 kann ein oder mehrere Winkelbeschleunigungsmesser des Typs, der im Zusammenhang mit den 1–3, 5A–5C, 6, 7A, 7B, 8, 9 beschrieben worden ist, oder irgendeine geeignete Kombination daraus umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die MEMS-Schicht 1603 einen oder mehrere Linearbeschleunigungsmesser, wie z. B. 1-Achs, 2-Achs und/oder 3-Achs Linearbeschleunigungsmesser, umfassen. Die Konditionierungs-/Verarbeitungsschaltungsschicht 1604 kann eine Schaltungsanordnung zum Verarbeiten und Konditionieren von Signalen und/oder zum Steuern der anderen Komponenten des integrierten Systems 1600 umfassen. Die Stapel können durch Metallzwischenverbindungen, wie z. B. durchgehende Silicium-Durchkontaktierungen (TSVs), miteinander verbunden sein. Es können jedoch andere Typen von Zwischenverbindungen verwendet werden. Die Zwischenverbindung 1621 kann z. B. konfiguriert sein, die Signale von der Konditionierungs-/Verarbeitungsschaltungsschicht 1604 zu der MEMS-Schicht 1603 und/oder umgekehrt zu leiten. Die Zwischenverbindung 1622 kann konfiguriert sein, die Signale von der Konditionierungs-/Verarbeitungsschaltungsschicht 1604 zu der Energiespeicherschicht 1602 oder der MEMS-Schicht 1603 und/oder umgekehrt zu leiten. Die Zwischenverbindung 1623 kann konfiguriert sein, die Signale von irgendwelchen der Schichten des integrierten Systems 1600 zu irgendeiner anderen Schicht zu leiten. Die Zwischenverbindung 1610 kann eine Metallsäule, eine Metallerhebung, eine Metallkugel, einen Metallstift oder irgendeinen anderen geeigneten Typ einer Zwischenverbindung umfassen, der konfiguriert ist, mit einer Leiterplatte verbunden zu sein.
  • Die Photovoltaik-Erntevorrichtung 1214, ob sie in der Form nach 16 oder in irgendeiner anderen Form verkörpert ist, kann für die Verwendungen der hier beschriebenen Systeme nach den 10A–10D vorteilhaft sein, wenn eine Exposition durch Licht, wie z. B. Sonnenlicht, erwartet wird. Im Kontext der Systeme unter Verwendung der Beschleunigungsmesser des hier beschriebenen Typs zum Detektieren von Schwingungen, die durch Brücken, Gebäude, Überführungen, Masten oder Türme erlitten werden, kann die Photovoltaik-Erntevorrichtung 1214 verwendet werden, wobei sie angeordnet sein kann, um Licht, wie z. B. Sonnenlicht, wenigstens während eines Abschnitts des Tages zu erfassen. Alternativ kann im Kontext der tragbaren Vorrichtungen für eine medizinische oder Fitnessanwendung ein System zum Detektieren von Beschleunigungen des hier beschriebenen Typs eine Photovoltaik-Erntevorrichtung 1214 umfassen. Das System kann in einer Weise angeordnet sein, um wenigstens vorübergehend Licht zu erfassen.
  • Wie in 12 veranschaulicht ist, kann die Energieerntevorrichtung 1201 eine oder mehrere Hochfrequenz-Erntevorrichtungen (HF-Erntevorrichtungen) 1215 umfassen. Die Hochfrequenz-Erntevorrichtung (HF-Erntevorrichtung) 1215 kann eine oder mehrere Antennen, wie z. B. eine Mikrostreifenantenne, eine Schleifenantenne oder eine Schlitzantenne, umfassen, die konfiguriert sind, elektromagnetische Energie zu erfassen. In einigen Ausführungsformen kann die HF-Erntevorrichtung 1215 auf einem Substrat, wie z. B. einem flexiblen Substrat, angeordnet sein. Die HF-Erntevorrichtung 1215 kann konfiguriert sein, die Energie von elektromagnetischer Strahlung, die Frequenzen in einigen Ausführungsformen zwischen 1 GHz und 10 GHz, in einigen Ausführungsformen zwischen 2 GHz und 3 GHz oder zwischen irgendeinem anderen geeigneten Frequenzbereich aufweist, zu ernten. In einigen Ausführungsformen kann die HF-Erntevorrichtung 1215 einen HF-Sender und einen HF-Empfänger umfassen. Der HF-Sender kann konfiguriert sein, elektromagnetische Strahlung zu emittieren, während der HF-Empfänger konfiguriert sein kann, wenigstens einen Anteil der durch den HF-Sender emittierten elektromagnetischen Strahlung zu ernten.
  • Wie in 12 veranschaulicht ist, kann die Energieerntevorrichtung 1201 eine oder mehrere Erntevorrichtungen 1216 für kinetische Energie umfassen. Die Erntevorrichtung für kinetische Energie kann konfiguriert sein, die durch eine Niederfrequenzbewegung, die in Zufallsrichtungen gerichtet ist, erzeugte kinetische Energie zu erfassen. Die Erntevorrichtung für kinetische Energie kann z. B. konfiguriert sein, die kinetische Energie zu erfassen, die den Bewegungen eines Objekts oder einer Person (z. B. einer joggenden Person) zugeordnet ist. In einigen Ausführungsformen kann die Erntevorrichtung 1216 für kinetische Energie ein Gehäuse, das eine innere Kammer mit einer Innenwand bildet, und ein innerhalb der inneren Kammer enthaltenes bewegliches Element umfassen. Das bewegliche Element kann konfiguriert sein, sich frei zu bewegen. Innerhalb der inneren Kammer kann die Erntevorrichtung für kinetische Energie mehrere piezoelektrische Ladungsumsetzungselemente umfassen, die entlang der Innenwand positioniert sind. Die mehreren piezoelektrischen Ladungsumsetzungselemente können nebeneinander positioniert sein, um sich mit dem beweglichen Element in Kontakt zu befinden, wenn sich das bewegliche Element innerhalb der inneren Kammer bewegt. In einigen Ausführungsformen kann das bewegliche Element konfiguriert sein, sich mit wenigstens zwei der mehreren nebeneinander positionierten piezoelektrischen Ladungsumsetzungselemente gleichzeitig in Kontakt zu befinden. Während der Verwendung kann sich das bewegliche Element in Reaktion auf eine Bewegung des gesamten Gehäuses (z. B. aufgrund der Schwerkraft oder der Trägheit) innerhalb der inneren Kammer frei bewegen.
  • Die Leistungseinheit 1050 kann eine wiederaufladbare Leistungsquelle 1203 umfassen. Die wiederaufladbare Leistungsquelle kann konfiguriert sein, durch extern bereitgestellte Leistung und/oder durch die durch eine oder mehrere Erntevorrichtungen bereitgestellte Energie wieder aufgeladen zu werden. Ein nicht einschränkendes Beispiel einer wiederaufladbaren Leistungsquelle ist eine wafer-bedeckte wiederaufladbare Leistungsquelle. Die wafer-bedeckte wiederaufladbare Leistungsquelle kann einen Vorrichtungs-Wafer, eine wiederaufladbare Leistungsquelle, die auf einer Oberfläche des Vorrichtungs-Wafers angeordnet ist, und einen Abdeck-Wafer, um die wiederaufladbare Leistungsquelle einzukapseln, umfassen. Die wiederaufladbare Leistungsquelle kann eine Anodenkomponente, eine Kathodenkomponente und eine Elektrolytkomponente umfassen. 17 veranschaulicht einen Querschnitt einer beispielhaften wafer-bedeckten wiederaufladbaren Leistungsquelle, die als die wiederaufladbare Leistungsquelle 1203 verwendet werden kann, gemäß einigen Ausführungsformen. Die wafer-bedeckte wiederaufladbare Leistungsquelle kann einen Vorrichtungs-Wafer 1702, eine wiederaufladbare Leistungsquelle 1703 und einen Abdeck-Wafer 1704 umfassen. Der Vorrichtungs-Wafer 1702 kann eine aktive Oberfläche und eine Rückseite aufweisen. Die wiederaufladbare Leistungsquelle 1703 kann einen Kathodenstromkollektor 1706, eine Kathodenkomponente 1708, eine Elektrolytkomponente 1714, eine Anodenkomponente 1716 und einen Anodenstromkollektor 1720 enthalten.
  • Die Elektrolytkomponente 1714 kann ein organisches Material oder ein ionisches flüssiges Material sein. Wenn die Elektrolytkomponente aus einem organischen Material, wie z. B. Propylencarbonat, Ethylencarbonat oder Dimethylcarbonat, ausgebildet ist, können der Kathodenstromkollektor 1706, die Kathodenkomponente 1708, die Anodenkomponente 1716 und der Anodenstromkollektor 1720 aus Metallen mit guter Leitfähigkeit, wie z. B. Aluminium, Kupfer oder Gold, ausgebildet sein. Wenn die Elektrolytkomponente 1714 aus einem ionischen flüssigen Material, wie z. B. 1-Butyl-3-Methylimidazolium, Trioctylmethylammoniumbis(trifluoromethylsulfonyl)imid oder Triethylsulfoniumbis(trifluoromethylsulfonyl)imid, ausgebildet ist, können der Kathodenstromkollektor 1706, die Kathodenkomponente 1708, die Anodenkomponente 1716 und der Anodenstromkollektor 1720 aus porösem Kohlenstoff, Graphen oder Kohlenstoffnanoröhrchen ausgebildet sein.
  • Um während des Herstellungsprozesses der wafer-abgedeckten wiederaufladbaren Leistungsquelle zu verhindern, dass sich die Elektrolytkomponente 1714 verschlechtert, sie explodiert oder beschädigt wird, kann der Abdeck-Wafer 1704 an dem Vorrichtungs-Wafer 1702 bei einer tiefen Temperatur, z. B. unter 20 °C, befestigt werden, um die wiederaufladbare Leistungsquelle 1703 einzukapseln. Wie in 17 veranschaulicht ist, kann der Abdeck-Wafer 1704 über der wiederaufladbaren Leistungsquelle 1703 mit einem Klebematerial 1718 befestigt werden, das aus Bismut-Zinn-Legierungen hergestellt sein kann.
  • Überdies kann das Befestigen des Abdeck-Wafers 1704 über der wiederaufladbaren Leistungsquelle 1703 in einer Unterdruckkammer oder in einer Kammer, die ein Inertgas, wie z. B. Stickstoff, enthält, einen Unterdruck- oder Inertgashohlraum 1722 bilden. Der Unterdruck- oder Inertgashohlraum 1722 kann das Risiko der Explosion der wiederaufladbaren Leistungsquelle 1703 weiter verringern. Das Einkapseln der wiederaufladbaren Leistungsquelle mit dem Abdeck-Wafer kann außerdem eine Feuchtigkeitsbarriere erzeugen, die das Eindringen externer Feuchtigkeit in den Hohlraum 1722 verhindern kann und folglich die Korrosion der verschiedenen Komponenten der wiederaufladbaren Leistungsquelle 1703 verhindert. Wie in 17 gezeigt ist, können der Kathodenstromkollektor 1706 und der Anodenstromkollektor 1720 außerhalb des Abdeck-Wafers 1704 verlaufen, um die Verbindung mit den anderen (in 17 nicht gezeigten) Vorrichtungen zum Laden und Entladen der wiederaufladbaren Leistungsquelle 1703 zu ermöglichen.
  • In 12 kann die Leistungseinheit 1050 ein Energiespeichersystem 1202 enthalten, um die durch die Energieerntevorrichtungskomponenten geerntete Energie zu speichern. Die Energiespeicherkomponente kann einen oder mehrere Superkondensatoren enthalten. Superkondensatoren können den Vorteil bereitstellen, im Vergleich zu einer Betriebssituation, in der eine kontinuierliche Versorgung mit Energie erforderlich ist, einen schnellen Einsatz der Energie, um das System 1000 A mit Energie zu versorgen, auf Abruf zu ermöglichen. Falls z. B. das System 1000 A periodisch aus einem Schlafzustand oder einem anderen Energiesparmodus geweckt wird, kann ein Superkondensator vorteilhaft den benötigten Leistungsstoß bereitstellen. Der Superkondensator kann (die Superkondensatoren können) bei 100 Hz gemessene Kapazitäten zeigen, die in einigen Ausführungsformen größer als 10 mF, in einigen Ausführungsformen größer als 100 mF, in einigen Ausführungsformen größer als 1 F, in einigen Ausführungsformen größer als 10 F sind oder sich innerhalb irgendeines anderen geeigneten Bereichs befinden.
  • Ein beispielhafter Superkondensator kann ein Substrat mit einem Paar von Elektroden auf jeder Seite eines Elektrolytmaterials umfassen. Das Elektrolytmaterial kann konfiguriert sein, eine elektrische Ladung darin zu speichern. Jede Elektrode kann mit einem jeweiligen Stromkollektor verbunden sein, der aus einem leitfähigen Material, wie z. B. Gold, oder einem im hohen Grade dotierten Halbleiter, wie z. B. Polysilicium, ausgebildet sein kann. Die Elektroden können aus herkömmlichen Materialien, die in der Technik der Superkondensatoren bekannt sind, ausgebildet sein, wie z. B. einem porösen Festkörpermaterial. Die Elektroden können z. B. aus Graphen ausgebildet sein, was als ein poröses Material mit gewundenen Innen- und Außenflächen bekannt ist. Das Elektrolytmaterial kann aus irgendeinem von einer umfassenden Vielfalt von Materialien ausgebildet sein. Es kann z. B. aus einem wässrigem Salz, wie z. B. Natriumchlorid, oder einem Gel, wie z. B. einem Polyvinylalkoholpolymer, in das ein Salz eingesaugt ist, ausgebildet sein. Einige Ausführungsformen können eine ionische Flüssigkeit verwenden, in der sich die Ionen bei Zimmertemperatur im flüssigen Zustand befinden.
  • Wie in 18 veranschaulicht ist, kann ein Superkondensator des hier beschriebenen Typs mit einer oder mehreren Elektronikkomponenten auf demselben Die integriert sein. Er kann z. B. mit einer MEMS-Struktur 1830 und/oder einer Schaltungsanordnung 1832 integriert sein. Der Superkondensator kann die Elektroden 1814 und ein Elektrolytmaterial 1816, das zwischen den Elektroden angeordnet ist, umfassen. Die MEMS-Struktur 1830 kann wenigstens einen Winkelbeschleunigungsmesser des hier beschriebenen Typs und/oder wenigstens einen Linearbeschleunigungsmesser umfassen. Die Schaltungsanordnung 1832 kann eine ASIC 1010, eine E/A-Schnittstelle 1012, einen Sensor(en) 1014, einen Speicher 1016, einen ADC 1008, eine Ausleseschaltungsanordnung 1004 oder irgendeine geeignete Kombination daraus umfassen. In einigen Ausführungsformen können die MEMS-Struktur 1830 und/oder die Schaltungsanordnung 1832 auf einem Die 1812 angeordnet und von einem Superkondensator 10 umgeben sein. In anderen Ausführungsformen kann der Superkondensator bezüglich der MEMS-Struktur 1830 auf einer entgegengesetzten Seite auf dem Die 1812 angeordnet sein.
  • 19 veranschaulicht einen Superkondensator 1910 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Superkondensator 1910 kann ein Paar von Mehrschichtsubstraten 1912 umfassen, die miteinander verbunden sind, um eine innere Kammer 1916 zu bilden. Die innere Kammer 1916 kann ein Paar gestapelter Elektroden 1918 und ein Elektrolytmaterial 1920 umfassen. Um einen elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden 1918 zu verhindern, kann die Kammer 1916 ein Trennstück 1914 umfassen, das konfiguriert ist, die beiden Elektroden 1918 physisch zu trennen. Das Trennstück 1914 kann im Wesentlichen verhindern, dass die Elektroden 1918 einen elektrischen Kontakt herstellen. Das Trennstück 1914 kann aus einem Material ausgebildet sein, das üblicherweise bei der Mikrobearbeitung verwendet wird, wie z. B. Nitrid, Parylen oder ein Oxid. Das Material des Trennstücks als solches ist im Allgemeinen durch die Ionen des Elektrolytmaterials 1920 undurchdringlich.
  • Die Löcher 1922 können konfiguriert sein, um das Durchlassen der Ionen innerhalb des Elektrolytmaterials 1920 zu erlauben. Die Löcher 1922 können z. B. 1–5 Mikrometer breit oder sogar so klein wie 2 Nanometer sein. Die Ionen innerhalb des Elektrolytmaterials 1920 können folglich frei durch die Löcher 1922 in dem Trennstück 1914 hindurchgehen, um die Speicherfähigkeit des Superkondensators 1910 zu optimieren. Es können andere Materialien verwendet werden, um die Elektrode 1918 zu bilden, wie z. B. Aktivkohle, Kohlenstoff-Aerogel oder Kohlenstoffnanoröhrchen. Der Elektrolyt 1920 kann aus irgendeinem einer umfassenden Vielfalt anderer entsprechender Materialien ausgebildet sein. Der Elektrolyt 1920 kann z. B. aus einem wässrigen Salz, wie z. B. Natriumchlorid, oder einem Gel, wie z. B. einem Polyvinylalkoholpolymer, in das ein Salz eingesaugt ist, ausgebildet sein. Einige Ausführungsformen können eine ionische Flüssigkeit verwenden, in der sich die Ionen bei Zimmertemperatur im flüssigen Zustand befinden. Die Elektroden 1918 können aus in der Technik bekannten herkömmlichen Materialien, wie z. B. einem porösen Festkörpermaterial, ausgebildet sein. Die Elektroden 1918 können z. B. aus Graphen ausgebildet sein, was als ein poröses Material mit gewundenen Innen- und Außenflächen bekannt ist. Um einen Zugriff auf die Elektroden bereitzustellen, können die Stromkollektoren 1926 verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann ein Stopfen 1924 verwendet werden, um den Elektrolyt in der Kammer 1916 hermetisch abzudichten.
  • In einigen Ausführungsformen kann ein Superkondensator konfiguriert sein, eine Elektrode mit einer Batterie gemeinsam zu benutzen. In Abhängigkeit von der Bauform kann die gemeinsame Elektrode entweder eine gemeinsame Anode oder eine gemeinsame Kathode bilden. 20A veranschaulicht eine integrierte Vorrichtung, die einen Superkondensator und eine Batterie, die eine Elektrode gemeinsam benutzen, aufweist, gemäß einigen Ausführungsformen. Die integrierte Schaltung 2010 kann ein Substrat 2014, wie z. B. ein Mehrschichtsubstrat, das eine Abdeckung 2016 stützt, um eine innere Kammer 2018 zu bilden, umfassen. Die innere Kammer 2018 kann mehrere Elektroden 2022A–2022C und ein Elektrolytmaterial(ien) 2024 umfassen. Die innere Kammer 2018 kann eine innere Schaltungsanordnung 2020 aufweisen, die irgendeine von einer umfassenden Vielfalt verschiedener Vorrichtungen, die üblicherweise in einer integrierten Schaltung ausgebildet sind, wie z. B. einige oder alle der Komponenten der Systeme 1000A, 1000B, 1000C oder 1000D, umfassen kann. Die Elektrode 2022A kann konfiguriert sein, als die erste Elektrode eines Superkondensators zu arbeiten, während die Elektrode 2022B konfiguriert sein kann, als die erste Elektrode einer Batterie zu arbeiten. Die Elektrode 2022C kann konfiguriert sein, sowohl als die zweite Elektrode der Batterie als auch als die zweite Elektrode des Superkondensators zu arbeiten. In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode 2022C zwischen der Batterieelektrode 2022B und der Superkondensatorelektrode 2022A eingelegt sein.
  • Um die Leitfähigkeit zu verbessern und einen äußeren Zugriff auf die Elektroden 2022A–2022C bereitzustellen, können die Stromkollektorschichten 2030 bereitgestellt sein. Jede Stromkollektorschicht 2030 kann sich mit einer der Elektroden 2022A–2022C in elektrischen Kontakt befinden. Zusätzlich können die Stromkollektorschichten 2030 mit den leitfähigen Kontakten 2031 auf der Außenseite der integrierten Schaltung 2010 elektrisch in Verbindung stehen. In einigen Ausführungsformen können die leitfähigen Kontakte 2031 durch das Verlängern der Stromkollektorschichten 2030 zur Außenseite der inneren Kammer 2018 erhalten werden. Die Stromkollektorschichten 2030 können aus einem im hohen Grade leitfähigen Metall, wie z. B. Gold, oder einem im hohen Grade dotierten Halbleiter, wie z. B. Polysilicium, ausgebildet sein. Es kann jedoch irgendein anderes geeignetes leitfähiges Material verwendet werden. In einigen Ausführungsformen können die Batterieelektrode 2022B und die Superkondensatorelektrode 2022A durch eine Verbindung, die durch das Bezugszeichen 2030A schematisch dargestellt ist, auf demselben Potential aufrechterhalten werden. In einigen Ausführungsformen kann die Superkondensatorelektrode 2022A aus Graphen ausgebildet sein, was als ein poröses Material mit gewundenen Innen- und Außenflächen bekannt ist. In einigen Ausführungsformen kann die Superkondensatorelektrode 2022B aus Graphit oder Lithium ausgebildet sein. In einigen Ausführungsformen kann die Superkondensatorelektrode 2022C aus Lithiumkobaltoxid (LiCoO2) ausgebildet sein. Der Elektrolyt 2024 kann z. B. aus einem wässrigen Salz, wie z. B. Natriumchlorid, oder einem Gel, wie z. B. einem Polyvinylalkoholpolymer, in das ein Salz eingesaugt ist, ausgebildet sein. Zusätzliche Beispiele enthalten Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4) oder Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) plus Polypyrrol. Einige Ausführungsformen können eine ionische Flüssigkeit verwenden, in der sich die Ionen bei Zimmertemperatur im flüssigen Zustand befinden.
  • 20B ist eine graphische Darstellung, die eine Leistungsschaltung 2037, die eine Batterie 2028 und einen Superkondensator 2026 umfasst, gemäß einigen Ausführungsformen veranschaulicht. In einigen Ausführungsformen können der Superkondensator 2026 und die Batterie 2028 eine Elektrode gemeinsam benutzen, wie im Zusammenhang mit 20A beschrieben worden ist. Die Leistungsschaltung 2037 kann die Anschlüsse 2032 umfassen, die als die Ausgangsanschlüsse dienen können. Die Leistungsschaltung 2037 kann einen oder mehrere Schalter 2034 und einen Controller 2036 umfassen. Der Controller 2036 kann konfiguriert sein, die Batterie 2028 und den Superkondensator 2026 unter Verwendung der Schalter 2034 mit einem Anschluss 2032 zu verbinden/von einem Anschluss 2032 zu trennen.
  • In einigen Ausführungsformen kann das System 1000A innerhalb eines Substrats oder einer Platine angeordnet sein, das bzw. die konfiguriert ist, einige oder alle der Komponenten der Systeme aufzunehmen. In einigen Ausführungsformen kann das System innerhalb einer oder mehrerer Leiterplatten (PCB) angeordnet sein. Die Komponenten, die an dem Substrat oder der Platine angebracht sind, können durch leitfähige Wege verbunden sein. In einigen Ausführungsformen kann das System innerhalb mehr als eines Substrats oder mehr als einer Platine angeordnet sein, wobei zwischen den Substraten und den Platinen Zwischenverbindungen bereitgestellt sein können. In einigen Ausführungsformen kann das System 1000A auf einem flexiblen Substrat angeordnet sein. Das Substrat kann ein flexibles Substrat sein, das in verschiedene geometrische Konfigurationen gebogen oder gefaltet werden kann. Das Substrat kann viele interne leitfähige Bahnen umfassen, die eine elektrische Verbindung zwischen mehreren Vorrichtungs-Dies, die an dem Substrat angebracht sind, und zwischen der Baugruppe und einem Substrat eines externen Systems (wie z. B. einer System-Hauptplatine) bereitstellen. Das Anbringen mehrerer Vorrichtungs-Dies an einem flexiblen Substrat kann eine elektrische Verbindung zwischen und unter allen Komponenten in der Baugruppe bereitstellen. Das Baugruppengehäuse kann einen Träger umfassen, der wenigstens zwei Wände aufweist, die in Bezug aufeinander abgewinkelt sind, um eine Struktur für die Baugruppe bereitzustellen. In anderen Anordnungen kann jedoch der Träger mit nur einer Wand steifer sein. Um ein hohes Niveau der Vorrichtungsintegration bereitzustellen, kann das Substrat ein oder mehrmals gebogen oder gefaltet sein und können mehrere integrierte Vorrichtungs-Dies (z. B. Sensor- und/oder Prozessor-Dies) auf beiden Seiten des Substrats angebracht sein. In einigen Ausführungsformen können z. B. die in dem Substrat ausgebildeten Biegungen innerhalb des Gehäuses, das durch die wenigstens zwei Wände definiert ist, angeordnet sein. Durch das Biegen oder das Falten des Substrats kann die Baugruppe einen hohen Grad der dreidimensionalen (3D) Integration erreichen. Der hier beschriebene Träger kann irgendeine geeignete Anzahl von Wänden aufweisen. Der Träger kann z. B. in verschiedenen Ausführungsformen wenigstens zwei Wände und in einigen wenigstens drei Wände aufweisen. Der Träger kann im Allgemeinen konfiguriert sein, eine strukturelle Unterstützung für ein Substrat und die an dem Substrat angebrachten Vorrichtungs-Dies bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen können die Wände in Bezug aufeinander durch einen Winkel, der zwischen 80° und 100° liegt, wie z. B. einen 90°-Winkel, abgewinkelt sein. In einigen Ausführungsformen können die Wände durch einen Winkel, der zwischen 1700 und 1900 liegt, wie z. B. einen 180°-Winkel, abgewinkelt sein. Es kann jedoch irgendein anderer geeigneter Winkel verwendet werden.
  • 21A ist eine dreidimensionale perspektivische Ansicht einer zusammengebauten kompakten Vorrichtungsbaugruppe 2101 gemäß einer Ausführungsform, die ein flexibles Substrat 2103, das an einen Träger 2105 gekoppelt ist, veranschaulicht. 21B ist eine Seitenansicht der zusammengebauten kompakten Vorrichtungsbaugruppe nach 21A. Die in den 21A–21B gezeigte Ausführungsform umfasst einen Träger 2105, der die Wände 2117a und 2117b aufweist, die in Bezug aufeinander, z. B. in einem 90°-Winkel, abgewinkelt sind, um eine Struktur und eine Stütze für die Baugruppe 2101 bereitzustellen. Die Anwendung ist jedoch nicht in dieser Hinsicht eingeschränkt, wobei der Winkel zwischen den Wänden in einigen Ausführungsformen zwischen 10° und 190°, in einigen Ausführungsformen zwischen 45° und 135°, in einigen Ausführungsformen zwischen 75° und 115°, in einigen Ausführungsformen zwischen 80° und 100°oder zwischen irgendeinem anderen geeigneten Bereich liegen kann. Der Träger 2105 kann aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt sein, das eine strukturelle Unterstützung für die Baugruppe bereitstellt. In einigen Ausführungsformen kann der Träger 2105 z. B. aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet sein. In anderen Ausführungsformen kann der Träger 2105 aus einem Metall, wie z. B. Aluminium, ausgebildet sein.
  • Die Baugruppe 2101 nach den 21A–21B kann zusätzlich zu verschiedenen Verbindungsmerkmalen, die mit Abschnitten des Substrats 2103, die die Außenflächen der Baugruppe 2101 definieren, integriert sind, mehrere Vorrichtungs-Dies, die an das Substrat 2103 gekoppelt sind, umfassen. Die Baugruppe kann z. B. einen Kommunikations-Die 2104, der als die E/A-Schnittstelle 1006 nach 10A dient, einen MEMS-Die 2108, der als der Winkelbeschleunigungsmesser 1002 dient, einen Signalverarbeitungs-Die 2106, der als die Ausleseschaltungsanordnung 1004 dient, einen Speicher-Die 2112, der als die Speichereinheit dient, einen Leistungs-Die 2110, der wenigstens teilweise als die Leistungseinheit 1050 nach 12 dient, einen Treiber-Die 2114, der z. B. als ein Motortreiber dient, und eine Antenne 2109, die als die Antenne 1102 nach 11 dient, umfassen. Die Antenne 2109 kann in einem Segment 2115b angeordnet sein und kann eine Mikrostreifenantenne, eine serpentinenförmige Antenne oder irgendeinen anderen geeigneten Typ einer Antenne umfassen. Das Substrat 2103 kann ein flexibles Substrat sein, das in verschiedene geometrische Konfigurationen gebogen oder gefaltet werden kann und das zahlreiche interne leitfähige Bahnen, Bondstellen usw. enthält. Das gesamte Substrat 2103 kann flexibel sein oder die Flexibilität kann auf die Bereiche der Biegungen 2113a–2113d eingeschränkt sein. Die flexiblen Substrate des hier beschriebenen Typs können aus einem flexiblen Kunststoffmaterial, wie z. B. Polyimid oder PEEK, hergestellt sein und können integrierte Bondstellen, Leiterbahnen und Leitungen, die zu jenen ähnlich sind, die in den herkömmlichen PCB-Substrat-Techniken verwendet werden, umfassen.
  • Das Segment 2115a kann an die Wand 2117b des Trägers 2105 gekoppelt sein, während das Segment 2115b an die Wand 2117a des Trägers 2105 gekoppelt sein kann. Wie veranschaulicht ist, können die Segmente 2115a und 2115b wenigstens einen Teil der Außenfläche der Baugruppe 2101 definieren, wobei die Biegung 2113a zwischen den Segmenten 2115a und 2115b ausgebildet sein kann. Die Biegung 2113a kann z. B. in einem Winkel zwischen etwa 80° und 100°, z. B. etwa 90°, ausgebildet sein. Mit den äußeren Segmenten 2115a und 2115b können Verbindungsmerkmale integriert sein, wobei sie von den Außenflächen der Baugruppe 2101 kommunizieren können. Im Segment 2115a kann z. B. ein kapazitiver Berührungssensor 2107 ausgebildet sein, während im Segment 2115b eine Antenne 2109 ausgebildet sein kann, oder umgekehrt. Zusätzlich können auf dem Segment 2115e elektrische Kontakte 2111 definiert sein, wobei sie konfiguriert sein können, eine elektrische Verbindung zwischen der Baugruppe 2101 und einer äußeren Vorrichtung, wie z. B. einer System-Hauptplatine einer größeren elektronischen Vorrichtung (z. B. einer Hörhilfe), bereitzustellen.
  • Die Biegung 2113a kann entlang der Außenfläche des Trägers 2105 ausgebildet sein. Innerhalb des durch die beiden Wände 2117a und 2117b ausgebildeten Gehäuses kann das Substrat 2103 mehrere Biegungen umfassen. Die Biegung 2113b kann z. B. zwischen den Segmenten 2115b und 2115c definiert sein. Die Biegung 2113c kann zwischen den Segmenten 2115c und 2115d des Substrats 2103 ausgebildet sein. Die Biegung 2113d kann zwischen den Segmenten 2115d und 2115e definiert sein. Die veranschaulichten Biegungen 2113b–2113d können in einem Winkel zwischen etwa 170° und 190°, z. B. etwa 180°, ausgebildet sein. Wie gezeigt ist, kann die Biegung 2113c in einer Richtung gebogen sein, die zu der Richtung entgegengesetzt ist, in der die Biegungen 2113d und 2113e ausgebildet sind.
  • In den 21A–21B können der Kommunikations-Die 2104, der MEMS-Die 2108 und der Signalverarbeitungs-Die 2106 zwischen der Biegung 2113b und der Biegung 2113c an demselben Segment 1215c an dem Substrat 2103 angebracht sein. Der Kommunikations-Die 2104 kann z. B. an einer zweiten Seite 2118 des Substrats 2103 angebracht sein, während der MEMS-Die 2108 und der Signalverarbeitungs-Die 2106 an einer ersten Seite 2116 des Substrats 2103, z. B. den an der zweiten Seite 2118 des Substrats 2103 angebrachten Dies gegenüberliegend, angebracht sein können.
  • Ferner können der Speicher-Die 2112, der Leistungs-Die 2110 und der Treiber-Die 2114 zwischen der Biegung 2113c und der Biegung 2113d an demselben Segment 2115d an dem Substrat 2103 angebracht sein. Wie in den 21A–21B veranschaulicht ist, können der Leistungs-Die 2110 und der Speicher-Die 2112 z. B. an der ersten Seite 2116 des Substrats 2103 angebracht sein, während der Treiber-Die 2114 an der zweiten Seite 2118 des Substrats 2103 angebracht sein kann. Die veranschaulichten Positionen der Vorrichtungs-Dies dienen lediglich Veranschaulichungszwecken, da die Vorrichtungs-Dies stattdessen an anderen geeigneten Positionen angeordnet sein können. Die Dies können unter Verwendung irgendeines geeigneten elektrisch leitfähigen Klebstoffs sowohl an der ersten als auch an der zweiten Seite des Substrats 2103 angebracht und sowohl an die erste als auch an die zweite Seite des Substrats 2103 elektrisch gekoppelt sein. In einigen Anordnungen können z. B. Löttechniken, Techniken anisotroper leitfähiger Filme (ACF-Techniken) oder Techniken nicht leitfähiger Pasten (NCP-Techniken) verwendet werden, um die Vorrichtungs-Dies elektrisch an das Substrat 2103 zu koppeln.
  • Abermals in 10A kann das System 1000 A in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, um eine Winkelbeschleunigung zu detektieren, unter anderem einschließlich Sport-, Gesundheitsfürsorge-, Militär- und Industrieanwendungen. Nun werden einige nicht einschränkende Beispiele beschrieben. Ein System 1000 A kann ein tragbarer Sensor sein, der beim Überwachen einer sportbezogenen physischen Aktivität und Leistung, der Patientengesundheit, der Aktivität militärischen Personals oder anderer Anwendungen, die für einen Anwender von Interesse sind, eingesetzt wird.
  • Als ein Beispiel kann das System 1000 A an einem Fahrrad eingesetzt werden, um die Winkelbeschleunigungen zu überwachen, die irgendeinem geeigneten Teil eines Fahrrads, wie z. B. einem Rad oder einem Pedal, und/oder der Leistung des In-die-Pedale-Tretens zugeordnet sind. In derartigen Situationen kann das System 1000 A ein drahtloser Sensor sein, der an einem Rad, einem Pedal oder einem anderen geeigneten sich drehenden Teil eines Fahrrads positioniert ist. Alternativ oder zusätzlich kann das System 1000 A konfiguriert sein, am Bein oder Fuß eines Radfahrers befestigt, angebracht oder festgeklammert zu sein. Der drahtlose Sensor kann konfiguriert sein, eine Winkelbeschleunigung des Rades und/oder des Pedals zu detektieren und folglich eine Angabe der Umdrehungen pro Minute (min–1) und/oder der Leistung des In-die-Pedale-Tretens bereitzustellen. Die E/A-Schnittstelle 1006 kann einer der oben beschriebenen Typen der drahtlosen E/A-Schnittstellen sein. Das System kann die detektierte Winkelbeschleunigung periodisch an ein externes Überwachungssystem, wie z. B. einen Computer, ein Smartphone, ein Tablet, eine Smartwatch, Smartglasses oder irgendeine andere geeignete Vorrichtung, senden. Die Ausleseschaltungsanordnung 1004 kann konfiguriert sein, die Winkelbeschleunigung in eine Leistung des In-die-Pedale-Tretens und/oder Umdrehungen pro Minute umzusetzen. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungseinheit 1050 ein Energieerntesystem, wie z. B. die im Zusammenhang mit 14 beschriebene elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 15A beschriebene elektrische Überlastungserntevorrichtung, umfassen. Es können außerdem andere Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann der drahtlose Sensor Energiespeicherkomponenten, wie z. B. einen oder mehrere Superkondensatoren, umfassen, um etwas oder alles der mit der Energieerntevorrichtung geernteten Energie zu speichern.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 A eingesetzt werden, um den Zustand einer Maschine mit einem Rotor zu überwachen. In derartigen Situationen kann das System 1000 A ein drahtloser Sensor sein, der an dem Rotor positioniert ist, um die Umdrehungen pro Minute (min–1) zu detektieren und folglich z. B. eine Angabe dessen zu geben, ob sich der Rotor gemäß den Spezifikationen dreht. Die E/A-Schnittstelle 1006, die ein drahtloser Sensor ist, kann einer der oben beschriebenen Typen der drahtlosen Schnittstellen sein. Das System kann die detektierte Winkelbeschleunigung periodisch an ein externes Überwachungssystem, wie z. B. einen Computer, senden. Die Ausleseschaltungsanordnung 1004 kann konfiguriert sein, die Winkelbeschleunigung in Umdrehungen pro Minute umzusetzen. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungseinheit 1050 ein Energieerntesystem, wie z. B. die im Zusammenhang mit 14 beschriebene elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 15A beschriebene elektrische Überlastungserntevorrichtung, umfassen. Es können außerdem andere Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann der drahtlose Sensor Energiespeicherkomponenten, wie z. B. einen oder mehrere Superkondensatoren der hier beschriebenen Typen, umfassen, um etwas oder alles der mit der Energieerntevorrichtung geernteten Energie zu speichern.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 A an einer Ultraschallsonde eingesetzt werden, um den Winkel der Sonde bezüglich des untersuchten Ziels zu überwachen. Das Ziel kann ein Patient oder ein spezieller Abschnitt eines Patienten, wie z. B. ein Organ von Interesse, sein. Eine derartige Konfiguration kann verwendet werden, um die Qualität der durch die Ultraschallsonden erfassten Ultraschallbilder zu verbessern. Das System 1000 A kann verwendet werden, um die durch eine Ultraschallsonde erfahrenen Winkelbeschleunigungen zu messen. In derartigen Situationen kann das System 1000 C ein an der Sonde befestigter verdrahteter oder drahtloser Sensor sein. Der Sensor kann konfiguriert sein, die Winkelbeschleunigung durch den Winkelbeschleunigungsmesser 1002 zu detektieren. Die E/A-Schnittstelle 1006 kann einer der oben beschriebenen Typen verdrahteter oder drahtloser Schnittstellen sein. Das System kann die detektierte Winkelbeschleunigung periodisch an ein externes Überwachungssystem, wie z. B. einen Computer, senden. Die Ausleseschaltungsanordnung 1004 kann konfiguriert sein, die Winkelbeschleunigungen in Winkel umzusetzen. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungseinheit 1050 ein Energieerntesystem, wie z. B. die im Zusammenhang mit 13A oder 13B beschriebene thermoelektrische Energieerntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 14 beschriebene elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 15A beschriebene elektrische Überlastungserntevorrichtung, umfassen. Es können außerdem andere Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann der drahtlose Sensor Energiespeicherkomponenten, wie z. B. einen oder mehrere Superkondensatoren, umfassen, um etwas oder alles der mit der Energieerntevorrichtung geernteten Energie zu speichern.
  • Während 10A ein Beispiel eines Systems darstellt, das einen Winkelbeschleunigungsmesser der hier beschriebenen Typen verwendet, sind Alternativen möglich. Einige Systeme können konfiguriert sein, sowohl eine Winkelbeschleunigung als auch eine Linearbeschleunigung zu detektieren, und folglich zusätzliche Grade der Bewegung bereitstellen. In dieser Weise können bis zu sechs Freiheitsgrade abgetastet werden, was in verschiedenen Anwendungen nützlich sein kann, von denen einige im Folgenden beschrieben werden. 10B veranschaulicht ein Beispiel eines derartigen Systems.
  • Wie gezeigt ist, ist 10B ein Blockschaltplan, der ein System 1000 B zum Detektieren der Winkelbeschleunigung, das einen oder mehrere Winkelbeschleunigungsmesser der hier beschriebenen Typen und einen oder mehrere Linearbeschleunigungsmesser umfasst, gemäß nicht einschränkenden Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung veranschaulicht. Das heißt, das System 1000 B kann wie das System 1000 A mit der Ergänzung eines Linearbeschleunigungsmessers 1007 sein. Der Linearbeschleunigungsmesser 1007 kann konfiguriert sein, die Linearbeschleunigungen entlang einer, zweier oder dreier Achsen abzutasten, und kann irgendein geeigneter Typ eines Beschleunigungsmessers, um dies auszuführen, sein. In einigen Ausführungsformen kann der Linearbeschleunigungsmesser 1007 ein MEMS-Sensor sein. Der Linearbeschleunigungsmesser 1007 kann mit dem Winkelbeschleunigungsmesser 1002 an demselben Die oder an einem separaten Die angeordnet sein. Der Linearbeschleunigungsmesser 1007 kann mit der Ausleseschaltungsanordnung 1004 verbunden sein, die konfiguriert sein kann, in Reaktion auf die Detektion einer Linearbeschleunigung(en) ein oder mehrere Signale proportional zu der (den) detektierten Beschleunigung(en) zu erzeugen. Einige oder alle der Komponenten des Systems 1000 B können auf einem Substrat, wie z. B. einem flexiblen Substrat, angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können einige oder alle der Komponenten des Systems 1000 B auf einem flexiblen Substrat gemäß der in den 21A–21B veranschaulichten Anordnung angeordnet sein.
  • Wie bei dem System 1000 A nach 10A kann das System 1000 B nach 10B in verschiedenen Anwendungen bezüglich Sport-, Gesundheitsfürsorge-, Militär- und Industrieanwendungen eingesetzt werden. Das System 1000 B kann z. B. als eine Trägheitsmesseinheit (IMU) zum Messen von zwei bis sechs Freiheitsgraden; bis zu drei winkelig und drei linear, verwendet werden. Nun werden einige Beispiele beschrieben.
  • Als ein Beispiel kann das System 1000 B an einem Laufsensor eingesetzt werden, um eine zurückgelegte Strecke, eine Schrittlänge, eine Anzahl von Schritten und/oder einen Fußwinkel zu überwachen. Eine derartige Konfiguration kann verwendet werden, um die Bewegungen eines Athleten, wie z. B. eines Läufers, zu analysieren oder um den Gang einer Person, die eine Verletzung erlitten hat, zu analysieren. In derartigen Situationen kann das System 1000 B ein drahtloser Sensor sein, der am Fuß oder Knöchel einer Person angeordnet oder befestigt wird. Der drahtlose Sensor kann z. B. an einem Schuh befestigt oder an einen Schuh geklemmt werden. Alternativ kann das System 1000 B an einem Band eingesetzt werden, das um den Knöchel einer Person zu binden ist. Der drahtlose Sensor kann konfiguriert sein, die Winkelbeschleunigungen mit dem Winkelbeschleunigungsmesser 1002 und die Linearbeschleunigungen mit dem Linearbeschleunigungsmesser 1007 zu detektieren und folglich eine Angabe der Rate der zurückgelegten Strecke, eine Schrittlänge, eine Anzahl der Schritte und/oder einen Fußwinkel bereitzustellen. Die E/A-Schnittstelle 1006, die ein drahtloser Sensor ist, kann einer der oben beschriebenen Typen der drahtlosen Schnittstellen sein. Das System kann die detektierte Winkel- und Linearbeschleunigung periodisch an ein externes Überwachungssystem, wie z. B. einen Computer, ein Smartphone, ein Tablet, eine Smartwatch, Smartglasses oder irgendeine andere geeignete Vorrichtung, senden. Die Ausleseschaltungsanordnung 1004 kann konfiguriert sein, die Winkel- und die Linearbeschleunigung in eine Strecke, eine Schrittlänge oder andere Leistungsmetriken von Interesse umzusetzen, die aus der Winkel- und der Linearbeschleunigung abgeleitet werden können. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungseinheit 1050 ein Energieerntesystem, wie z. B. die im Zusammenhang mit 13A oder 13B beschriebene thermoelektrische Energieerntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 14 beschriebene elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 15A beschriebene elektrische Überlastungserntevorrichtung, umfassen. Es können außerdem andere Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann der drahtlose Sensor Energiespeicherkomponenten, wie z. B. einen oder mehrere Superkondensatoren der hier beschriebenen Typen, umfassen, um etwas oder alles der mit der Energieerntevorrichtung geernteten Energie zu speichern.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 B verwendet werden, um das Fehlen einer Winkel- und/oder Linearbeschleunigung zu detektieren. Einige Vorrichtungen können entworfen sein, in einem stationären Zustand zu arbeiten. Einige dieser Vorrichtungen können nicht entworfen sein, um Beschleunigungen über einem bestimmten Niveau zu tolerieren. Das System 1000 B kann an derartigen Vorrichtungen eingesetzt werden, um die Beschleunigungen zu überwachen und folglich eine Angabe der Verschlechterung der Vorrichtungen bereitzustellen. Ein Beispiel einer derartigen Anwendung ist bezüglich eines Wälzlagers. Einige Wälzlager können in Reaktion auf Beschleunigungen eine Verschlechterung erfahren. Das System 1000 B kann konfiguriert sein, die Winkelbeschleunigung durch den Winkelbeschleunigungsmesser 1002 und/oder die Linearbeschleunigung mit dem Linearbeschleunigungsmesser 1007 zu detektieren. Die E/A-Schnittstelle 1006 kann einer der oben beschriebenen Typen der drahtlosen Schnittstellen sein. Das System kann die detektierte Winkel- und Linearbeschleunigung periodisch an ein externes Überwachungssystem, wie z. B. einen Computer, senden. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungseinheit 1050 ein Energieerntesystem, wie z. B. die im Zusammenhang mit 13A oder 13B beschriebene thermoelektrische Energieerntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 14 beschriebene elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 15A beschriebene elektrische Überlastungserntevorrichtung, umfassen. Es können außerdem andere Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann der drahtlose Sensor Energiespeicherkomponenten, wie z. B. einen oder mehrere Superkondensatoren, umfassen, um etwas oder alles der mit der Energieerntevorrichtung geernteten Energie zu speichern. Das System 1000 B kann an irgendeinem geeigneten Teil der zu überwachenden Vorrichtung angeordnet sein.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 B verwendet werden, um Schwingungen, die durch Brücken, Gebäude, Überführungen, Masten und Türme erlitten werden, zu detektieren. Das System 1000 B kann an irgendeiner von derartigen Strukturen eingesetzt werden, um Beschleunigungen zu überwachen und folglich eine Angabe des Zustands der Struktur bereitzustellen. Das System 1000 B kann konfiguriert sein, die Winkelbeschleunigungen mit dem Winkelbeschleunigungsmesser 1002 und/oder die Linearbeschleunigungen mit dem Linearbeschleunigungsmesser 1007 zu detektieren. Die E/A-Schnittstelle 1006 kann einer der oben beschriebenen Typen der drahtlosen Schnittstellen sein. Das System kann die detektierte Winkel- und Linearbeschleunigung periodisch an ein externes Überwachungssystem, wie z. B. einen Computer, senden. Basierend auf den durch die Beschleunigungsmesser bereitgestellten Informationen kann eine Analyse des Zustands der Struktur ausgeführt werden. Basierend auf einer derartigen Analyse kann bestimmt werden, dass bestimmte Teile abgenutzt worden sind und/oder einen Ersatz benötigen. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungseinheit 1050 ein Energieerntesystem, wie z. B. die im Zusammenhang mit 13A oder 13B beschriebene thermoelektrische Energieerntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 14 beschriebene elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 15A beschriebene elektrische Überlastungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 16 beschriebene Photovoltaik-Erntevorrichtung, umfassen. Es können außerdem andere Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann der drahtlose Sensor Energiespeicherkomponenten, wie z. B. einen oder mehrere Superkondensatoren, umfassen, um etwas oder alles der mit der Energieerntevorrichtung geernteten Energie zu speichern. Das System 1000 B kann an irgendeinem geeigneten Teil der zu überwachenden Vorrichtung angeordnet sein.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 B in Kathetern verwendet werden. Das System 1000 B kann in der Nähe eines Endes des Katheters angeordnet sein. Wenn der Katheder in einen Probanden eingeführt oder aus einem Probanden entfernt wird, können die Winkel- und die Linearbeschleunigung durch den Winkelbeschleunigungsmesser 1002 und den Linearbeschleunigungsmesser 1007 detektiert werden. Diese Informationen können eine Angabe des verwendeten Betrags der Kraft und eine Angabe, ob sich eine Schädigung des Patienten ergibt, bereitstellen. Die Ausleseschaltungsanordnung 1004 kann die detektierten Beschleunigungen über eine verdrahtete E/A-Schnittstelle 1006 aus dem Katheter bereitstellen. 22 veranschaulicht einen Katheter 2210 zur Verwendung im Zusammenhang mit dem Herz 2201 eines Patienten. Der Katheter 2210 kann eine Vorrichtung 2212 umfassen, die das System 1000 B umfassen kann. In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 2212 an einem Ende des Katheters 2210 angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen kann der Katheter 2210 in Kontakt mit dem Herz 2201 angeordnet sein, wobei er konfiguriert sein kann, die Herzbewegung und/oder die Herzfrequenz unter Verwendung des Winkelbeschleunigungsmessers 1002 und/oder des Linearbeschleunigungsmessers 1007 der Vorrichtung 2212 abzutasten. In einigen Ausführungsformen kann der Katheter 2210 in ein zum Herz 2201 führendes Gefäß, wie z. B. das Gefäß 2202, eingesetzt sein. Während 22 einen Katheter 2210 zur Verwendung im Zusammenhang mit einem Herz veranschaulicht, können die Bewegungen irgendeines anderen geeigneten Organs unter Verwendung des Katheters 2210 abgetastet werden.
  • Wie gezeigt ist, ist 10C ein Blockschaltplan, der ein System 1000 C zum Detektieren der Winkelbeschleunigung, das ein oder mehrere Winkelbeschleunigungsmesser der hier beschriebenen Typen und eine Anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) umfasst, gemäß nicht einschränkenden Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung veranschaulicht. Das heißt, das System 1000 C kann wie das System 1000 B sein, mit der Ergänzung eines Analog-Digital-Umsetzers 1008, eines Taktgenerators 1052 und einer ASIC 1010. In einigen Ausführungsformen kann der ADC 1008 konfiguriert sein, das Signal (die Signale), das (die) die detektierte(n) Winkelbeschleunigung(en) repräsentiert (repräsentieren), in den digitalen Bereich umzusetzen. In einigen Ausführungsformen kann der ADC 1008 konfiguriert sein, das Signal (die Signale), das (die) die detektierte(n) Linearbeschleunigung(en) repräsentiert (repräsentieren), in den digitalen Bereich umzusetzen. Der ADC 1008 kann irgendeinen geeigneten Typ einer Schaltungsanordnung für die Analog-Digital-Umsetzung, wie z. B. einen Flash-ADC, einen ADC mit aufeinanderfolgender Approximation, einen Anstiegsvergleichs-ADC, einen integrierenden ADC, einen deltacodierten ADC oder einen Sigma-Delta-ADC, umfassen.
  • In einigen Ausführungsformen kann die ASIC 1010 mit dem ADC 1008 verbunden sein, wobei sie die digitalisierten Signale empfangen kann, die die detektierten Linearbeschleunigung(en) und/oder Winkelbeschleunigung(en) repräsentieren. Die ASIC 1010 kann einen oder mehrere Mikroprozessoren, Mikrocontroller, ein System auf dem Chip, eine feldprogrammierbare Gatteranordnung (FPGA) oder irgendeinen anderen geeigneten Typ einer Logikschaltung umfassen. Die ASIC 1010 kann die detektierten Signale in irgendeiner geeigneten Weise verarbeiten. In einigen Ausführungsformen kann die ASIC 1010 mit der E/A-Schnittstelle 1012 verbunden sein, die von demselben Typ wie die E/A-Schnittstelle 1012 nach 10A sein kann. Die ASIC 1010 kann durch ein von dem Taktgenerator 1052 erzeugtes Taktsignal zeitlich gesteuert sein. Der ADC 1008 kann durch ein von dem Taktgenerator 1052 erzeugtes Taktsignal zeitlich gesteuert sein. Der Taktgenerator 1052 kann konfiguriert sein, periodische Signalformen, wie z. B. Rechteckwellen, auszugeben. Der Taktgenerator 1052 kann in einigen Ausführungsformen einen Oszillator umfassen. Die E/A-Schnittstelle kann von dem gleichen Typ wie die E/A-Schnittstelle 1006 nach 10A sein, wobei sie mit der ASIC 1010 verbunden sein kann. Einige oder alle der Komponenten des Systems 1000 C können auf einem Substrat, wie z. B. einem flexiblen Substrat, angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können einige oder alle der Komponenten des Systems 1000 C auf einem flexiblen Substrat gemäß der in den 21A–21B veranschaulichten Anordnung angeordnet sein.
  • Wie bei dem System 1000 A nach 10A kann das System 1000 C nach 10C in verschiedenen Anwendungen bezüglich Sport-, Gesundheitsfürsorge-, Militär- und Industrieanwendungen eingesetzt werden.
  • Als ein Beispiel kann das System 1000 C an dem Helm eines Athleten, wie z. B. dem Helm eines Football-Spielers, eingesetzt werden, um die Aufpralle zu überwachen. Eine derartige Konfiguration kann verwendet werden, um die durch einen Spieler erfahrenen Erschütterungen zu analysieren. Das System 1000 C kann verwendet werden, um die dem Kopf des Spielers zugeordneten Winkel- und/oder Linearbeschleunigungen, die durch die Zusammenstöße mit anderen Spielern verursacht werden, zu messen. Die durch den Sensor bereitgestellten Informationen können verwendet werden, um das Risiko einer Hirnschädigung zu bewerten. Das System 1000 C kann alternativ am Helm eines Soldaten eingesetzt werden, um die dem Kopf des Soldaten zugeordneten Winkel- und/oder Linearbeschleunigungen zu messen. In dieser Weise kann die Stärke der Aufpralle, die durch die Treffer im Schlachtfeld verursacht werden, überwacht oder simuliert werden. In jeder der derartigen Situationen kann das System 1000 C ein drahtloser Sensor sein, der an einem Helm befestigt ist. Der drahtlose Sensor kann z. B. an der Vorderseite des Helms oder an der Rückseite des Helms angeordnet oder an der Innen- und/oder Außenseite des Helms befestigt sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Beschleunigungsmesser an einem Stirnband angeordnet sein. Der Beschleunigungsmesser kann alternativ in einem Mundschutz angeordnet sein. Der drahtlose Sensor kann konfiguriert sein, die Winkelbeschleunigungen mit dem Winkelbeschleunigungsmesser 1002 und/oder die Linearbeschleunigungen mit dem Linearbeschleunigungsmesser 1007 zu detektieren, und folglich eine Angabe der Stärke eines Aufpralls bereitstellen. Die E/A-Schnittstelle 1012 kann einer der oben beschriebenen Typen der drahtlosen Schnittstellen sein. Das System kann die detektierte Winkel- und/oder Linearbeschleunigung periodisch an ein externes Überwachungssystem, wie z. B. einen Computer, ein Smartphone oder ein Tablet, senden. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, die Aufprallstärke basierend auf der detektierten Winkel- und/oder Linearbeschleunigung zu berechnen. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungseinheit 1050 ein Energieerntesystem, wie z. B. die im Zusammenhang mit 13A oder 13B beschriebene thermoelektrische Energieerntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 14 beschriebene elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 15A beschriebene elektrische Überlastungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 16 beschriebene Photovoltaik-Erntevorrichtung, umfassen. Es können außerdem andere Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann der drahtlose Sensor Energiespeicherkomponenten, wie z. B. einen oder mehrere Superkondensatoren, umfassen, um etwas oder alles der mit der Energieerntevorrichtung geernteten Energie zu speichern. In einigen Ausführungsformen kann das System zum Überwachen von Aufprallen eine Ausgabevorrichtung, wie z. B. eine LED oder eine Schallemissionsvorrichtung, umfassen, um den Spieler oder den Soldaten zu alarmieren, wenn ein Aufprall mit einer Stärke, die einen Schwellenwert übersteigt, erfahren worden ist. In einer derartigen Konfiguration kann die ASIC 1010 ferner konfiguriert sein, die Stärke des Aufpralls mit einem vorgegebenen Schwellenwert zu vergleichen und die Ausgabevorrichtung zu steuern.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 C an einem Schläger, einem Schlagholz, einem Stock oder einer Keule eingesetzt werden. Eine derartige Konfiguration kann verwendet werden, den durch einen Athleten, wie z. B. einen Tennisspieler, einen Baseball-Spieler, einen Golfspieler, einen Hockeyspieler oder irgendeinen anderen Typ von Athleten, ausgeführten Schwung zu analysieren. Das System 1000 C kann verwendet werden, um die Winkel- und/oder Linearbeschleunigungen zu messen. Die durch das System bereitgestellten Informationen können verwendet werden, um die Fähigkeit eines speziellen Spielers, wie z. B. die Fähigkeit, einen Ball in einer speziellen Weise zu schlagen, zu verbessern. In derartigen Situationen kann das System 1000 C ein drahtloser Sensor sein, der an einem Schläger, einem Schlagholz oder einer Keule befestigt ist. Der drahtlose Sensor kann z. B. am Schaft, an der Saite, am Stumpf, am Griff oder am Stoßfänger eines Schlägers, am Knopf, Konus, Griff oder Schaft eines Schlagholzes oder am Griff, Schaft oder Kopf einer Keule angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Beschleunigungsmesser an einem Handgelenkband angeordnet sein. Der drahtlose Sensor kann konfiguriert sein, die Winkelbeschleunigungen mit dem Winkelbeschleunigungsmesser 1002 und/oder die Linearbeschleunigungen mit dem Linearbeschleunigungsmesser 1007 zu detektieren, und folglich eine Angabe der Stärke und/oder des Winkels eines Aufpralls bereitstellen. Die E/A-Schnittstelle 1012 kann einer der oben beschriebenen Typen der drahtlosen Schnittstellen sein. Das System kann die detektierte Winkel- und/oder Linearbeschleunigung periodisch an ein externes Überwachungssystem, wie z. B. einen Computer, ein Smartphone oder ein Tablet, senden. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, die Winkel- und/oder die Linearbeschleunigung in einen Schwungwinkel und/oder eine Schwungstärke umzusetzen. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungseinheit 1050 ein Energieerntesystem, wie z. B. die im Zusammenhang mit 13A oder 13B beschriebene thermoelektrische Energieerntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 14 beschriebene elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 15A beschriebene elektrische Überlastungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 16 beschriebene Photovoltaik-Erntevorrichtung, umfassen. Es können außerdem andere Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann der drahtlose Sensor Energiespeicherkomponenten, wie z. B. einen oder mehrere Superkondensatoren, umfassen, um etwas oder alles der mit der Energieerntevorrichtung geernteten Energie zu speichern.
  • 23 veranschaulicht ein nicht einschränkendes Beispiel des Systems 1000 C für die Verwendung im Zusammenhang mit einem Tennisschläger. In dem veranschaulichten Beispiel kann der Spieler 2301 Tennis spielen, wobei er einen Schläger 2302 in einer Hand halten kann. Der Schläger 2302 kann mehrere daran befestigte Vorrichtungen, wie z. B. die Vorrichtungen 2304 und 2306, umfassen. Derartige Vorrichtungen können jede ein System 1000 C umfassen, wobei sie konfiguriert sein können, die Winkelbeschleunigungen und/oder die Linearbeschleunigungen zu detektieren. Die Vorrichtung 2304, die am Griff des Schlägers 2302 angebracht ist, kann z. B. konfiguriert sein, die dem Handgriff des Schlägers zugeordneten Beschleunigungen abzutasten. Die Vorrichtung 2306, die am Kopf des Schlägers angebracht ist, kann konfiguriert sein, die Beschleunigungen abzutasten, die irgendeinem geeigneten Teil des Kopfs des Schlägers, wie z. B. der Spitze des Schlägers, zugeordnet sind. Die Vorrichtungen 2304 und 2306 können in einigen Ausführungsformen in den Rahmen oder den Körper des Schlägers eingebettet sein. In einigen Ausführungsformen können die Daten, die den durch den Schläger 2302 erfahrenen Beschleunigungen zugeordnet sind, eine Angabe der Fähigkeit des Spielers, Tennis zu spielen, bereitstellen. Es können z. B. Informationen hinsichtlich einer Vorhandbewegung oder einer Rückhandbewegung erhalten werden. Der Spieler 2301 kann eine oder mehrere tragbare Vorrichtungen, wie z. B. ein Handgelenkband oder ein Beinband, tragen. Derartige tragbare Vorrichtungen können mit einem System 1000 C ausgerüstet sein und können konfiguriert sein, die Winkel- und/oder Linearbeschleunigungen abzutasten. Die Vorrichtung 2330, die an einem Handgelenkband positioniert ist, kann z. B. konfiguriert sein, Informationen über die Bewegung des Arms des Spielers bereitzustellen. Die Vorrichtung 2332, die an einem Beinband positioniert ist, kann konfiguriert sein, Informationen über die Bewegung des Beins des Spielers bereitzustellen.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 C als ein drahtloser Sensor konfiguriert sein, der an oder in einem Ball eingesetzt ist, um die Geschwindigkeit, die Rotation, die Flugbahn oder andere Leistungsmetriken von Interesse zu überwachen, die aus der Winkel- und Linearbeschleunigung abgeleitet werden können. Das System 1000 C kann z. B. einen Teil eines flexiblen Pflasters bilden, das innerhalb eines Abschnitts der Gummihülle eines Balls angeordnet ist. Das flexible Pflaster kann von den vorher hier z. B. im Zusammenhang mit den 21A und 21B beschriebenen Typen eines flexiblen Substrats sein. In dem nicht einschränkenden Beispiel nach 23 kann ein drahtloser Sensor 2321 an einem Tennisball 2320 angeordnet sein. Der drahtlose Sensor kann konfiguriert sein, die Winkelbeschleunigungen mit dem Winkelbeschleunigungsmesser 1002 und/oder die Linearbeschleunigungen mit dem Linearbeschleunigungsmesser 1007 zu detektieren, und folglich eine Angabe der Geschwindigkeit und/oder der Rotation eines Balls bereitstellen. Die E/A-Schnittstelle 1012 kann einer der oben beschriebenen Typen der drahtlosen Schnittstellen sein. Das System kann die detektierte Winkel- und/oder Linearbeschleunigung periodisch an ein externes Überwachungssystem, wie z. B. einen Computer, ein Smartphone oder ein Tablet, senden. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, z. B. durch das Ausführen von Integrationsroutinen die Winkel- und/oder Linearbeschleunigung in die Flugbahn des Balls umzusetzen. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungseinheit 1050 ein Energieerntesystem, wie z. B. die im Zusammenhang mit 14 beschriebene elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 15A beschriebene elektrische Überlastungserntevorrichtung, umfassen. Es können außerdem andere Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann der drahtlose Sensor Energiespeicherkomponenten, wie z. B. einen oder mehrere Superkondensatoren der hier beschriebenen Typen, umfassen, um etwas oder alles der mit der Energieerntevorrichtung geernteten Energie zu speichern.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 C an einem Inhalator eingesetzt sein. Eine derartige Konfiguration kann verwendet werden, um den Winkel des Inhalators bezüglich des Mundes einer Person und/oder die Dosis zu analysieren. Ein derartiger Inhalator kann z. B. durch Personen mit Asthma verwendet werden. Das System 1000 C kann verwendet werden, um die dem Inhalator zugeordneten Winkel- und/oder Linearbeschleunigungen zu messen. Die durch das System bereitgestellten Informationen können verwendet werden, um einen optimalen Inhalationswinkel zu finden und/oder die Menge des inhalierten Sauerstoffs zu überwachen. In derartigen Situationen kann das System 1000 C ein an dem Inhalator angebrachter drahtloser Sensor sein. Der drahtlose Sensor kann z. B. an der Vorderseite oder der Rückseite des Inhalators angeordnet sein. Der drahtlose Sensor kann konfiguriert sein, die Winkelbeschleunigungen mit dem Winkelbeschleunigungsmesser 1002 und/oder die Linearbeschleunigungen mit dem Linearbeschleunigungsmesser 1007 zu detektieren, und folglich eine Angabe des Winkels des Inhalators und/oder der Dosis bereitstellen. Die E/A-Schnittstelle 1012 kann einer der oben beschriebenen Typen der drahtlosen Schnittstellen sein. Das System kann die detektierte Winkel- und/oder Linearbeschleunigung periodisch an ein externes Überwachungssystem, wie z. B. einen Computer, ein Smartphone oder ein Tablet, senden. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, die Winkel- und/oder die Linearbeschleunigung in den Inhalatorwinkel und/oder die Dosis umzusetzen. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungseinheit 1050 ein Energieerntesystem, wie z. B. die im Zusammenhang mit 13A oder 13B beschriebene thermoelektrische Energieerntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 14 beschriebene elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 15A beschriebene elektrische Überlastungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 16 beschriebene Photovoltaik-Erntevorrichtung, umfassen. Es können außerdem andere Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann der drahtlose Sensor Energiespeicherkomponenten, wie z. B. einen oder mehrere Superkondensatoren, umfassen, um etwas oder alles der mit der Energieerntevorrichtung geernteten Energie zu speichern.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 C an der Prothese eines Patienten eingesetzt sein. Eine derartige Konfiguration kann verwendet werden, um die Bewegungen eines Patienten zu analysieren, der eine Prothese aufweist, die einen fehlenden Körperteil, wie z. B. ein Bein, einen Fuß, einen Arm, eine Hand oder irgendeinen anderen Teil eines menschlichen Körpers, ersetzt. Das System kann z. B. verwendet werden, um einen Patienten zu trainieren, die Prothese zu steuern und richtige Bewegungen auszuführen. Das System 1000 C kann verwendet werden, um die der Prothese zugeordneten Winkel- und/oder Linearbeschleunigungen zu messen. In derartigen Situationen kann das System 1000 C ein verdrahteter oder drahtloser Sensor sein, der an der Prothese befestigt ist. Der Sensor kann z. B. auf der Oberfläche einer Prothese oder im Inneren einer Prothese angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Sensor an einem Band angeordnet sein, das konfiguriert ist, um einen Abschnitt einer Prothese eingesetzt zu werden. Der Sensor kann konfiguriert sein, die Winkelbeschleunigungen mit dem Winkelbeschleunigungsmesser 1002 und/oder die Linearbeschleunigungen mit dem Linearbeschleunigungsmesser 1007 zu detektieren, und folglich eine Angabe der Geschwindigkeit, des Winkels, der Schrittlänge oder anderer Leistungsmetriken von Interesse, die aus der Winkel- und der Linearbeschleunigung abgeleitet werden können, bereitzustellen. Die E/A-Schnittstelle 1012 kann einer der oben beschriebenen Typen der verdrahteten oder drahtlosen Schnittstellen sein. Das System kann die detektierte Winkel- und/oder Linearbeschleunigung periodisch an ein externes Überwachungssystem, wie z. B. einen Computer, senden. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, die Winkel- und/oder die Linearbeschleunigung in den Winkel, die Geschwindigkeit, die Schrittlänge oder andere Leistungsmetriken von Interesse, die aus der Winkel- und der Linearbeschleunigung abgeleitet werden können, umzusetzen. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungseinheit 1050 ein Energieerntesystem, wie z. B. die im Zusammenhang mit 13A oder 13B beschriebene thermoelektrische Energieerntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 14 beschriebene elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 15A beschriebene elektrische Überlastungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 16 beschriebene Photovoltaik-Erntevorrichtung, umfassen. Es können außerdem andere Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann der drahtlose Sensor Energiespeicherkomponenten, wie z. B. einen oder mehrere Superkondensatoren, umfassen, um etwas oder alles der mit der Energieerntevorrichtung geernteten Energie zu speichern.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 C in irgendeinem geeigneten Abschnitt des Körpers eines Patienten für physiotherapeutische Zwecke eingesetzt werden. Eine derartige Konfiguration kann verwendet werden, um die Bewegungen eines verletzten Patienten zu analysieren, und kann verwendet werden, um einen Patienten zu trainieren, um richtige Bewegungen auszuführen. Das System 1000 C kann verwendet werden, um die Winkel- und/oder Linearbeschleunigungen, die irgendeinem geeigneten Abschnitt des Körpers eines Patienten, wie z. B. einem Bein, einem Arm, zugeordnet sind, zu messen. In derartigen Situationen kann das System 1000 C ein verdrahteter oder drahtloser Sensor sein, wobei es an einem Band oder einem Pflaster eingesetzt werden kann, um durch den Patienten getragen zu werden. Der Sensor kann konfiguriert sein, die Winkelbeschleunigungen mit dem Winkelbeschleunigungsmesser 1002 und/oder die Linearbeschleunigungen mit dem Linearbeschleunigungsmesser 1007 zu detektieren, und folglich eine Angabe der Geschwindigkeit, des Winkels, der Schrittlänge oder anderer Leistungsmetriken von Interesse, die aus der Winkel- und der Linearbeschleunigung abgeleitet werden können, bereitzustellen. Die E/A-Schnittstelle 1012 kann einer der oben beschriebenen Typen der verdrahteten oder drahtlosen Schnittstellen sein. Das System kann die detektierte Winkel- und/oder Linearbeschleunigung periodisch an ein externes Überwachungssystem, wie z. B. einen Computer, senden. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, die Winkel- und/oder die Linearbeschleunigung in den Winkel, die Geschwindigkeit, die Schrittlänge oder andere Leistungsmetriken von Interesse, die aus der Winkel- und der Linearbeschleunigung abgeleitet werden können, umzusetzen. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungseinheit 1050 ein Energieerntesystem, wie z. B. die im Zusammenhang mit 13A oder 13B beschriebene thermoelektrische Energieerntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 14 beschriebene elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 15A beschriebene elektrische Überlastungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 16 beschriebene Photovoltaik-Erntevorrichtung, umfassen. Es können außerdem andere Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann der drahtlose Sensor Energiespeicherkomponenten, wie z. B. einen oder mehrere Superkondensatoren, umfassen, um etwas oder alles der mit der Energieerntevorrichtung geernteten Energie zu speichern.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 C in implantierbaren Vorrichtungen eingesetzt werden, um den Status der Vorrichtung zu überwachen. Die implantierbaren Vorrichtungen können künstlich hergestellte Vorrichtungen sein, die konfiguriert sind, eine fehlende biologische Struktur zu ersetzen, eine beschädigte biologische Struktur zu unterstützen oder eine vorhandene biologische Struktur zu verbessern. Es können z. B. orthopädische Implantate verwendet werden, um Knochenbrüche, eine Arthrose, eine Skoliose, eine Spinalstenose oder chronische Schmerzen zu behandeln, wobei sie Stifte, Stäbe, Schrauben oder Platten enthalten können, die verwendet werden, um gebrochene Knochen zu verankern, während sie heilen. Als ein weiteres Beispiel können kardiovaskuläre implantierbare Vorrichtungen in den Fällen implantiert werden, in denen das Herz, seine Klappen oder der Rest des Kreislaufsystems erkrankt ist. Kardiovaskuläre implantierbare Vorrichtungen können zur Behandlung von Leiden, wie z. B. einem Herzfehler, einer Herzrhythmusstörung, einer ventrikulären Tachykardie, einem Herzklappenfehler, einer Angina Pectoris und einer Arteriosklerose, verwendet werden und können künstliche Herze, künstliche Herzklappen, implantierbare Kardioverter-Defibrillatoren, Herzschrittmacher oder Koronarstente enthalten. Als ein noch weiteres Beispiel können sensorische und neurologische Implantate für Erkrankungen, die die Hauptsinne und das Hirn beeinflussen, oder andere neurologische Erkrankungen verwendet werden. Die sensorischen und neurologischen Implantate können bei der Behandlung von Leiden, wie z. B. Katarakten, dem Glaukom, dem Keratokonus und anderer Sehschwächen; der Otosklerose und anderer Hörverlustprobleme oder Mittelohrerkrankungen, wie z. B. einer Mittelohrentzündung; oder neurologischer Erkrankungen, wie z. B. Epilepsie, Parkinson-Krankheit, verwendet werden. Das System 1000 C kann in irgendeiner von derartigen implementierbaren Vorrichtungen eingesetzt werden, wobei es verwendet werden kann, den Zustand der Vorrichtung, wie z. B. den Verschleiß der Vorrichtung, zu überwachen. In derartigen Situationen kann das System 1000 C konfiguriert sein, die Winkelbeschleunigungen mit dem Winkelbeschleunigungsmesser 1002 und/oder die Linearbeschleunigungen mit dem Linearbeschleunigungsmesser 1007 zu detektieren, und folglich z. B. eine Angabe der Herzaktivität oder der Bewegungen eines orthopädischen Implantats durch die ASIC 1010 bereitstellen. Die E/A-Schnittstelle 1012 kann einer der oben beschriebenen Typen der drahtlosen Schnittstellen sein. Das System kann die detektierte Winkel- und/oder Linearbeschleunigung periodisch an ein externes Überwachungssystem, wie z. B. einen Computer, senden. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungseinheit 1050 ein Energieerntesystem, wie z. B. die im Zusammenhang mit 14 beschriebene elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 15A beschriebene elektrische Überlastungserntevorrichtung, umfassen. Es können außerdem andere Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann der drahtlose Sensor Energiespeicherkomponenten, wie z. B. einen oder mehrere Superkondensatoren, umfassen, um etwas oder alles der mit der Energieerntevorrichtung geernteten Energie zu speichern.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 C verwendet werden, um eine Angabe der Viskosität eines Fluids bereitzustellen. Das System 1000 C kann z. B. einem mikrofluidischen Kanal benachbart angeordnet sein. 24 veranschaulicht ein System zum Abtasten der Viskosität eines Fluids gemäß einigen Ausführungsformen. In einigen Ausführungsformen kann der mikrofluidische Kanal 2401 einen Bereich 2403 umfassen, der konfiguriert ist, eine Turbulenz in dem Fluid zu erzeugen. Ein derartiger Bereich kann z. B. einen gewellten Abschnitt umfassen. In derartigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 2405 ein System 1000 C umfassen, wobei sie in der Nähe des Bereichs 2403 angeordnet sein kann. Wenn sich ein Fluid in der Nähe eines derartigen Bereichs bewegt, kann es eine Turbulenz erfahren. Die Vorrichtung 2405 kann konfiguriert sein, eine derartige Turbulenz mit dem Winkelbeschleunigungsmesser 1002 und/oder eine Linearbeschleunigung mit dem Linearbeschleunigungsmesser 1007 zu detektieren. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, eine Angabe der Viskosität des Fluids basierend auf der detektierten Turbulenz bereitzustellen. Die E/A-Schnittstelle 1012 kann einer der oben beschriebenen Typen der verdrahteten oder drahtlosen Schnittstellen sein. Das System kann die detektierte Winkel- und/oder Linearbeschleunigung periodisch an ein externes Überwachungssystem, wie z. B. einen Computer, senden. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungseinheit 1050 ein Energieerntesystem, wie z. B. die im Zusammenhang mit 13A oder 13B beschriebene thermoelektrische Energieerntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 14 beschriebene elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 15A beschriebene elektrische Überlastungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 16 beschriebene Photovoltaik-Erntevorrichtung, umfassen. Es können außerdem andere Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann der drahtlose Sensor Energiespeicherkomponenten, wie z. B. einen oder mehrere Superkondensatoren der hier beschriebenen Typen, umfassen, um etwas oder alles der mit der Energieerntevorrichtung geernteten Energie zu speichern.
  • In einigen Ausführungsformen können die hier beschriebenen Winkelbeschleunigungsmesser in Systemen verwendet werden, die verschiedene daran angeordnete Typen einer Schaltungsanordnung aufweisen, wie z. B. andere Sensoren als Beschleunigungsmesser, Anwenderschnittstellen, Ausgabevorrichtungen, Schaltungs-Controller, Anzeigevorrichtungen oder irgendeine geeignete Kombination daraus. 10D ist ein Blockschaltplan, der ein System 1000 D zum Detektieren der Winkelbeschleunigung, das einen Winkelbeschleunigungsmesser des hier beschriebenen Typs und einen oder mehrerer andere Typen von Schaltungen oder Komponenten umfasst, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung veranschaulicht. Das heißt, das System 1000 D kann wie das System 1000 C sein, mit der Ergänzung eines Speichers 1016, des Sensors (der Sensoren) 1014, der Anwenderschnittstelle 1018, der Ausgabevorrichtung 1024, des Motortreibers 1022, des Anzeigetreibers 1020 oder irgendeiner geeigneten Kombination daraus. Die in 10D mit gestrichelten Umrissen veranschaulichten Komponenten sind optional und können nur in bestimmten Ausführungsformen verwendet werden.
  • Der Sensor (die Sensoren) 1014 können irgendeinen geeigneten Typ von Sensoren, wie z. B. einen oder mehrere Temperatursensor(en), Drucksensor(en), Herzfrequenzsensor(en), akustische Sensor(en), Ultraschallsensor(en), Lichtsensor(en), Infrarotsensor(en), Drehzahlsensor(en), Kohlendioxidsensor(en), Stickstoffoxidsensor(en), pH-Sensor(en), Gassensor(en), Höhenmesser, Luftgeschwindigkeitssensor(en), Tiefensensor(en), Aufprallsensor(en), Freifallsensor(en), Wegstreckenzähler, piezoelektrische Sensor(en), Positionssensor(en), GPS-Sensor(en), Lasersensor(en) oder Näherungssensor(en), umfassen.
  • Der Speicher 1016 kann ein oder mehrere Speicherzellen umfassen. Der Speicher 1016 kann z. B. einen Festwertspeicher (ROM), einen programmierbaren Festwertspeicher (PROM), einen Schreib-Lese-Speicher (RAM), einen Flash-Speicher, einen Magnetspeicher oder irgendeinen anderen geeigneten Speichertyp umfassen. In einigen Ausführungsformen kann der Speicher 1016 einen Computer Code speichern, der eine oder mehrere computerausführbare Anweisungen umfasst. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, auf die Anweisungen zuzugreifen und die Anweisungen auszuführen. In einigen Ausführungsformen kann der Speicher 1016 Daten speichern. Der Speicher 1016 kann z. B. die Bezugswerte für die Winkelbeschleunigungsmesser und/oder den Linearbeschleunigungsmesser speichern. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, auf die Bezugswerte von dem Speicher 1016 zuzugreifen und die Bezugswerte mit den durch den Linearbeschleunigungsmesser 1007 und/oder den Winkelbeschleunigungsmesser 1002 erzeugten Signalen zu vergleichen.
  • Die Anwenderschnittstelle 1018 kann konfiguriert sein, eine Eingabe(n) von einem Anwender zu empfangen. Die Anwenderschnittstelle 1018 kann z. B. mit einer Tastatur, einem Tastenfeld, einer Maus, einem Berührungsschirm, einem Touchpad, einer Kamera, einem Mikrophon oder irgendeinem anderen geeigneten Typ einer Eingabeperipherievorrichtung verbunden sein. In einigen Ausführungsformen kann die ASIC 1010 konfiguriert sein, die detektierten Signale in Reaktion auf die über die Anwenderschnittstelle 1018 bereitgestellte(n) Eingabe(n) zu verarbeiten.
  • Der Anzeigetreiber 1020 kann konfiguriert sein, die den durch den Winkelbeschleunigungsmesser 1002 und/oder den Linearbeschleunigungsmesser 1007 abgetasteten Signalen zugeordneten Daten zu empfangen. In Reaktion auf das Empfangen derartiger Signale kann der Anzeigetreiber konfiguriert sein, eine Anzeigevorrichtung anzusteuern, um visuelle Informationen, die die Signale repräsentieren, anzuzeigen.
  • Die Ausgabevorrichtung 1024 kann eine LED, eine Schwingungsvorrichtung, eine Schallemissionsvorrichtung oder irgendeine geeignete Kombination daraus umfassen. Die Ausgabevorrichtung 1024 kann verwendet werden, um einen Anwender zu alarmieren, wenn eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist.
  • Der Motortreiber 1022 kann eine Schaltungsanordnung umfassen, um einen oder mehrere Motoren, wie z. B. Gleichstrommotoren, anzusteuern.
  • Einige oder alle der Komponenten des Systems 1000 D können auf einem Substrat, wie z. B. einem flexiblen Substrat, angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können einige oder alle der Komponenten des Systems 1000 D auf einem flexiblen Substrat gemäß der in den 21A–21B veranschaulichten Anordnung angeordnet sein.
  • Wie bei dem System 1000 A nach 10A kann das System 1000 D nach 10D in verschiedenen Anwendungen bezüglich Sport-, Gesundheitsfürsorge-, Militär- und Industrieanwendungen eingesetzt werden.
  • Als ein Beispiel kann das System 1000 D an Werkzeugen und/oder Utensilien, die für Personen, die an der Parkinson-Krankheit leiden, oder im Allgemeinen für Personen, die einen Tremor erleiden, entworfen sind, eingesetzt werden. Das System 1000 D kann z. B. an einem Löffel oder einer Gabel eingesetzt werden. Eine derartige Konfiguration kann verwendet werden, um den Tremor zu kompensieren. Das System 1000 D kann verwendet werden, um die Winkel- und/oder Linearbeschleunigungen, die dem Tremor des Anwenders zugeordnet sind, zu messen. Die durch den Sensor bereitgestellten Informationen können verwendet werden, um einen Motor anzusteuern, der konfiguriert ist, den Tremor zu kompensieren. Das Stabilisieren des Utensils oder des Werkzeugs kann es unterstützen, dass wenigstens einige Personen mit einem Handtremor das Utensil oder das Werkzeug leichter verwenden. Der Sensor kann konfiguriert sein, die Winkelbeschleunigungen mit dem Winkelbeschleunigungsmesser 1002 und/oder die Linearbeschleunigungen mit dem Linearbeschleunigungsmesser 1007 zu detektieren. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, die detektierte Winkel- und/oder Linearbeschleunigung zu verarbeiten und den Motortreiber 1022 zu steuern. Der Motortreiber 1022 kann einen oder mehrere Motoren ansteuern, um den Tremor zu kompensieren. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 D verwendet werden, den Schlaf einer Person zu überwachen, wobei es an einem Stirnband, einem Halsband, einem Armgelenkband, einem Pad oder einem Pflaster eingesetzt werden kann, um an irgendeinem geeigneten Abschnitt des Körpers angeordnet zu werden. Ein derartiges System kann z. B. verwendet werden, um die Atmung eines Patienten, der eine Schlafapnoe erleidet, zu überwachen. Das System 1000 D kann verwendet werden, um die der Atmung der Person zugeordneten Winkel- und/oder Linearbeschleunigungen zu messen. In derartigen Situationen kann das System 1000 D ein verdrahteter oder drahtloser Sensor sein, wobei es konfiguriert sein kann, die Winkelbeschleunigungen mit dem Winkelbeschleunigungsmesser 1002 und/oder die Linearbeschleunigungen mit dem Linearbeschleunigungsmesser 1007 zu detektieren, und folglich z. B. eine Angabe des Winkels des Kopfs des Patienten bezüglich des Rumpfs und/oder der Atmungsrate oder -amplitude bereitstellen. Die E/A-Schnittstelle 1012 kann einer der oben beschriebenen Typen der verdrahteten oder drahtlosen Schnittstellen sein. Das System kann die detektierte Winkel- und/oder Linearbeschleunigung periodisch an ein externes Überwachungssystem, wie z. B. einen Computer, senden. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, die Winkel- und/oder die Linearbeschleunigung in einer Atmungsrate, -amplitude oder einen Kopf-Rumpf-Winkel umzusetzen. In einigen Ausführungsformen kann das System zum Überwachen der Atmung eine Ausgabevorrichtung 1024, wie z. B. eine Schallemissionsvorrichtung oder eine Schwingungsvorrichtung, umfassen, die konfiguriert ist, ein Alarmsignal bereitzustellen, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind. Die ASIC 1010 kann z. B. konfiguriert sein, ein Wecksignal durch die Ausgabevorrichtung 1024 auszugeben, wenn sich die Personen während mehr als einer vorgegebenen Anzahl von Sekunden (z. B. fünfzehn Sekunden) in einem Zustand der Apnoe befindet. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungseinheit 1050 ein Energieerntesystem, wie z. B. die im Zusammenhang mit 13A oder 13B beschriebene thermoelektrische Energieerntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 14 beschriebene elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 15A beschriebene elektrische Überlastungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 16 beschriebene Photovoltaik-Erntevorrichtung, umfassen. Es können außerdem andere Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann der drahtlose Sensor Energiespeicherkomponenten, wie z. B. einen oder mehrere Superkondensatoren, umfassen, um etwas oder alles der mit der Energieerntevorrichtung geernteten Energie zu speichern.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 D bei der chirurgischen Robotertechnik verwendet werden, um Chirurgen bei chirurgischen Prozeduren zu unterstützen. Das System 1000 D kann verwendet werden, um die den Handbewegungen des Chirurgen zugeordneten Winkel- und/oder Linearbeschleunigungen zu messen. Derartige Systeme können z. B. verwendet werden, um die Handbewegungen des Chirurgen abzutasten und Handtremore oder andere unbeabsichtigte Bewegungen herauszufiltern, so dass sie nicht versehentlich roboterhaft reproduziert werden. Alternativ können die detektierten Winkel- und/oder Linearbeschleunigungsinformationen verwendet werden, um den Chirurgen proaktiv zu führen. In derartigen Situationen kann das System 1000 D ein verdrahteter oder drahtloser Sensor sein, wobei es konfiguriert sein kann, die Winkelbeschleunigungen mit dem Winkelbeschleunigungsmesser 1002 und/oder die Linearbeschleunigungen mit dem Linearbeschleunigungsmesser 1007 zu detektieren, und folglich z. B. eine Angabe des Tremors bereitstellen. Die E/A-Schnittstelle 1012 kann einer der oben beschriebenen Typen der verdrahteten oder drahtlosen Schnittstellen sein. Das System kann die detektierte Winkel- und/oder Linearbeschleunigung periodisch an ein externes Überwachungssystem, wie z. B. einen Computer, senden. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, die Winkel- und/oder die Linearbeschleunigung in den Tremor umzusetzen. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, den Motortreiber 1022 zu steuern. Der Motortreiber 1022 kann einen oder mehrere Motoren ansteuern, um den Tremor zu kompensieren.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 D in Hörhilfevorrichtungen verwendet werden. In einigen Fällen arbeiten die Hörhilfevorrichtungen in einem ungerichteten Modus, in dem das Mikrophon die aus allen Richtungen kommenden Töne erfasst. In anderen Fällen arbeiten die Hörhilfevorrichtungen in einem gerichteten Modus, in dem das Mikrophon hauptsächlich die aus einer speziellen Richtung kommenden Töne erfasst. Diese Konfiguration ist besonders nützlich, wenn die Sprache aus der Richtung kommt, in die der Anwender den Blick richtet.
  • 25 veranschaulicht eine Person 2501, die die Hörhilfevorrichtungen 2502 und 2503 trägt. Die Hörvorrichtungen können in irgendeiner geeigneten Weise in den Ohren der Person angeordnet sein, wobei jede ein System 1000 D umfassen kann. Das System 1000 D kann einen Winkelbeschleunigungsmesser 1002 aufweisen, der konfiguriert ist, die Bewegung des Körpers des Anwenders abzutasten. Der Winkelbeschleunigungsmesser kann z. B. konfiguriert sein, die Bewegungen des Halses und/oder des Kopfs in drei Dimensionen (z. B. die Links-rechts-Beugung des Halses, die Vorwärts-rückwärts-Beugung des Halses oder die Links-rechts-Drehung des Halses) durch das Detektieren der Winkelbeschleunigung zu detektieren. Basierend auf der detektierten Winkelbeschleunigung kann die ASIC 1010 konfiguriert sein, ein Signal bereitzustellen, das die Position des Kopfs des Anwenders bezüglich der Richtung, aus der ein Ton kommt, repräsentiert. Der Sensor 1014 kann ein oder mehrere Mikrophone umfassen, wie z. B. ein Mikrophon für die Hörhilfevorrichtung des linken Ohres und ein Mikrophon für die Hörhilfevorrichtung des rechten Ohres. Das Mikrophon kann (die Mikrophone können) in einigen Ausführungsformen mit einem Verstärker(n) verbunden sein. In einigen Ausführungsformen kann die ASIC 1010 in Reaktion auf das Abtasten der Position des Kopfs des Anwenders jedes Mikrofon steuern, um die Richtung der maximalen Verstärkung zu der Richtung einzustellen, aus der der Ton kommt. In einigen Ausführungsformen kann die ASIC 1010 in Reaktion auf das Abtasten der Position des Kopfs des Anwenders ein adaptives Filter steuern, um die von außerhalb einer speziellen Richtung kommenden Töne (z. B. die Hintergrundgeräusche) wenigstens teilweise zu filtern.
  • In der Ausführungsform nach 25 kann die Ausgabevorrichtung 1024 einen oder mehrere Lautsprecher, wie z. B. einen Lautsprecher für die Hörhilfevorrichtung des linken Ohrs und einen Lautsprecher für die Hörhilfevorrichtung des rechten Ohres, umfassen. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, die Lautsprecher mit den Signalen anzusteuern, die die Töne repräsentieren, die aus der Richtung der maximalen Verstärkung kommen. In einigen Ausführungsformen kann die ASIC 1010 konfiguriert sein, einen Modus zwischen dem ungerichteten Modus und dem gerichteten Modus wenigstens teilweise basierend auf der detektierten Position des Kopfs der Person bezüglich der Richtung, aus der der Ton kommt, auszuwählen.
  • Das hier beschriebene System 1000 D kann in persönlichen Tonverstärkerprodukten (PSAP), Ohrsteckern, Headsets, Hinterohr-Hilfen, Am-Ohr-Hilfen, Im-Ohr-Hilfen, unsichtbaren Gehörgang-Hörhilfen, offene-fit-Hilfen (open-fit aids) oder anderen geeigneten Vorrichtungen, die konfiguriert sind, den Ton für den Hörer zu verstärken, verwendet werden. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungseinheit 1050 ein Energieerntesystem, wie z. B. die im Zusammenhang mit 14 beschriebene elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung und/oder die Erntevorrichtung 1216 für kinetische Energie, umfassen. Es können außerdem andere Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Hörhilfevorrichtung Energiespeicherkomponenten, wie z. B. einen oder mehrere Superkondensatoren der hier beschriebenen Typen, umfassen, um etwas oder alles der mit der Energieerntevorrichtung geernteten Energie zu speichern.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 D in Betten, wie z. B. in Krankenhausbetten, verwendet werden. Das System 1000 B kann z. B. an der Rückenlehne oder der Kopflehne des Bettes eingesetzt werden, wobei der Winkelbeschleunigungsmesser 1002 konfiguriert sein kann, die der Rückenlehne oder der Kopflehne des Bettes zugeordneten Winkelbeschleunigungen abzutasten. 26 veranschaulicht ein Krankenhausbett gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen. Eine Vorrichtung 2602 kann an der Rückenlehne eines Bettes 2601 angeordnet sein. Die Vorrichtung 2602 kann ein System 1000 D umfassen. Die detektierte Winkelbeschleunigung kann im Speicher 1016 gespeichert werden. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, auf den Speicher 1016 zuzugreifen, um die detektierte Winkelbeschleunigung wiederzugewinnen, und um ein Signal, das die Position der Rückenlehne oder der Kopflehne repräsentiert, wenigstens teilweise auf dem Integrieren der wiedergewonnenen Winkelbeschleunigung basierend bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen kann die ASIC 1010 mit dem Motortreiber 1022 verbunden sein, der die Position des Bettes steuern kann. In einigen Ausführungsformen kann das System 1000 D eine Rückkopplungsschaltung bilden, die konfiguriert ist, die Rückenlehne oder die Kopflehne des Bettes an einer Position an einer gewünschten Position anzuordnen. Die gewünschte Position kann durch einen Anwender durch die Anwenderschnittstelle 1018 eingegeben werden. In einigen Ausführungsformen kann das System 1000 D an einem Bettlaken oder einer Bettdecke angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können mehrere Systeme 1000 D an verschiedenen Abschnitten eines Bettlakens oder einer Bettdecke angeordnet sein. In einer derartigen Konfiguration können der Winkelbeschleunigungsmesser 1002 und/oder der Linearbeschleunigungsmesser konfiguriert sein, die einem speziellen Abschnitt des Lakens oder der Decke zugeordneten Winkel- und/oder Linearbeschleunigungen abzutasten. Die detektierten Beschleunigungen können im Speicher 1016 gespeichert werden. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, auf den Speicher 1016 zuzugreifen, um die detektierten Beschleunigungen wiederzugewinnen, und um ein Signal, das die Position der verschiedenen Abschnitte des Lakens oder der Decke des Bettes repräsentiert, wenigstens teilweise durch das Integrieren der wiedergewonnenen Winkelbeschleunigungen bereitzustellen.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 D mit Ernährungssonden verwendet werden. Ernährungssonden sind medizinische Vorrichtungen, die verwendet werden, um Patienten, die keine Ernährung durch den Mund erhalten können, nicht sicher schlucken können oder eine ernährungsbedingte Ergänzung benötigen, eine Ernährung bereitzustellen. Insbesondere werden nasogastrische Ernährungssonden durch die Nasenlöcher, die Speiseröhre hinunter und in den Magen geleitet. Nasogastrische Ernährungssonden werden oft auf der Intensivstation (ICU) verwendet, um kritisch kranken Patienten eine Ernährung bereitzustellen, während ihre Beschwerden behandelt werden. Das System 1000 D kann verwendet werden, um die Position der Ernährungssonde bezüglich der Nase des Patienten zu überwachen, um eine Erstickung zu verhindern. Das System 1000 D kann an irgendeinem geeigneten Ort entlang der Ernährungssonden angeordnet sein und kann den Winkelbeschleunigungsmesser 1002 und/oder den Linearbeschleunigungsmesser 1007 verwenden, um die Winkel- und/oder Linearbeschleunigungen zu detektieren, die einem oder mehreren Abschnitten der Ernährungssonde zugeordnet sind.
  • In 26 kann ein Patient unter Verwendung der Ernährungssonden 2608 und 2609 ernährt werden. Die Ernährungssonden können durch die Nasenlöcher der Nase 2607 des Patienten geleitet sein. Das gegenüberliegende Ende der Sonden kann mit einer Vorrichtung 2612 verbunden sein, die konfiguriert sein kann, dem Patienten Nährstoffe bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen kann ein Sensor 2610 an einer Ernährungssonde, wie z. B. der Ernährungssonde 2609, angeordnet sein. Der Sensor 2610 kann konfiguriert sein, die der Ernährungssonde zugeordneten Beschleunigungen zu detektieren. Die detektierten Beschleunigungen können im Speicher 1016 gespeichert werden. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, die Beschleunigungen aus dem Speicher 1016 wiederzugewinnen und Signale, die die Position der Ernährungssonden bezüglich des Patienten repräsentieren, wenigstens teilweise basierend auf dem Integrieren der wiedergewonnenen Beschleunigungen bereitzustellen. Die ASIC 1010 kann mit einer Ausgabevorrichtung 1024 verbunden sein, die ein Alarmsystem, wie z. B. eine Schallemissionsvorrichtung, umfassen kann. Falls die ASIC 1010 bestimmt, dass die Position der Ernährungssonden gefährlich ist, kann die ASIC 1010 die Ausgabevorrichtung 1024 steuern, um ein Alarmsignal auszugeben.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 D in kardiopulmonalen Reanimationssystemen (CPR-Systemen) verwendet werden, um sicherzustellen, dass die CPR richtig ausgeführt wird. Ein derartiges System kann z. B. verwendet werden, um dem Retter durch das Detektieren der Rate, der Tiefe und des Winkels des Drucks eine Echtzeit-Rückmeldung bereitzustellen. Das System kann in einem Handgerät eingesetzt werden, um direkt auf der Brust der Person, die an einem Herzstillstand leidet, angeordnet zu werden. Der Retter kann die CPR auf dem Handgerät ausführen. Das System 1000 D kann verwendet werden, um die dem Druck zugeordneten Winkel- und/oder Linearbeschleunigungen zu messen. In derartigen Situationen kann das System 1000 D konfiguriert sein, die Winkelbeschleunigungen mit dem Winkelbeschleunigungsmesser 1002 und/oder die Linearbeschleunigungen mit dem Linearbeschleunigungsmesser 1007 zu detektieren, und folglich z. B. eine Angabe der Rate, der Tiefe und des Winkels des Drucks durch die ASIC 1010 bereitstellen. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, die Ausgabevorrichtung 1024, wie z. B. einen Lautsprecher, die konfiguriert ist, eine im Voraus aufgezeichnete Sprache abzuspielen, und/oder den Anzeigetreiber 1020 zu steuern. Die Ausgabevorrichtung und/oder die Anzeige können konfiguriert sein, dem Retter eine Echtzeit-Rückmeldung bereitzustellen, um den Druck zu einer richtigen Rate, einer richtigen Tiefe und einem richtigen Winkel zu korrigieren.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 D verwendet werden, um zu überwachen, ob eine Person aufsteht und/oder um zu detektieren, ob und wann eine Person hingefallen ist. In einer derartigen Konfiguration kann das System 1000 D an einem Pflaster, einem Stirnband, einem Armband, einem Handgelenkband, einem Beinband oder irgendeiner geeigneten Vorrichtung, die konfiguriert ist, an irgendeinem geeigneten Abschnitt eines menschlichen Körpers angebracht zu werden, angeordnet sein. Das System kann konfiguriert sein, die Winkel- und/oder Linearbeschleunigungen zu detektieren, die dem Abschnitt des Körpers zugeordnet sind, an dem das System angeordnet ist. Das System kann z. B. an einem Teil angeordnet sein, das konfiguriert ist, an der Brust einer Person angebracht zu sein, wobei es die Winkel- und/oder Linearbeschleunigungen, die der Brust der Person zugeordnet sind, mit dem Winkelbeschleunigungsmesser 1002 bzw. dem Linearbeschleunigungsmesser 1007 detektieren kann. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, basierend auf den detektierten Beschleunigungen zu bestimmen, ob die Person sitzt, steht, schläft oder hingefallen ist. Die E/A-Schnittstelle 1006 kann einer der oben beschriebenen Typen der drahtlosen Schnittstellen sein. Das System kann die detektierte Winkel- und/oder Linearbeschleunigung periodisch an ein externes Überwachungssystem, wie z. B. einen Computer, ein Tablet oder ein Smartphone, senden. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungseinheit 1050 ein Energieerntesystem, wie z. B. die im Zusammenhang mit 14 beschriebene elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung und/oder die Erntevorrichtung 1216 für kinetische Energie, umfassen. Es können außerdem andere Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann der drahtlose Sensor Energiespeicherkomponenten, wie z. B. einen oder mehrere Superkondensatoren, umfassen, um etwas oder alles der mit der Energieerntevorrichtung geernteten Energie zu speichern.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 D in Kamerakapseln eingesetzt werden, um die Position der Kapsel zu überwachen, sobald sie im Körper einer Person implantiert worden ist. In derartigen Situationen kann das System 1000 D konfiguriert sein, die Winkelbeschleunigungen mit dem Winkelbeschleunigungsmesser 1002 und/oder die Linearbeschleunigungen mit dem Linearbeschleunigungsmesser 1007 zu detektieren und folglich z. B. eine Angabe der Position der Kapsel innerhalb des Körpers bereitstellen. Die detektierte Beschleunigung kann im Speicher 1016 gespeichert werden. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, die Informationen hinsichtlich der Position der Kapsel basierend auf der detektierten Beschleunigung, z. B. durch das Ausführen von Integrationsroutinen, bereitzustellen. Die E/A-Schnittstelle 1012 kann einer der oben beschriebenen Typen der drahtlosen Schnittstellen sein. Das System kann die detektierte Winkel- und/oder Linearbeschleunigung periodisch an ein externes Überwachungssystem, wie z. B. einen Computer, senden. Der Sensor 1014 kann eine Kamera umfassen. Die durch die Kamera aufgenommenen Bilder können periodisch über die E/A-Schnittstelle 1012 übertragen werden. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungseinheit 1050 ein Energieerntesystem, wie z. B. die im Zusammenhang mit 14 beschriebene elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 15A beschriebene elektrische Überlastungserntevorrichtung, umfassen. Es können außerdem andere Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann der drahtlose Sensor Energiespeicherkomponenten, wie z. B. einen oder mehrere Superkondensatoren, umfassen, um etwas oder alles der mit der Energieerntevorrichtung geernteten Energie zu speichern.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 D an Türen oder Fenstern eingesetzt werden, um die Winkelposition der Tür oder des Fensters zu detektieren. Es ist oft für die Haussicherheit wichtig, zu bestimmen, ob eine Tür oder ein Fenster offen oder geschlossen ist, da eine Öffnung einen versuchten Einbruch angeben kann. In derartigen Situationen kann das System 1000 D konfiguriert sein, die Winkelbeschleunigungen mit dem Winkelbeschleunigungsmesser 1002 zu detektieren, und folglich eine Angabe der Winkelposition der Tür oder des Fensters bereitstellen. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, die Winkelposition der Tür oder des Fensters z. B. durch das Ausführen von Integrationsroutinen bereitzustellen. Die E/A-Schnittstelle 1012 kann einer der oben beschriebenen Typen der drahtlosen Schnittstellen sein. Das System kann die detektierte Winkel- und/oder Linearbeschleunigung periodisch an ein externes Überwachungssystem, wie z. B. einen Computer, ein Tablet oder ein Smartphone, senden. Das System 1000 D kann eine Ausgabevorrichtung 1024, wie z. B. eine Schallemissionsvorrichtung, umfassen, die konfiguriert ist, ein Alarmsignal zu emittieren, wenn eine Tür oder ein Fenster verletzt wird. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungseinheit 1050 ein Energieerntesystem, wie z. B. die im Zusammenhang mit 13A oder 13B beschriebene thermoelektrische Energieerntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 14 beschriebene elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 15A beschriebene elektrische Überlastungserntevorrichtung, umfassen. Es können außerdem andere Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann das System Energiespeicherkomponenten, wie z. B. einen oder mehrere Superkondensatoren, umfassen, um etwas oder alles der mit der Energieerntevorrichtung geernteten Energie zu speichern.
  • Als ein Beispiel kann das System 1000 D verwendet werden, um die Wirkungen zu analysieren, die ein Fahrzeugaufprall auf einen menschlichen Körper haben kann. In diesem Fall kann das System 1000 D an einem Crashtest-Dummy eingesetzt werden. Die Crashtest-Dummies sind vollmaßstäbliche anthropomorphe Testvorrichtungen (ATD), die die Abmessungen, die Gewichtsproportionen und die Gelenke des menschlichen Körpers simulieren. Die Crashtest-Dummies sind typischerweise mit Instrumenten ausgerüstet, um die Daten über das dynamische Verhalten der ATD in simulierten Fahrzeugaufprallen aufzuzeichnen. Ein System 1000 D des hier beschriebenen Typs kann an irgendeinem geeigneten Abschnitt eines Crashtest-Dummies, wie z. B. einem Bein, einem Arm, der Brust, dem Kopf oder einer Schulter, angeordnet sein. Das System kann konfiguriert sein, die Winkel- und/oder Linearbeschleunigungen zu detektieren, die dem Abschnitt des Dummies, an dem das System angeordnet ist, in Reaktion auf einen Aufprall zugeordnet sind. Die Winkelbeschleunigung kann mit dem Winkelbeschleunigungsmesser 1002 und die Linearbeschleunigung mit dem Linearbeschleunigungsmesser 1007 detektiert werden. In einigen Ausführungsformen können die detektierten Beschleunigungen im Speicher 1016 gespeichert werden. In einigen Ausführungsformen kann die ASIC 1010 konfiguriert sein, wenigstens teilweise basierend auf der detektierten Beschleunigung Signale bereitzustellen, die die Geschwindigkeit des Aufpralls, die Brechkraft, das Biegen, das Falten oder das Drehmoment der Karosserie, die Verzögerungsrate oder irgendeine geeignete Kombination daraus darstellen. Die E/A-Schnittstelle 1012 kann einer der oben beschriebenen Typen der drahtlosen Schnittstellen sein. Das System kann die detektierte Winkel- und/oder Linearbeschleunigung periodisch an ein externes Überwachungssystem, wie z. B. einen Computer, ein Tablet oder ein Smartphone, senden.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 D verwendet werden, um Schwingungen, wie z. B. eine Schwankungsbewegung eines Eisenbahnfahrzeugs, zu überwachen, wobei einige Typen von diesen als Sinuslauf bezeichnet werden. Wenn ein Zug mit einer Geschwindigkeit fährt, die größer als eine kritische Geschwindigkeit ist, können einige der Wagen des Zugs oszillieren. Unter einigen Umständen kann die Amplitude der Schwingung groß genug sein, um den Schienenstrang zu beschädigen und/oder eine Entgleisung zu verursachen. 27 veranschaulicht einen Zug 2700, der mehrere Wagen 2701 A, 2701 B und 2701 C aufweist. Ein System 1000 D kann eingesetzt werden, um die Schwingungen eines Zugs zu überwachen. Eine Vorrichtung 2703 kann z. B. ein System 1000 D umfassen und kann an der Kupplung, die aufeinanderfolgende Wagen verbindet, oder an irgendeinem geeigneten Abschnitt eines Wagens, wie z. B. an einer Seite, an einem Dach oder einem Radsatz, angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine Vorrichtung 2705 ein System 1000 D umfassen und kann an einer Seite eines Wagens, wie z. B. des Wagens 2701 C, angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine Vorrichtung 2707 ein System 1000 D umfassen und kann an der Oberseite eines Wagens, wie z. B. des Wagens 2701 C angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine Vorrichtung 2709 ein System 1000 D umfassen und kann an dem Radsatz eines Wagens, wie z. B. des Wagens 2701 C, angeordnet sein.
  • Das System 1000 D kann konfiguriert sein, die Winkelbeschleunigungen und die Linearbeschleunigungen, die sich an einem Wagen in Reaktion auf die Schwingungen, wie z. B. den Sinuslauf, ergeben, zu detektieren. Die Winkelbeschleunigung kann mit dem Winkelbeschleunigungsmesser 1002 detektiert werden, während die Linearbeschleunigung mit dem Linearbeschleunigungsmesser 1007 detektiert werden kann. In einigen Ausführungsformen kann die ASIC 1010 die detektierte Beschleunigung in eine Größe umsetzen, die die Amplitude der Schwingung repräsentiert. In einigen Ausführungsformen kann die ASIC 1010 die berechnete Amplitude der Schwingung mit einem im Speicher 1016 gespeicherten Schwellenwert vergleichen. Falls die Amplitude der Schwingung eine Amplitude aufweist, die größer als der Schwellenwert ist, kann die ASIC 1010 konfiguriert sein, eine Ausgabevorrichtung 1024 zu steuern, um ein Alarmsignal bereitzustellen. Die Ausgabevorrichtung 1024 kann z. B. eine Anzeige oder einen Indikator umfassen, die bzw. der im Fahrerraum der Lokomotive angeordnet ist. Die E/A-Schnittstelle 1012 kann eine verdrahtete oder drahtlose Schnittstelle umfassen, die die ASIC 1010 mit der Ausgabevorrichtung 1024 verbindet. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungseinheit 1050 ein Energieerntesystem, wie z. B. die im Zusammenhang mit 14 beschriebene elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung und/oder die im Zusammenhang mit 15A beschriebene elektrische Überlastungserntevorrichtung und/oder die Erntevorrichtung 1216 für kinetische Energie, umfassen. Es können außerdem andere Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann das System Energiespeicherkomponenten, wie z. B. einen oder mehrere Superkondensatoren, umfassen, um etwas oder alles der mit der Energieerntevorrichtung geernteten Energie zu speichern.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 D im Zusammenhang mit Videospielen verwendet werden. Das System 1000 D kann z. B. an einem Joypad, einem Joystick, einem Gamepad oder einem anderen geeigneten Typ eines Spiele-Controllers angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann das System 1000 D an einer tragbaren Vorrichtung, wie z. B. einem Headset der virtuellen Realität (VR-Headset), einer Brille, einem Handschuh, einem Handgelenkband, einem Stirnband, einem Beinband oder einem Laufsensor, angeordnet sein. Unter einigen Umständen kann ein Videospiel durch die durch einen Spieler ausgeführten Bewegungen gesteuert werden. Das System 1000 D kann konfiguriert sein, die Winkel- und/oder Linearbeschleunigungen, die dem Abschnitt des Körpers des Spielers, an dem das System angeordnet ist, zugeordnet sind, zu detektieren. Die Winkelbeschleunigung kann mit dem Winkelbeschleunigungsmesser 1002 detektiert werden, während die Linearbeschleunigungen mit dem Linearbeschleunigungsmesser 1007 detektiert werden können. Die ASIC 1010 kann konfiguriert sein, in Reaktion auf das Empfangen der detektierten Beschleunigung die Dynamik des Videospiels zu steuern. Beispielhaft und nicht als Einschränkung kann die ASIC 1010 die Bewegung eines Fahrzeugs, wie z. B. eines virtuellen Autos, Fahrrads, Motorrads, Flugzeugs, Hubschraubers, einer virtuellen Drohne, eines virtuellen Bootes, eines virtuellen Zugs oder die Bewegung eines Avatars, wie z. B. eines virtuellen Athleten, Kriegers oder Soldaten, steuern.
  • Als ein weiteres Beispiel kann das System 1000 D verwendet werden, um die Bewegung eines Fahrzeugs, wie z. B. eines Zugs oder eines Autos, zu detektieren. In einer derartigen Konfiguration kann das System 1000 D an irgendeinem Teil des Fahrzeugs, der konfiguriert ist, sich zu drehen, wie z. B. einem Rad oder einer Antriebswelle, angeordnet sein. Der Winkelbeschleunigungsmesser 1002 kann konfiguriert sein, die Winkelbeschleunigungen zu detektieren, die dem Teil des Fahrzeugs zugeordnet sind, an dem das System 1000 D angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen kann die ASIC 1010 konfiguriert sein, die detektierte Winkelbeschleunigung zu empfangen, wobei sie konfiguriert sein kann, ein Signal über die E/A-Schnittstelle 1012 an eine Ausgabevorrichtung 1024 zu senden. Die Ausgabevorrichtung kann einen Schirm oder einen Indikator umfassen, der z. B. in einem Bahnhof angeordnet ist, wobei sie signalisieren kann, ob sich ein Zug bewegt und/oder wie schnell er fährt. Alternativ oder zusätzlich kann die ASIC 1010 konfiguriert sein, über die E/A-Schnittstelle 1012 ein Signal, das die detektierte Winkelbeschleunigung repräsentiert, an ein externes Überwachungssystem, wie z. B. einen Computer, zu senden. Die E/A-Schnittstelle 1012 kann einer der oben beschriebenen Typen der drahtlosen Schnittstellen sein. Die Leistungseinheit 1050 kann in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungseinheit 1050 ein Energieerntesystem, wie z. B. die im Zusammenhang mit 14 beschriebene elektromagnetische Schwingungserntevorrichtung und/oder die Erntevorrichtung 1216 für kinetische Energie, umfassen. Es können außerdem andere Typen von Energieerntevorrichtungen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann das System Energiespeicherkomponenten, wie z. B. einen oder mehrere Superkondensatoren, umfassen, um etwas oder alles der mit der Energieerntevorrichtung geernteten Energie zu speichern.
  • Die Systeme 1000 A–1000 D können in Anwendungen zum Überwachen des Maschinenzustands verwendet werden. Es können z. B. die Leistung und/der Zustand einer Maschinenausstattung unter Verwendung der Systeme der hier beschriebenen Typen überwacht werden, um zu beurteilen, ob die Maschinenausstattung angemessen arbeitet, ob eine Wartung erforderlich ist, wie effizient die Maschinenausstattung arbeitet, oder aus anderen Gründen. Einige Maschinenausstattungen oder Industrieanlagen können während der Verwendung oder einfach im Lauf der Zeit einer Biegung unterworfen sein, z. B. wenn sich ein Teil deformiert. Die Biegung kann aus den Änderungen der Winkelbeschleunigung ermittelt werden. Turbinen (z. B. die Blätter von Windturbinen), Flugzeugflügel und Öl- und Gasanlagen, einschließlich Bohr-, Bohrungs- und Pumpanlagen, können einer Biegung unterworfen sein. Die Systeme 1000 A–1000 D können an einem geeigneten Ort an einer derartigen Anlage befestigt oder innerhalb einer derartigen Anlage eingebettet sein, um die Änderungen der Drehung oder die Ausmaße der Biegung zu detektieren, die aus der Winkelbeschleunigung beurteilt werden können. In einigen Fällen können derartige Informationen verwendet werden, um die Deformation der Anlage zu beurteilen und können deshalb verwendet werden, das Vorhandensein oder die Möglichkeit eines Anlagenausfalls zu beurteilen.
  • Die Typen der oben beschriebenen Industrieanlagen können außerdem eine oder mehrere Komponenten enthalten, die sich drehen können. Eine Bohr- und Pumpanlage für Öl und Gas kann z. B. verschiedene rotierende Komponenten enthalten. Die Systeme 1000 A–1000 D können verwendet werden, um die Rotation oder deren Fehlen zu beurteilen und um eine Angabe der Anlagenleistung bereitzustellen.
  • Die Begriffe "ungefähr" und "etwa" können verwendet werden, so dass sie in einigen Ausführungsformen innerhalb ±20 % eines Zielwerts, in einigen Ausführungsformen innerhalb ±10 % eines Zielwerts, in einigen Ausführungsformen innerhalb ±5 % eines Zielwerts und in einigen Ausführungsformen sogar innerhalb ±2 % eines Zielwerts bedeuten. Die Begriffe "ungefähr" und "etwa" können den Zielwert enthalten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • IEEE 802.15.4 [0110]
    • IEEE 802.11.ah [0110]

Claims (14)

  1. Winkelbeschleunigungsmesser, der Folgendes umfasst: ein Substrat; eine Prüfmasse, die Folgendes aufweist: einen äußeren Umfang; eine Mitte, die innerhalb des äußeren Umfangs eingeschlossen ist; und mehrere Balken, wobei wenigstens einer der mehreren Balken ein festes Ende unmittelbar an dem Umfang und ein freies Ende unmittelbar an der Mitte umfasst; einen oder mehrere Anker, die die Prüfmasse mit dem Substrat verbinden; und wenigstens eine feste Elektrode, die mit dem Substrat verbunden ist und dem wenigstens einen der mehreren Balken benachbart ist, wobei die wenigstens eine feste Elektrode konfiguriert ist, mit dem wenigstens einen der mehreren Balken einen Detektionskondensator zu bilden.
  2. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 1, wobei der Detektionskondensator konfiguriert ist, in Reaktion auf eine radiale Bewegung der Prüfmasse um eine Achse, die sich außerhalb einer durch die Prüfmasse definierten Ebene befindet, ein Detektionssignal bereitzustellen.
  3. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mehreren Balken radial bezüglich der Mitte der Prüfmasse orientiert sind.
  4. Winkelbeschleunigungsmesser nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Detektionskondensator ein erster Detektionskondensator ist, wobei der Winkelbeschleunigungsmesser ferner eine Elektrode umfasst, die auf dem Substrat angeordnet ist und mit wenigstens einem Abschnitt des Umfangs der Prüfmasse einen zweiten Detektionskondensator bildet.
  5. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 4, wobei das freie Ende des wenigstens einen der mehreren Balken in einem ersten radialen Abstand von der Mitte der Prüfmasse angeordnet ist und die auf dem Substrat angeordnete Elektrode in einem zweiten radialen Abstand von der Mitte der Prüfmasse angeordnet ist, wobei der zweite radiale Abstand größer als der erste radiale Abstand ist.
  6. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 4, wobei der zweite Detektionskondensator konfiguriert ist, in Reaktion auf eine Bewegung der Prüfmasse um eine Achse in einer durch die Prüfmasse definierten Ebene ein Detektionssignal bereitzustellen.
  7. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 6, wobei die auf dem Substrat angeordnete Elektrode eine erste Substratelektrode ist, das Detektionssignal ein erstes Detektionssignal ist und die Achse eine erste Achse ist, wobei der Winkelbeschleunigungsmesser ferner eine zweite Substratelektrode umfasst, die auf dem Substrat angeordnet ist und konfiguriert ist, in Reaktion auf eine Bewegung der Prüfmasse um eine zweite Achse, die zu der ersten Achse senkrecht ist, in der durch die Prüfmasse definierten Ebene ein zweites Detektionssignal bereitzustellen.
  8. Winkelbeschleunigungsmesser nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der eine oder die mehreren Anker näher an der Mitte der Prüfmasse als die mehreren Balken angeordnet sind.
  9. Winkelbeschleunigungsmesser nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die wenigstens eine feste Elektrode eine erste feste Elektrode ist, wobei der Winkelbeschleunigungsmesser ferner eine zweite feste Elektrode umfasst, die sich dem wenigstens einen der mehreren Balken benachbart und der ersten festen Elektrode gegenüberliegend befindet.
  10. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 9, wobei die erste feste Elektrode und die zweite feste Elektrode konfiguriert sind, gemeinsam in Reaktion auf eine radiale Bewegung der Prüfmasse um eine Achse, die sich außerhalb einer durch die Prüfmasse definierten Ebene befindet, ein Differenzsignal bereitzustellen.
  11. Winkelbeschleunigungsmesser nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der eine oder die mehreren Anker durch jeweilige Halteseile mit der Mitte der Prüfmasse verbunden sind.
  12. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 11, wobei die jeweiligen Halteseile symmetrisch sind.
  13. Winkelbeschleunigungsmesser nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Prüfmasse eine polygonale Form aufweist.
  14. Winkelbeschleunigungsmesser nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das feste Ende des wenigstens einen der mehreren Balken mit einem Innenrand der Prüfmasse verbunden ist.
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