WO2019120795A1 - Vorrichtung zur messung eines elektrischen felds - Google Patents

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WO2019120795A1
WO2019120795A1 PCT/EP2018/081516 EP2018081516W WO2019120795A1 WO 2019120795 A1 WO2019120795 A1 WO 2019120795A1 EP 2018081516 W EP2018081516 W EP 2018081516W WO 2019120795 A1 WO2019120795 A1 WO 2019120795A1
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WO
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movable
movable portion
section
micromechanical structure
frame
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PCT/EP2018/081516
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wilfried Hortschitz
Michael STIFTER
Harald Steiner
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Donau-Universitat Krems
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Donau-Universitat Krems
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Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems ; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02—Microstructural systems ; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/12—Measuring electrostatic fields or voltage-potential

Definitions

  • the present invention relates to a device for
  • Field mills usually a grounding of individual parts of the respective field mill, in particular the sensor electrode, provided what the measured electric fields
  • electro-optical sensors known from the prior art for measuring electric fields do not require grounding and, in terms of possible distortions of the electric field to be measured, are superior to field mills, see e.g. N.J. Vasa et al. , Journal of Materials Processing Technology 185 (1-3), 173 (April 2007).
  • the electric field strength based on light absorption or changes in the
  • the device according to the invention does not distort the electric field to be measured, and the device according to the invention should be miniaturizable and as temperature-insensitive or temperature-stable as possible.
  • a device for measuring an electric field comprising a micromechanical structure which extends in a first direction, a second direction and a third direction, wherein the first
  • Operating temperature electrically conductive material is made and has a frame portion and a movable portion, wherein the movable portion with the
  • Frame section is electrically conductive and mechanically elastically connected and is movable relative to the frame portion
  • the micromechanical structure is designed so that in an arrangement of the micromechanical structure in the electric field with a first field strength component parallel to the first direction nonzero electrical polarization of the micromechanical structure comprising a first force component acting on the movable portion parallel to the first direction and a change of the spatial arrangement of the movable body dependent on the first force component Section relative to the frame portion result, and wherein detection means are provided to determine the change in the spatial arrangement of the movable portion relative to the frame portion.
  • Distortion of the electric field to be measured is practically ruled out by the device according to the invention, in particular since the device according to the invention can be constructed extremely compactly (due to the small dimensions, the electric field is practically not distorted) and since no grounding is necessary.
  • Temperature dependence is given, so that this can be easily taken into account.
  • the temperature dependence can also be greatly reduced by suitable choice of material and an optimized geometry, which is why the device according to the invention, in particular in comparison with the known prior art is to be described as temperature-insensitive or temperature-stable.
  • micromechanical structure could also serve as a sensor
  • the dimensions of the micromechanical structure in the first and second directions are in the range of 0.1 mm to 5 mm, preferably 0.1 mm to 1 mm, and typically at least one in the third direction
  • micromechanical structure should be understood to mean that theoretically dimensions in the sub-micrometer range are possible, especially in the third direction
  • the device according to the invention is thus not only highly miniaturizable, but said maximum frequency can also be increased significantly above the said 10 kHz.
  • the operating temperature refers to the temperature at which the device is typically used.
  • Frame portion and the movable portion ensures that actually the micromechanical structure is polarized as a whole and not the frame portion and the movable portion separately.
  • Frame section and the movable section ensures that the movable section in the presence of a electric field relative to the frame portion and again assumes its original spatial arrangement relative to the frame portion, when the electric field is no longer present.
  • the mechanical elastic connection is synonymous with a connection by means of spring elements or resilient elements.
  • Such connections are known per se. They can be realized in particular by suitable choice of material of the connection between the movable portion and the frame portion.
  • the movable portion is movable at least parallel to the first direction.
  • a first direction a second direction.
  • Field strength component not equal to zero cause a first force component and thus a deflection or change of the arrangement of the movable portion relative to the frame portion parallel to the first direction or cause.
  • the deflection or size of the arrangement change which by means of
  • Detection means is determined, is then correspondingly a measure of the electric field strength in the first direction or for the first field strength component.
  • a control unit may be provided to immediately perform a "conversion" between the particular arrangement change and the size of the electric field in the first direction or the first field strength component.
  • a complete spatial resolution, i. in all three spatial directions, an arbitrarily oriented electric field can be realized accordingly, e.g. three
  • the movable portion of the first device can be selectively move only in the first direction
  • the mechanically elastic connection is such that at least approximately in one of the three
  • Directions is given a spring constant, which is smaller by at least an order of magnitude than the spring constant in the remaining two directions.
  • simply three identical devices are combined such that the first device is oriented along the first direction, the second device along the second direction and the third device along the third direction.
  • a control unit can be provided which immediately determines the three directions
  • Field strength component, a second field strength component and a third field strength component converted.
  • micromechanical structure be formed in one piece.
  • the frame portion and the movable portion, in particular the entire micromechanical structure may be made of, preferably monocrystalline, silicon. This allows, for example, the production based on a silicon wafer or silicon-on-insulator (SOI) wafer in familiar way. This is also a
  • the frame section in a plane which is parallel to the first direction and the second direction, at least partially substantially a U-shape
  • the webs may be U-shaped or meandering in the plane to avoid mechanical nonlinearities at larger deflections / arrangement changes.
  • a specific sensitivity of the device according to the invention in the first direction can be achieved by making the movable section mechanically lighter and, if necessary, further in the first direction
  • the webs ensure in this case a spring constant in the first direction, which is smaller by at least an order of magnitude than corresponding spring constants in the other two directions.
  • Micromechanical structure of the frame portion and the movable portion electrically separate reinforcing element comprises, which is arranged behind the movable portion as seen in the first direction, wherein between the movable portion and the reinforcing member, a gap is arranged.
  • the reinforcing element is also polarized without the charge carriers from
  • Reinforcement could flow to the frame section or even moving section.
  • the movable section therefore has an exactly opposite one in the region of the gap
  • the movable portion is pulled toward the reinforcing member or causes the
  • Force component in particular in that spatial area where the gap has a particularly small gap width, the latter being measured in the first direction.
  • measured gap width is less than or equal to 500 ym, preferably less than or equal to 200 ym, particularly preferably from 0.1 ym to 50 ym. The latter ensures at the same time a
  • the detection means comprise an optical sensor and at least one Lichtzu melt Kunststoff Kunststoff to allow a purely optical detection.
  • Suitable optical sensors are known per se.
  • an optical sensor based on at least one photodiode or at least one phototransistor would be conceivable.
  • the at least one photodiode / the at least one phototransistor can be "directly” illuminated by being in spatial proximity to the movable section, in particular directly below the movable section, and directly capturing the light coming from the area of the movable section.
  • the at least one photodiode / the at least one phototransistor becomes "indirectly"
  • Lichtleitsch in particular at least one fiber optic cable, comprises, in order to move the light out of the range of the movable
  • Section in particular from the area immediately below the movable portion, the at least one photodiode / the at least one phototransistor to be forwarded.
  • the at least one light supply means is provided to a defined illumination of the movable portion
  • the at least one light supply means may e.g. comprise one or more optical fibers and / or
  • At least one light source in particular one or more light-emitting diodes.
  • the micromechanical structure does not necessarily have to be between the at least one light supply means and the optical one
  • Light supply means and the optical sensor is arranged.
  • Embodiment is and makes it possible to use a modified thereby light modulation and / or a transmission thereby changed for determining the deflection / arrangement change of the movable portion.
  • At least one light-emitting diode and at least one photodiode or at least one phototransistor is arranged.
  • these elements need to be powered, there may be situations where the operation of these elements near the movable section would over-influence the weak electric field to be measured and distort the measurement result too much. Therefore, it is at a special
  • the at least one LichtzuWORKstoff comprises a light guide to one side of the micromechanical
  • the optical sensor comprises a further light guide to capture the light on an opposite side of the micromechanical structure.
  • Detection means a diaphragm structure on the movable section and a fixed aperture structure, wherein the fixed
  • Aperture structure a fixed relative to the frame section
  • this diaphragm structure moves with the movable
  • Deflection / arrangement change can be achieved with high precision and at the same time inexpensively by a simple measurement of the transmitted light intensity, for which e.g. a simple (n), non-resolving photodiode / phototransistor is sufficient.
  • the fixed diaphragm structure is formed in a metal layer on a glass wafer. That the metal layer forms the fixed diaphragm structure on the glass wafer, which is arranged above the movable section and spatially fixed to the frame section.
  • the glass wafer may be mechanically rigidly connected to the frame section.
  • Aperture structure on the movable section can thus be
  • each hole having a smaller extent along the first direction than along the second direction
  • the corresponding fixed aperture structure may then be e.g. also consist of equal and equally arranged rectangular holes in the metal layer. Or the corresponding fixed aperture structure consists e.g. made of rectangular metal strips the same size as the
  • a suitable metal would be e.g. Cr, which on the glass wafer by means of photolithography and physical
  • movable portion in particular the diaphragm structure at the movable portion, and the at least one
  • displacements / disposition changes of the movable section caused by vibrations from those caused by electric fields can be distinguished
  • Embodiment of the device according to the invention provided that the micromechanical structure is designed so that the change of the spatial arrangement of the movable portion relative to the frame portion comprises a rotation of the movable portion relative to the frame portion, preferably about an axis of rotation parallel to the third direction.
  • This takes into account the fact that vibrations usually act only translationally and accordingly only linear displacements / arrangement changes of the movable section result.
  • the corresponding design can be carried out by a suitable, in particular asymmetrical mechanically elastic connection of the movable section to the frame section.
  • the micromechanical structure comprises a further one movable portion which is electrically conductively and mechanically elastically connected to the frame portion, wherein the strength of the mechanical coupling of the further movable portion to the frame portion in a
  • the micromechanical structure takes place, which has a further acting on the other movable portion further first component parallel to the first direction and a dependent on the other first force component change in the spatial arrangement of the other movable portion relative to the frame section result, the further first force component and / or the change of the spatial arrangement of the further movable section by a factor less than or equal to 0.1, preferably less than 0.01, is smaller than the first force component and / or the change of the spatial arrangement of the movable section caused by the first force component , And that further detection means are provided to determine the change in the spatial arrangement of the further movable portion relative to the frame portion.
  • this embodiment can be easily realized by the other movable portion and its connection to the frame portion of the movable
  • Couplings can be assumed to be exactly 1. If there is the other moving section spatially centrally in
  • Frame portion is arranged and the movable portion at the edge of the frame portion, acts on the movable portion inevitably a greater caused by the electrical polarization force component than the other
  • This difference can also be significantly increased by the reinforcing element in the immediate vicinity of the movable portion (separated from this only by the gap) is arranged.
  • the detection of the deflection / arrangement change of the further movable section can be exactly the same as for the
  • the further detection means comprise a further diaphragm structure at the further movable portion and a further fixed diaphragm structure, wherein the further fixed diaphragm structure has a fixed relative to the frame portion spatial arrangement.
  • the further diaphragm structure is thus with the other Moving section moved.
  • Aperture structure may be specially adapted to the further diaphragm structure, in order to achieve a high accuracy of the determination of the deflection / arrangement change of the further movable
  • the further fixed diaphragm structure is arranged over the further diaphragm structure.
  • further detection means comprise a further optical sensor and at least one further Lichtzu melt Kunststoffstoff.
  • Light supply means and the optical sensor is arranged.
  • the further movable section can be illuminated with the same light-emitting diode as the movable section.
  • the optical sensor requires only a coarse spatial resolution, as it were, two large pixels to pass between through the moving section
  • the further fixed diaphragm structure can be implemented particularly easily by combining these with the fixed one
  • Aperture structure is produced on the glass wafer or
  • the further fixed diaphragm structure is formed in the metal layer on the glass wafer. That is, the further fixed diaphragm structure is formed by the metal layer.
  • the glass wafer is also over the other one
  • the field of application of the device according to the invention is manifold.
  • a vehicle preferably aircraft, particularly preferably unmanned
  • Aircraft comprising a device according to the invention provided.
  • the vehicle may be a drone, in particular a drone.
  • the device according to the invention may be useful to give the person or computer controlling the vehicle information about the electric field surrounding the vehicle, so that the
  • Human / computer can control the vehicle depending on it. This allows, for example, too high an electric field (caused for example by a
  • a flying drone can thus detect a 220 kV power line (frequency of the alternating current: 50 Hz) at a distance of approx. 70 m without contact, and a corresponding one
  • the device according to the invention can be integrated into the protective helmet.
  • the device according to the invention it would also be conceivable for the device according to the invention to be mounted on a helmet in order to realize the protective helmet according to the invention by means of a conventional helmet in a simple manner. This has the advantage that, in principle, any helmet can be used and the helmet can also be replaced if necessary.
  • the micromechanical actuator for example, for this purpose, the micromechanical actuator
  • the sensor module may be adapted to the shape of the helmet, e.g.
  • Said section may in particular be arranged at the front of the helmet, i. in an area that is located near the user's forehead when wearing the helmet.
  • the sensor module can be connected via an, in particular elastic, band with an optoelectronic module, so that the
  • the Sensor module can be slipped over the helmet together with the optoelectronic module and the band or stretched to be attached to the helmet.
  • the strip can have light supply means and light conducting means, for example in the form of at least one glass fiber. This can light in the
  • Optoelectronic module for example by means of a light emitting diode or laser diode
  • the micromechanical structure are supplied on one side.
  • Capture structure and e.g. a photodiode of the optical sensor, which is arranged in the optoelectronic module.
  • the optoelectronic module typically has a
  • the optoelectronic module may issue visual and / or audible warning signals to alert the operator or user.
  • a protective glove comprising a device according to the invention is provided.
  • a protective boot comprising a device according to the invention is provided.
  • protective clothing comprising a device according to the invention is provided for warning a worker of live components according to the invention.
  • Protective clothing may be e.g. to trade a jacket, shirt or pants.
  • ESD electrostatic discharge
  • the device according to the invention generally allows non-contact, non-contact potential or voltage measurements.
  • field measurements in the atmosphere can be carried out by means of the device according to the invention, for example in storm clouds for weather forecasts.
  • This is accompanied by the Enabling a risk assessment, which makes, for example, the use of airports particularly interesting.
  • Fig. 1 shows a micromechanical structure of a first
  • Fig. 3 is an axonometric view of the micromechanical
  • Fig. 4 is a view similar to FIG. 3, wherein a glass wafer with a deposited on its underside structured metal layer over the
  • micromechanical structure is arranged
  • Fig. 5 is a view analogous to FIG. 4, wherein from
  • Fig. 6 shows the micromechanical structure of the second
  • Embodiment of the device according to the invention with arranged above glass wafer in side view Fig. 7 is a sectional view taken along a section line AA in Fig. 4, wherein the viewing direction is a second direction
  • Fig. 8 is a view analogous to FIG. 6, wherein additionally a light diode arranged above the glass wafer and a photodiode arranged below the micromechanical structure are shown
  • FIG. 11 shows the micromechanical structure of FIG. 10 in one
  • Fig. 12 a protective helmet according to the invention as a
  • the micromechanical structure 1 shows a micromechanical structure 1 of a first embodiment of the device according to the invention for measuring an electric field E.
  • the micromechanical structure 1 extends in a first direction x, a second one
  • the micromechanical structure 1 is shown in a plane xy that is parallel to the directions x, y, in which plane xy the micromechanical structure 1 has dimensions that are typically in the range of 0.1 mm to 5 mm, preferably from 0.1 mm to 1 mm, and a
  • Magnitude are greater than in the third direction z.
  • the micromechanical structure 1 is made of Si in all examples shown in FIGS. 1 to 11 and is preferably produced on the basis of a known silicon-on-insulator (SOI) wafer. That the micromechanical structure 1 consists of a material which is conductive at an operating temperature, which is typically well above the absolute zero. In particular, the Si may be appropriately doped to provide conductivity for certain
  • the micromechanical structure 1 has a frame section 2 and a movable section
  • Section 3 wherein the movable portion 3 is electrically conductively and mechanically elastically connected to the frame portion 2 and is movable relative to the frame portion 2.
  • the frame portion 2 is executed in the U-shaped in the plane shown in Fig. 1, wherein two parallel legs 4 extend the U-shape parallel to the first direction x.
  • the movable portion 3 is arranged between these legs 4 and connected by webs 5, which extend substantially parallel to the second direction y, with the legs 4.
  • the frame portion 2 and the movable portion 3 are made in one piece. In the example shown in FIG.
  • the webs 5 can in particular be in the plane xy U-shaped or meandering (not
  • the micromechanical structure 1 is designed so that in an arrangement of the micromechanical structure 1 in
  • the polarization has a force F acting on the movable section 3 with a first force component F x parallel to the first direction x not equal to zero.
  • the first force component F x results in a change (not shown) in dependence on its size
  • first field strength component E first force component F x can be enlarged by means of a reinforcing element 6 of the micromechanical structure 1 and be reinforced, as it comprises the micromechanical structure shown in Fig. 2 and Fig. 3 1 of a second embodiment of the device according to the invention ,
  • the reinforcing element 6 is arranged behind the movable section 3 as seen in the first direction x. In turn, a gap 7 is arranged between the movable section 3 and the reinforcing element 6. The latter points in the shown
  • the reinforcing element 6 is also polarized by the electric field E or by the first field strength component E x , which in turn in Fig. 2 by "+" and
  • the charge carriers can from the
  • Reinforcement element 6 does not flow to the frame section 2 or even to the movable section 3.
  • the movable section 3 therefore has an exactly opposite polarization in the region of the gap 7 as the reinforcing element 6 in the region of the gap 7. Accordingly, the movable section 3
  • the deflection / arrangement change of the movable portion 3 can be determined and then closed to the size of the first field strength component E x .
  • the detection of the deflection / arrangement change of the movable section 3 takes place optically in order to avoid distortion of the electric field E as far as possible.
  • the movable section 3 has a diaphragm structure 9, which consists of a series of rectangular holes 10, wherein the Sides of the rectangles are parallel to the directions x, y.
  • the holes 10 are the same size and arranged in the first direction x in succession. Each hole 10 has a much smaller extent in the first direction x than in the second direction y.
  • a fixed diaphragm structure 11 arranged above the movable section 3 is additionally provided, which is tuned to the diaphragm structure 9.
  • Fig. 5 shows the fixed
  • Aperture structure 11 for the second embodiment of the device according to the invention consisting of rectangular
  • Metal strip 14 is made, which match metal strips 14 in number and size with the holes 10. The fixe
  • Aperture structure 11 is formed in the embodiments shown by a metal layer 13 on an underside of a disposed above the micromechanical structure 1 glass wafer 12, see. Fig. 4.
  • the glass wafer 12 and thus the fixed aperture structure 11 are spatially fixed relative to the frame section 2.
  • FIG. 7 shows a corresponding sectional view along the second direction y, wherein the sectional plane through the
  • Fig. 8 shows a side view along the second direction y, wherein as detection means a light-emitting diode 15 as
  • the light emitting diode 15 serves to light along the third
  • the photodiode 16 detects the intensity of the transmitted through the aperture structures 9, 11 light. Due to the geometric design or coordination of the diaphragm structures 9, 11, the smallest deflections / arrangement changes of the movable section 3 have clear, easily detectable
  • FIG. 9 shows the micromechanical structure 1 of a third embodiment of the device according to the invention.
  • a further movable portion 17 is provided, the
  • the further movable section 17 is arranged in front of the movable section 3 as seen in the first direction x.
  • the reinforcing element 6 is very far away from the further movable section 17.
  • the resulting in the electric field E with the first field strength component E x resulting polarization of the micromechanical structure 1 therefore causes at least an order of magnitude smaller further first force component acting on the other movable portion 17, in comparison to the first force component F x , on the mobile
  • Section 3 works.
  • the further first force component is so small in the embodiment shown that it is not shown.
  • a displacement / arrangement change of the further movable portion 17 is therefore caused primarily by the vibrations.
  • Section 3 is subtracted, can be closed directly to that portion of the determined / detected deflection of the movable portion 3, which is due to the electric field E and the first field strength component E x .
  • Detection means used, which are essentially the same detection means as for the determination / detection of
  • the further movable portion 17 has a further diaphragm structure 18, which is constructed exactly the same as the diaphragm structure 9 in the example shown. Accordingly, another fixed aperture structure (not shown) in the metal layer 13 on the underside of the glass wafer 12, which covers both sections 3, 17,
  • sections 3, 17 (or the fixed diaphragm structure 11, the further fixed diaphragm structure and the underlying diaphragm structures 9, 18) can also be used with the same
  • the transmitted light can be detected by two optical sensors / photodiodes (not shown) or by an optical sensor which is arranged below the sections 3, 17 and spatially dissolves the two sections 3, 17. That it suffices a sensor with two pixels, one pixel is disposed below the movable portion 3 and a pixel below the other movable portion 17th
  • FIG. 10 shows the micromechanical structure 1 of a fourth embodiment of the device according to the invention, which likewise permits the unambiguous measurement of the electric field E or the first field strength component E x in the presence of vibrations. This exploits the fact that vibrations typically have a purely translatory effect.
  • Micromechanical structure 1 is now designed so that the caused by the first field strength component E x
  • Rotation axis - is. By specifically the rotational
  • Arrangement change is determined, can be closed directly to the first field strength component E x .
  • the movable section 3 is in turn arranged in the U-shaped frame section 2, wherein the movable section 3 has a substantially square outline with sides in the plane xy.
  • the movable section is over three webs. 5 connected both with the legs 4 and with a leg 4 connecting crossbar 19 of the frame portion 2.
  • the webs 5 are each arranged centrally relative to the sides of the movable portion 3. A not connected to the frame portion 2 side 20 of the movable
  • Section 3 protrudes in the first direction x over the
  • the side 20 is parallel to the second direction y and has seen in the second direction y a first half 20a and a subsequent second half 20b.
  • the reinforcing element 6 Seen in the first direction x, the reinforcing element 6 is arranged behind the side 20, which, however, in contrast to the exemplary embodiment of FIG. 2, is specially shaped. This shape is such that the reinforcing element 6 comes close to the side 20 only in the region of the second half 20b. That Gap 7 with the gap width 8 is present only in the region of the second half 20b. Accordingly, by the reinforcing element 6 only in the region of the second half 20b, an amplified first force component Fx is generated or engages this reinforced
  • the rotation axis 21 is normal to the plane xy.
  • the diaphragm structure 9 is adapted accordingly.
  • the diaphragm structure 9 for this purpose again a plurality of rectangular holes 10, which, however, star-shaped around the center of the movable portion 3 relative to the plane xy or around the Rotation axis 21 are arranged.
  • the rectangular holes 10 are arranged around the rotation axis 21 and with their longer sides facing radially outward.
  • the fixed diaphragm structure 11 is adapted, see. Fig. 11.
  • the diaphragm structure 11 is again formed by the metal layer 13 and now consists of rectangular holes 10 in the metal layer, the same size and the same orientation to the rectangular holes 10 of
  • Aperture structure 9 are.
  • the other structure with light-emitting diode 15 and photodiode 16 corresponds to that shown in Fig. 8. Now, if light from the light emitting diode 15 through the diaphragm structures 11 and 9
  • the intensity of the transmitted and detected by the photodiode 16 light depends much more on the rotational arrangement of the diaphragm structures 11 and 9 from each other than from their translatory
  • Intensity change is essentially a measure of the rotational deflection / arrangement change of the movable section 3 relative to the frame section 2. Accordingly, even in the presence of vibrations reliably and with high accuracy on the electric field E or on the first field strength component E x can be concluded.
  • FIG. 12 shows a protective helmet 22 according to the invention as an example of an application for the device according to the invention.
  • the protective helmet 22 serves to warn a worker
  • the device according to the invention is not fixed in the helmet 22 integrated, but adapted for mounting on a conventional helmet 27 to the
  • Protective helmet 22 according to the invention by means of the conventional Helms 27 in a simple way to realize. This has the advantage that, in principle, any helmet 27 can be used and the helmet 27 can also be replaced if necessary.
  • the micromechanical structure 1 is arranged in a sensor module 23.
  • the sensor module 23 The sensor module
  • the hooks 26 and the sensor module 23 are arranged in a front portion of the helmet 27, i. in an area that is located near the user's forehead when wearing the helmet 27.
  • the sensor module 23 is connected via an elastic band 25 to an optoelectronic module 24, wherein the sensor module 23 together with the optoelectronic module 24 and the band 25 for attachment to the helmet 27 is slipped over this or stretched.
  • the belt 25 has light supply means and optical fibers in the form of glass fibers. By means of at least one glass fiber as Lichtzu Technologystoff can light that in the optoelectronic module
  • At least one glass fiber of the belt 25 is part of an optical sensor as light-conducting means, which is shown in FIG.
  • Embodiment further comprises a arranged in the optoelectronic module 24 photodiode (not shown). Light on the opposite side of the micromechanical structure 1 is collected with this at least one glass fiber and fed to the photodiode.
  • the optoelectronic module 24 further comprises a corresponding evaluation electronics. Upon detection of an electric field that may be dangerous to the worker or user the optoelectronic module 24 provides visual and / or audible warning signals to warn the operator or user.

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Abstract

Vorrichtung zur Messung eines elektrischen Felds (E), die Vorrichtung umfassend eine mikromechanische Struktur (1) aus einem bei einer Betriebstemperatur elektrisch leitenden Material, wobei die mikromechanische Struktur (1) einen Rahmenabschnitt (2) und einen beweglichen Abschnitt (3) aufweist, wobei der bewegliche Abschnitt (3) mit dem Rahmenabschnitt (2) elektrisch leitend und mechanisch elastisch verbunden ist und relativ zum Rahmenabschnitt (2) bewegbar ist, wobei die mikromechanische Struktur (1) so ausgelegt ist, dass bei einer Anordnung der mikromechanischen Struktur (1) im elektrischen Feld (E) mit einer ersten Feldstärkenkomponente (Ex) parallel zu einer ersten Richtung (x) ungleich null eine elektrische Polarisation der mikromechanischen Struktur (1) erfolgt, die eine auf den beweglichen Abschnitt (3) wirkende erste Kraftkomponente (Fx) parallel zur ersten Richtung (x) sowie eine von der ersten Kraftkomponente (Fx) abhängige Änderung der räumlichen Anordnung des beweglichen Abschnitts (3) relativ zum Rahmenabschnitt (2) zur Folge hat, und wobei Detektionsmittel (9,11,15,16) vorgesehen sind, um diese Änderung zu bestimmen.

Description

VORRICHTUNG ZUR MESSUNG EINES ELEKTRISCHEN FELDS
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Messung eines elektrischen Felds, insbesondere eines
statischen oder quasistatischen elektrischen Felds.
STAND DER TECHNIK
Die Messung von elektrischen Feldern, insbesondere von
statischen oder relativ langsam variierenden elektrischen Feldern, spielt in unterschiedlichsten Bereichen eine Rolle. Beispielsweise kann die Bestimmung von elektrischen Feldern bei Arbeitsplätzen in elektrostatisch geschützten Bereichen wie z.B. bei der Herstellung und Verpackung elektronischer Bauteile wichtig sein, wo Oberflächenladungen vermieden werden müssen. Ein gänzlich anderes Beispiel stellt die Messung von elektrischen Feldern in der Erdatmosphäre dar, was für die Meteorologie wichtige Informationen liefert, da Veränderungen dieser elektrischen Felder durch Wettererscheinungen wie z.B. Gewitter, Kalt-/Warmfrondurchgänge oder Regenwolken
hervorgerufen werden. Insbesondere sei auch die Blitzforschung genannt, für die die Überwachung von elektrostatischen Feldern in der Atmosphäre von eminenter Bedeutung ist, beispielsweise um das Auftreten von Blitzen Vorhersagen zu können. Aus dem Stand der Technik sind zur Messung von elektrischen Feldern insbesondere Elektrofeldmeter bekannt, bei denen mittels eines sich drehenden Flügelrads periodisch eine elektrisch leitende Sensorelektrode freigegeben und wieder verdeckt wird, sodass sich die Sensorelektrode durch Influenz des externen elektrischen Felds abwechselnd auf- und entladen kann, siehe z.B. D.A. Hill und M. Kanda, The measurement, Instrumentation, and sensors handbook XXV, section 47,
Electric Field Strength (CRC Press LLC and IEEE Press, 1999) . Aufgrund des Flügelrads werden Elektrofeldmeter häufig auch als Feldmühlen bezeichnet. Nachteilig an diesen Feldmühlen ist, dass diese üblicherweise relativ groß dimensioniert werden müssen und entsprechend unhandlich sind. Davon
abgesehen ist selbst bei relativ klein dimensionierten
Feldmühlen üblicherweise eine Erdung einzelner Teile der jeweiligen Feldmühle, insbesondere der Sensorelektrode, vorgesehen, was die zu messenden elektrischen Felder
unweigerlich verzerrt.
Demgegenüber benötigen aus dem Stand der Technik bekannte elektrooptische Sensoren zur Messung von elektrischen Feldern keine Erdung und sind, was mögliche Verzerrungen des zu messenden elektrischen Felds betrifft, Feldmühlen überlegen, siehe z.B. N.J. Vasa et al . , Journal of Materials Processing Technology 185 (1-3), 173 (April 2007). Beispielsweise kann mittels elektrooptischer Kristalle die elektrische Feldstärke anhand von Lichtabsorption oder Veränderungen des
Brechungsindex bestimmt werden. Die bekannten elektrooptischen Sensoren weisen jedoch eine starke intrinsische
Temperaturinstabilität auf, die auf den pyroelektrischen
Effekt in Verbindung mit der thermischen Ausdehnung des jeweiligen Sensormaterials zurückzuführen ist. AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung eines elektrischen Felds, insbesondere eines statischen oder zeitlich langsam variierenden
elektrischen Felds, zur Verfügung zu stellen, welche die oben genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll die
erfindungsgemäße Vorrichtung das zu messende elektrische Feld nicht verzerren und soll die erfindungsgemäße Vorrichtung miniaturisierbar sowie möglichst temperaturunempfindlich bzw. temperaturstabil sein.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Zur Lösung der genannten Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Messung eines elektrischen Felds vorgesehen, die Vorrichtung umfassend eine mikromechanische Struktur, welche sich in einer ersten Richtung, einer zweiten Richtung und einer dritten Richtung erstreckt, wobei die erste
Richtung, die zweite Richtung und die dritte Richtung
wechselseitig normal aufeinander stehen, wobei die
mikromechanische Struktur aus einem bei einer
Betriebstemperatur elektrisch leitenden Material gefertigt ist und einen Rahmenabschnitt sowie einen beweglichen Abschnitt aufweist, wobei der bewegliche Abschnitt mit dem
Rahmenabschnitt elektrisch leitend und mechanisch elastisch verbunden ist und relativ zum Rahmenabschnitt bewegbar ist, wobei die mikromechanische Struktur so ausgelegt ist, dass bei einer Anordnung der mikromechanischen Struktur im elektrischen Feld mit einer ersten Feldstärkenkomponente parallel zur ersten Richtung ungleich null eine elektrische Polarisation der mikromechanischen Struktur erfolgt, die eine auf den beweglichen Abschnitt wirkende erste Kraftkomponente parallel zur ersten Richtung sowie eine von der ersten Kraftkomponente abhängige Änderung der räumlichen Anordnung des beweglichen Abschnitts relativ zum Rahmenabschnitt zur Folge hat, und wobei Detektionsmittel vorgesehen sind, um die Änderung der räumlichen Anordnung des beweglichen Abschnitts relativ zum Rahmenabschnitt zu bestimmen.
Mit dieser Vorrichtung lassen sich insbesondere statische elektrische Felder (d.h. mit Frequenz 0 Hz) bzw.
quasistatische elektrische Felder (Frequenz typischerweise im Bereich von 100 Hz oder niedriger) bestimmen, wobei die maximale Frequenz der noch detektierbaren elektrischen Felder durch die mechanischen Eigenschaften der mikromechanischen Struktur, insbesondere durch deren Eigen- bzw.
Resonanzfrequenzen bestimmt wird.
Eine Verzerrung des zu messenden elektrischen Felds wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung praktisch ausgeschlossen, insbesondere da die erfindungsgemäße Vorrichtung extrem kompakt gebaut werden kann (aufgrund der geringen Abmessungen wird das elektrische Feld praktisch nicht verzerrt) und da keinerlei Erdung notwendig ist.
Die thermische Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften der mikromechanischen Struktur ist wohldefiniert und bekannt, sodass zum einen eine systematische wohldefinierte
Temperaturabhängigkeit gegeben ist, sodass diese leicht rechnerische berücksichtigt werden kann. Zum anderen kann die Temperaturabhängigkeit durch geeignete Materialwahl und eine optimierte Geometrie auch noch stark reduziert werden, weshalb die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere im Vergleich mit dem bekannten Stand der Technik als temperaturunempfindlich bzw. temperaturstabil zu bezeichnen ist.
Die mikromechanische Struktur könnte auch als Sensor
bezeichnet werden, der mit den Detektionsmitteln ausgelesen wird . Typischerweise liegen die Abmessungen der mikromechanischen Struktur in der ersten und zweiten Richtung im Bereich von 0,1 mm bis 5 mm, vorzugsweise von 0,1 mm bis 1 mm, und in der dritten Richtung typischerweise um zumindest eine
Größenordnung weniger. Typischerweise liegt dann die oben erwähnte maximale Frequenz von noch detektierbaren
elektrischen Feldern entsprechend im Bereich von 10 kHz. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ist der Begriff
„mikromechanische Struktur" jedoch so zu verstehen, dass theoretisch auch Abmessungen im Sub-Mikrometerbereich möglich sind, insbesondere in der dritten Richtung. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit nicht nur stark miniaturisierbar, sondern es kann besagte maximale Frequenz auch noch deutlich über die genannten 10 kHz erhöht werden.
Die Betriebstemperatur bezeichnet jene Temperatur, bei der die Vorrichtung typischerweise eingesetzt wird. Die
Betriebstemperatur ist üblicherweise deutlich höher als der absolute Nullpunkt, sodass typischerweise auch
Halbleitermaterialien für die mikromechanische Struktur in Frage kommen, da diese bei der Betriebstemperatur hinreichend leitend sind. Letzteres bedeutet, dass bei der
Betriebstemperatur die mikromechanische Struktur durch
elektrische Influenz sehr rasch polarisierbar ist, da die Ladungsträger im Material der mikromechanischen Struktur wandern können.
Die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem
Rahmenabschnitt und dem beweglichen Abschnitt stellt sicher, dass tatsächlich die mikromechanische Struktur als gesamtes polarisiert wird und nicht der Rahmenabschnitt und der bewegliche Abschnitt separat.
Die mechanisch elastische Verbindung zwischen dem
Rahmenabschnitt und dem beweglichen Abschnitt stellt sicher, dass sich der bewegliche Abschnitt bei Vorhandensein eines elektrischen Felds gegenüber dem Rahmenabschnitt bewegen kann und wieder seine ursprüngliche räumliche Anordnung relativ zum Rahmenabschnitt annimmt, wenn das elektrische Feld nicht mehr vorhanden ist. D.h. die mechanisch elastische Verbindung ist gleichbedeutend mit einer Verbindung mittels Federelementen bzw. federnden Elementen. Derlei Verbindungen sind an sich bekannt. Sie können insbesondere durch geeignete Materialwahl der Verbindung zwischen dem beweglichen Abschnitt und dem Rahmenabschnitt realisiert werden.
Vorzugsweise ist der bewegliche Abschnitt zumindest parallel zur ersten Richtung bewegbar. In diesem Fall kann ein
elektrisches Feld in der ersten Richtung bzw. die erste
Feldstärkenkomponente ungleich null eine erste Kraftkomponente und folglich eine Auslenkung bzw. Änderung der Anordnung des beweglichen Abschnitts relativ zum Rahmenabschnitt parallel zur ersten Richtung bewirken bzw. hervorrufen. Die Auslenkung bzw. Größe der Anordnungsänderung, welche mittels der
Detektionsmittel bestimmt wird, ist dann entsprechend ein Maß für die elektrische Feldstärke in der ersten Richtung bzw. für die erste Feldstärkenkomponente.
Selbstverständlich kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch eine Steuereinheit vorgesehen sein, um sofort eine „Umrechnung" zwischen der bestimmten Anordnungsänderung und der Größe des elektrischen Felds in der ersten Richtung bzw. der ersten Feldstärkenkomponente vorzunehmen.
Eine vollständige räumliche Auflösung, d.h. in allen drei Raumrichtungen, eines beliebig orientierten elektrischen Felds lässt sich entsprechend realisieren, indem z.B. drei
erfindungsgemäße Vorrichtungen folgendermaßen kombiniert werden: Der bewegliche Abschnitt der ersten Vorrichtung lässt sich gezielt nur in der ersten Richtung bewegen, der
bewegliche Abschnitt der zweiten Vorrichtung nur in der zweiten Richtung und der bewegliche Abschnitt der dritten Vorrichtung nur in der dritten Richtung. „Nur" ist dabei so zu verstehen, dass Bewegungen des jeweiligen beweglichen
Abschnitts in den anderen beiden Richtungen zwar prinzipiell nicht ausgeschlossen werden können, doch um zumindest eine Größenordnung geringer ausfallen, wenn eine gleich große
Feldstärkenkomponente in diesen Richtungen vorliegt. Mit anderen Worten ist die mechanisch elastische Verbindung derart, dass zumindest näherungsweise in einer der drei
Richtungen eine Federkonstante gegeben ist, die um zumindest eine Größenordnung kleiner ist als die Federkonstante in den restlichen zwei Richtungen.
Im einfachsten Fall werden einfach drei gleiche Vorrichtungen derart kombiniert, dass die erste Vorrichtung entlang der ersten Richtung orientiert ist, die zweite Vorrichtung entlang der zweiten Richtung und die dritte Vorrichtung entlang der dritten Richtung.
Analog zum oben Gesagten kann eine Steuereinheit vorgesehen sein, die sofort die für alle drei Richtungen bestimmten
Anordnungsänderungen in die Größe des elektrischen Felds in allen drei Richtungen bzw. in die Größe der ersten
Feldstärkenkomponente, einer zweiten Feldstärkenkomponente und einer dritten Feldstärkenkomponente umrechnet.
Um die mikromechanische Struktur, insbesondere mit den
federnden Elementen zwischen dem beweglichen Abschnitt und dem Rahmenabschnitt, wohldefiniert mit gewünschten mechanischen Eigenschaften hersteilen zu können, können der Rahmenabschnitt und der bewegliche Abschnitt, insbesondere die gesamte
mikromechanische Struktur, einstückig ausgebildet sein. Dabei können der Rahmenabschnitt und der bewegliche Abschnitt, insbesondere die gesamte mikromechanische Struktur aus, vorzugsweise einkristallinem, Silizium gefertigt sein. Dies ermöglicht beispielsweise die Herstellung auf Basis eines Silizium-Wafers oder Silicon-On-Insulator (SOI) -Wafers in an sich bekannter Weise. Hierdurch ist außerdem eine
kostengünstige Herstellung in großer Stückzahl möglich.
Um einen einfachen Aufbau zu gewährleisten, ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass der Rahmenabschnitt in einer Ebene, die parallel zur ersten Richtung und der zweiten Richtung ist, zumindest abschnittsweise im Wesentlichen eine U-Form
ausbildet, wobei parallele Schenkel der U-Form parallel zur ersten Richtung verlaufen, dass der bewegliche Abschnitt zwischen den Schenkeln angeordnet ist und dass der bewegliche Abschnitt über Stege , die vorzugsweise parallel zur zweiten Richtung verlaufen, mit den Schenkeln verbunden ist.
Die Stege können dabei U-förmig oder mäanderförmig in der Ebene verlaufen, um mechanische Nichtlinearitäten bei größeren Auslenkungen / Anordnungsänderungen zu vermeiden.
Insbesondere lässt sich mit diesem Aufbau eine spezifische Sensitivität der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der ersten Richtung erreichen, indem sich der bewegliche Abschnitt mechanisch leichter und ggf. auch weiter in der ersten
Richtung bewegen lässt als in den anderen beiden Richtungen. Die Stege stellen in diesem Fall eine Federkonstante in der ersten Richtung sicher, die um zumindest eine Größenordnung kleiner ist als entsprechende Federkonstanten in den anderen beiden Richtungen.
Wie bereits oben gesagt, lassen sich drei gleiche solche
Vorrichtungen kombinieren, um eine räumlich vollständige
Auflösung des zu messenden elektrischen Felds zu ermöglichen.
Um die Empfindlichkeit bzw. das Auflösungsvermögen zu erhöhen, ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die
mikromechanische Struktur ein vom Rahmenabschnitt und vom beweglichen Abschnitt elektrisch separates Verstärkungselement umfasst, welches in der ersten Richtung gesehen hinter dem beweglichen Abschnitt angeordnet ist, wobei zwischen dem beweglichen Abschnitt und dem Verstärkungselement ein Spalt angeordnet ist. Das Verstärkungselement wird ebenfalls polarisiert, ohne dass die Ladungsträger vom
Verstärkungselement zum Rahmenabschnitt oder gar beweglichen Abschnitt abfließen könnten. Der bewegliche Abschnitt hat daher im Bereich des Spalts eine genau entgegengesetzte
Polarisation wie das Verstärkungselement im Bereich des
Spalts. Entsprechend wird der bewegliche Abschnitt verstärkt zum Verstärkungselement gezogen bzw. bewirkt das
Verstärkungselement eine Verstärkung der ersten
Kraftkomponente, insbesondere in jenem räumlichen Bereich, wo der Spalt eine besonders geringe Spaltbreite aufweist, wobei letztere in der ersten Richtung gemessen wird.
Um die Verstärkung zu optimieren, ist es bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass der Spalt eine in der ersten Richtung
gemessene Spaltbreite kleiner gleich 500 ym, bevorzugt kleiner gleich 200 ym, besonders bevorzugt von 0,1 ym bis 50 ym, aufweist. Letzteres gewährleistet gleichzeitig eine
unkomplizierte Herstellung. Zum Vergleich: die zu
detektierenden Auslenkungen/Anordnungsänderungen, die durch ein elektrisches Feld hervorgerufen werden, sind
typischerweise kleiner als 1 ym.
Auf diese Weise lässt sich prinzipiell eine Auflösung im
Bereich von 1 (V/m) / (Hz) 0,5 bis 50 (V/m) / (Hz) 0,5 erzielen.
Theoretisch sind unterschiedlichste Detektionsmittel denkbar, beispielsweise kapazitive oder akustische. Um eine Verzerrung des zu messenden elektrischen Felds durch die Detektion der Anordnungsänderung bzw. durch die Detektionsmittel
auszuschließen und gleichzeitig eine größtmögliche Genauigkeit der Detektion sicherzustellen, ist es bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die Detektionsmittel einen optischen Sensor sowie mindestens ein Lichtzuführmittel umfassen, um eine rein optische Detektion zu ermöglichen.
Theoretisch wäre es denkbar, mit dem optischen Sensor den beweglichen Abschnitt „direkt" abzubilden, sofern dieser groß genug ist bzw. der Sensor örtlich fein genug auflöst.
Geeignete optische Sensoren sind an sich bekannt. Denkbar wäre beispielsweise ein optischer Sensor auf Basis von mindestens einer Photodiode oder von mindestens einem Phototransistor. Dabei kann die mindestens eine Photodiode / der mindestens eine Phototransistor „direkt" beleuchtet werden, indem sie/er in räumlicher Nähe zum beweglichen Abschnitt, insbesondere unmittelbar unter dem beweglichen Abschnitt, angeordnet ist und das aus dem Bereich des beweglichen Abschnitts kommende Licht direkt einfängt. Oder die mindestens eine Photodiode / der mindestens eine Phototransistor wird „indirekt"
beleuchtet, indem der optische Sensor mindestens ein
Lichtleitmittel , insbesondere mindestens ein Glasfaserkabel, umfasst, um das Licht aus dem Bereich des beweglichen
Abschnitts, insbesondere aus dem Bereich unmittelbar unter dem beweglichen Abschnitt, der mindestens einen Photodiode / dem mindestens einen Phototransistor zuzuleiten.
Das mindestens eine Lichtzuführmittel ist vorgesehen, um eine definierte Beleuchtung des beweglichen Abschnitts
sicherzustellen. Das mindestens eine Lichtzuführmittel kann z.B. einen oder mehrere Lichtleiter umfassen und/oder
mindestens ein Leuchtmittel, insbesondere eine oder mehrere Leuchtdioden .
Die mikromechanische Struktur muss nicht zwangsläufig zwischen dem mindestens einen Lichtzuführmittel und dem optischen
Sensor angeordnet sein. Es wäre theoretisch z.B. auch eine Messung in Reflexionsgeometrie denkbar, bei der das mindestens eine Lichtzuführmittel und der optische Sensor bezogen auf die mikromechanische Struktur auf derselben Seite angeordnet sind.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der
bewegliche Abschnitt zwischen dem mindestens einen
Lichtzuführmittel und dem optischen Sensor angeordnet ist.
Dies stellt eine konstruktiv besonders einfache
Ausführungsform dar und ermöglicht es, zur Bestimmung der Auslenkung/Anordnungsänderung des beweglichen Abschnitts eine hierdurch geänderte Lichtmodulation und/oder eine hierdurch geänderte Transmission heranzuziehen.
Eine konstruktiv besonders einfache und kompakte Ausführung ergibt sich, indem der bewegliche Abschnitt zwischen
mindestens einer Leuchtdiode und mindestens einer Photodiode bzw. mindestens einem Phototransistor angeordnet ist. Da diese Elemente jedoch mit Strom versorgt werden müssen, kann es Situationen geben, wo der Betrieb dieser Elemente nahe beim beweglichen Abschnitt das zu messende schwaches elektrische Feld zu stark beeinflussen und das Messergebnis zu stark verfälschen würde. Daher ist es bei einer besonders
bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass das mindestens eine Lichtzuführmittel einen Lichtleiter umfasst, um eine Seite der mikromechanischen
Struktur zumindest abschnittsweise mit durch den Lichtleiter geleiteten Licht zu beleuchten, und dass der optische Sensor einen weiteren Lichtleiter umfasst, um das Licht auf einer gegenüberliegenden Seite der mikromechanischen Struktur aufzufangen .
Um eine besonders hohe Genauigkeit bei der Detektion der
Auslenkung/Anordnungsänderung des beweglichen Abschnitts zu erzielen, ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die
Detektionsmittel eine Blendenstruktur am beweglichen Abschnitt sowie eine fixe Blendenstruktur umfassen, wobei die fixe
Blendenstruktur eine relativ zum Rahmenabschnitt fixe
räumliche Anordnung aufweist. Durch die fixe Blendenstruktur, die über - oder aber auch unter - der Blendenstruktur am beweglichen Abschnitt angeordnet ist, wird einfallendes Licht räumlich moduliert, bevor es auf den beweglichen Abschnitt fällt. Im Prinzip kann eine Auswertung der räumlich aufgelöst gemessenen Lichtmodulation bzw. deren Änderung zur Bestimmung der Auslenkung/Anordnungsänderung des beweglichen Abschnitts erfolgen .
Indem die Blendenstruktur am beweglichen Abschnitt zur fixen Blendenstruktur korrespondierende gewählt und angeordnet wird, bewegt sich diese Blendenstruktur mit dem beweglichen
Abschnitt mit und können sich geringfügige
Auslenkungen/Anordnungsänderungen des beweglichen Abschnitts in großen Änderungen der transmittierten Lichtintensität niederschlagen . Mit anderen Worten kann die
Auslenkung/Anordnungsänderung hochgenau und gleichzeitig kostengünstig durch eine einfache Messung der transmittierten Lichtintensität erzielt werden, wofür z.B. ein(e) einfache (r) , nicht ortsauflösende (r) Photodiode/Phototransistor genügt.
Um die fixe Blendenstruktur herstellungstechnisch besonders einfach hersteilen zu können, ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die fixe Blendenstruktur in einer Metallschicht auf einem Glas-Wafer ausgebildet ist. D.h. die Metallschicht bildet die fixe Blendenstruktur auf dem Glas-Wafer aus, der über dem beweglichen Abschnitt und räumlich fix zum Rahmenabschnitt angeordnet ist. Beispielsweise kann der Glas-Wafer mit dem Rahmenabschnitt mechanisch starr verbunden sein.
Eine Abstimmung der fixen Blendenstruktur auf die
Blendenstruktur am beweglichen Abschnitt kann somit
herstellungstechnisch sehr leicht vorgenommen werden. Beispielsweise kann die Blendenstruktur am beweglichen
Abschnitt aus einer Vielzahl von rechteckigen Löchern
bestehen, die entlang der ersten Richtung hintereinander angeordnet sind, wobei jedes Loch entlang der ersten Richtung eine geringere Ausdehnung hat als entlang der zweiten
Richtung. Die korrespondierende fixe Blendenstruktur kann dann z.B. ebenfalls aus gleich großen und gleich angeordneten rechteckigen Löchern in der Metallschicht bestehen. Oder die korrespondierende fixe Blendenstruktur besteht z.B. aus rechteckigen Metallstreifen, die gleich groß wie die
rechteckigen Löcher und gleich wie diese angeordnet sind, sodass sie bei einer bestimmten Auslenkung des beweglichen Abschnitts deckungsgleich mit den Löchern der Blendenstruktur am beweglichen Abschnitt sind und praktisch kein Licht
transmittiert wird. Bei anderen Auslenkungen wird hingegen Licht in unterschiedlicher Intensität durch die fixe
Blendenstruktur und die Blendenstruktur am beweglichen
Abschnitt transmittiert.
Ein geeignetes Metall wäre z.B. Cr, welches auf den Glas-Wafer mittels Photolithographie und physikalischer
Gasphasenabscheidung („physical vapour deposition")
aufgebracht werden kann.
Entsprechend dem oben Gesagten ist es bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die fixe Blendenstruktur zwischen dem
beweglichen Abschnitt, insbesondere der Blendenstruktur am beweglichen Abschnitt, und dem mindestens einen
Lichtzuführmittel oder dem optischen Sensor angeordnet ist. Eine sehr kompakte Ausführung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird hierdurch ermöglicht.
Sofern die erfindungsgemäße Vorrichtung mechanischen
Vibrationen ausgesetzt wird, besteht die Gefahr, dass es zu einer Auslenkung/Anordnungsänderung des beweglichen Abschnitts kommt, die nicht auf das Vorhandensein eines elektrischen Felds zurückgeht. Bzw. besteht dann die Gefahr, dass das
Messergebnis betreffend ein vorhandenes elektrisches Feld entsprechend verfälscht wird. Um
Auslenkungen/Anordnungsänderungen des beweglichen Abschnitts, die von Vibrationen hervorgerufen werden, von solchen, die durch elektrische Felder hervorgerufen werden, trennen bzw. unterscheiden zu können, ist es bei einer bevorzugten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die mikromechanische Struktur so ausgelegt ist, dass die Änderung der räumlichen Anordnung des beweglichen Abschnitts relativ zum Rahmenabschnitt eine Rotation des beweglichen Abschnitts relativ zum Rahmenabschnitt, vorzugsweise um eine zur dritten Richtung parallele Rotationsachse, umfasst. Dies trägt dem Umstand Rechnung, dass Vibrationen üblicherweise lediglich translatorisch wirken und entsprechend lediglich lineare Auslenkungen/Anordnungsänderungen des beweglichen Abschnitts zur Folge haben. Indem gezielt der rotatorische Anteil der Auslenkungen/Anordnungsänderungen bestimmt wird, kann somit unmittelbar auf das elektrische Feld geschlossen werden .
Die entsprechende Auslegung kann durch eine geeignete, insbesondere asymmetrische mechanisch elastische Anbindung des beweglichen Abschnitts an den Rahmenabschnitt erfolgen.
Weiters kann der rotatorische Effekt des elektrischen Felds durch eine gezielte geometrische Ausgestaltung des
Verstärkungselements verstärkt werden.
Alternativ oder zusätzlich dazu ist es zur Unterscheidung von Auslenkungen/Anordnungsänderungen des beweglichen Abschnitts, die von Vibrationen hervorgerufen werden, von solchen, die durch elektrische Felder hervorgerufen werden, bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die mikromechanische Struktur einen weiteren beweglichen Abschnitt umfasst, der mit dem Rahmenabschnitt elektrisch leitend und mechanisch elastisch verbunden ist, wobei die Stärke der mechanischen Ankopplung des weiteren beweglichen Abschnitts an den Rahmenabschnitt in einem
bestimmten bekannten Verhältnis, vorzugsweise im Verhältnis 1:1, zur Stärke der mechanischen Ankopplung des beweglichen Abschnitts an den Rahmenabschnitt steht, und wobei die
mikromechanische Struktur so ausgelegt ist, dass bei einer Anordnung der mikromechanischen Struktur im elektrischen Feld mit der ersten Feldstärkenkomponente ungleich null die
elektrische Polarisation der mikromechanischen Struktur erfolgt, die eine auf den weiteren beweglichen Abschnitt wirkende weitere erste Kraftkomponente parallel zur ersten Richtung sowie eine von der weiteren ersten Kraftkomponente abhängige Änderung der räumlichen Anordnung des weiteren beweglichen Abschnitts relativ zum Rahmenabschnitt zur Folge hat, wobei die weitere erste Kraftkomponente und/oder die Änderung der räumlichen Anordnung des weiteren beweglichen Abschnitts um einen Faktor kleiner gleich 0,1, vorzugsweise kleiner gleich 0,01, kleiner ist als die erste Kraftkomponente und/oder die von der ersten Kraftkomponente hervorgerufene Änderung der räumlichen Anordnung des beweglichen Abschnitts, und dass weitere Detektionsmittel vorgesehen sind, um die Änderung der räumlichen Anordnung des weiteren beweglichen Abschnitts relativ zum Rahmenabschnitt zu bestimmen.
Auf den beweglichen Abschnitt und den weiteren beweglichen Abschnitt wirken die Vibrationen gleichermaßen. Das
elektrische Feld wirkt sich jedoch um mindestens eine
Größenordnung stärker auf den beweglichen Abschnitt als auf den weiteren beweglichen Abschnitt aus. Indem von der
Auslenkung/Anordnungsänderung des beweglichen Abschnitts jene des weiteren beweglichen Abschnitts - ggf. unter Anwendung eines geeigneten Proportionalitätsfaktors, der dem Verhältnis der mechanischen Ankopplungen Rechnung trägt - abgezogen wird, erhält man im Wesentlichen jene Auslenkung/Anordnungsänderung des beweglichen Abschnitts, die vornehmlich auf das
elektrische Feld zurückzuführen ist.
Herstellungstechnisch lässt sich diese Ausführungsvariante leicht realisieren, indem der weitere bewegliche Abschnitt und dessen Anbindung an den Rahmenabschnitt dem beweglichen
Abschnitt und dessen Anbindung an den Rahmenabschnitt exakt gleich nachgebildet sind. Der Proportionalitätsfaktor kann somit entsprechend dem 1 : 1-Verhältnis der mechanischen
Ankopplungen als genau 1 angenommen werden. Wenn dabei der weitere bewegliche Abschnitt räumlich zentral im
Rahmenabschnitt angeordnet ist und der bewegliche Abschnitt am Rand des Rahmenabschnitts, wirkt auf den beweglichen Abschnitt zwangsläufig eine größere durch die elektrische Polarisation hervorgerufene Kraftkomponente als auf den weiteren
beweglichen Abschnitt. Dieser Unterschied lässt sich außerdem nochmals deutlich verstärken, indem das Verstärkungselement in unmittelbarer Nachbarschaft zum beweglichen Abschnitt (von diesem nur durch den Spalt getrennt) angeordnet wird.
Die Detektion der Auslenkung/Anordnungsänderung des weiteren beweglichen Abschnitts kann genau gleich wie für den
beweglichen Abschnitt erfolgen, sodass an dieser Stelle auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet und stattdessen auf die entsprechenden, oben angeführten detaillierten
Erläuterungen im Zusammenhang mit dem beweglichen Abschnitt verwiesen werden kann. D.h. für die weiteren Detektionsmittel gilt analog das zu den Detektionsmitteln Gesagte. Entsprechend ist es bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die weiteren Detektionsmittel eine weitere Blendenstruktur am weiteren beweglichen Abschnitt sowie eine weitere fixe Blendenstruktur umfassen, wobei die weitere fixe Blendenstruktur eine relativ zum Rahmenabschnitt fixe räumliche Anordnung aufweist. Die weitere Blendenstruktur wird somit mit dem weiteren beweglichen Abschnitt mitbewegt. Die weitere fixe
Blendenstruktur kann speziell auf die weitere Blendenstruktur abgestimmt sein, um eine hohe Genauigkeit der Bestimmung der Auslenkung/Anordnungsänderung des weiteren beweglichen
Abschnitts zu ermöglichen, insbesondere durch einfache
Lichttransmissionsmessungen. Vorzugsweise ist daher die weitere fixe Blendenstruktur über der weiteren Blendenstruktur angeordnet .
Ebenso ist es bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die
weiteren Detektionsmittel einen weiteren optischen Sensor sowie mindestens ein weiteres Lichtzuführmittel umfassen.
Wiederum gilt analog das oben zum mindestens einen
Lichtzuführmittel sowie zum optischen Sensor Gesagte.
Weiters ist es bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass der weitere optische Sensor durch den optischen Sensor und das mindestens eine weitere Lichtzuführmittel durch das mindestens eine
Lichtzuführmittel ausgebildet sind, wobei der weitere
bewegliche Abschnitt zwischen dem mindestens einen
Lichtzuführmittel und dem optischen Sensor angeordnet ist. Insbesondere kann also der weitere bewegliche Abschnitt mit derselben Leuchtdiode beleuchtet werden wie der bewegliche Abschnitt. Der optische Sensor wiederum benötigt lediglich eine grobe örtliche Auflösung, gewissermaßen zwei große Pixel, um zwischen der durch den beweglichen Abschnitt
transmittierten Lichtintensität und der durch den weiteren beweglichen Abschnitt transmittierten Lichtintensität
unterscheiden zu können.
Besonders einfach lässt sich die weitere fixe Blendenstruktur realisieren, indem diese gemeinsam mit der fixen
Blendenstruktur auf dem Glas-Wafer hergestellt wird bzw.
angeordnet ist. Entsprechend ist es bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die weitere fixe Blendenstruktur in der Metallschicht auf dem Glas-Wafer ausgebildet ist. D.h. auch die weitere fixe Blendenstruktur ist durch die Metallschicht ausgebildet. Der Glas-Wafer ist auch über dem weiteren
beweglichen Abschnitt und räumlich fix zum Rahmenabschnitt angeordnet .
Das Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist mannigfaltig. Insbesondere ist erfindungsgemäß ein Fahrzeug, bevorzugt Luftfahrzeug, besonders bevorzugt unbemanntes
Luftfahrzeug umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen. Beispielsweise kann es sich bei dem Fahrzeug um eine Drohne, insbesondere Flugdrohne, handeln. Aber auch bei allen anderen Arten von Fahrzeugen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung sinnvoll sein, um einem das Fahrzeug steuernden Menschen oder Computer Informationen über das das Fahrzeug umgebende elektrische Feld zu geben, sodass der
Mensch/Computer das Fahrzeug in Abhängigkeit davon steuern kann. Dies ermöglicht es beispielsweise, einem zu hohen elektrischen Feld (hervorgerufen z.B. durch eine
Starkstromleitung) mit dem Fahrzeug nicht zu nahe zu kommen und so eine Beschädigung des Fahrzeugs zu vermeiden. Z.B. kann eine Flugdrohne auf diese Weise eine 220 kV-Starkstromleitung (Frequenz des Wechselstroms: 50 Hz) auf ca. 70 m Entfernung berührungsfrei detektieren und einen entsprechenden
Sicherheitsabstand einhalten.
Eine Vielzahl von weiteren Anwendungsbeispielen findet sich im Bereich des Arbeitsschutzes. Zur Warnung eines Arbeiters vor spannungsführenden Bauteilen ist erfindungsgemäß ein
Schutzhelm umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung
vorgesehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dabei fix in den Schutzhelm integriert sein. Es wäre aber auch denkbar, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Montage auf einem Helm eingerichtet ist, um den erfindungsgemäßen Schutzhelm mittels eines konventionellen Helms auf einfache Art und Weise zu verwirklichen. Dies hat den Vorteil, dass im Prinzip ein beliebiger Helm verwendet werden kann und der Helm bei Bedarf auch ausgetauscht werden kann .
Beispielsweise kann zu diesem Zweck die mikromechanische
Struktur in einem Sensormodul angeordnet sein. Das Sensormodul kann an die Form des Helms angepasst sein, um z.B.
formschlüssig mit einem Abschnitt des Helms an diesem
angeordnet zu werden. Besagter Abschnitt kann insbesondere vorne am Helm angeordnet sein, d.h. in einem Bereich, der beim Tragen des Helms nahe der Stirn des Benutzers angeordnet ist. Das Sensormodul kann über ein, insbesondere elastisches, Band mit einem Optoelektronikmodul verbunden sein, sodass das
Sensormodul gemeinsam mit dem Optoelektronikmodul und dem Band über den Helm gestülpt oder gespannt werden kann, um am Helm befestigt zu werden. Das Band kann dabei Lichtzuführmittel und Lichtleitmittel , beispielsweise in Form von mindestens einer Glasfaser, aufweisen. Hiermit kann Licht, das im
Optoelektronikmodul (beispielsweise mittels einer Leucht- oder Laserdiode) erzeugt wird, der mikromechanischen Struktur auf einer Seite zugeführt werden. Weiters können die
Lichtleitmittel Teil eines optischen Sensors sein und Licht auf der gegenüberliegenden Seite der mikromechanischen
Struktur auffangen und z.B. einer Photodiode des optischen Sensors zuführen, die im Optoelektronikmodul angeordnet ist. Das Optoelektronikmodul weist typischerweise eine
entsprechende Auswerteelektronik auf, um die Sensordaten auszuwerten. Bei Detektion eines elektrischen Felds, das für den Arbeiter bzw. Benutzer gefährlich sein kann, kann das Optoelektronikmodul optische und/oder akustische Warnsignale ausgeben, um den Arbeiter bzw. Benutzer zu warnen. Analog ist zur Warnung eines Arbeiters vor spannungsführenden Bauteilen erfindungsgemäß ein Schutzhandschuh umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen.
Analog ist zur Warnung eines Arbeiters vor spannungsführenden Bauteilen erfindungsgemäß ein Schutzstiefel umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen.
Analog ist zur Warnung eines Arbeiters vor spannungsführenden Bauteilen erfindungsgemäß Schutzkleidung umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen. Bei der
Schutzkleidung kann es sich z.B. um eine Jacke, ein Hemd oder eine Hose handeln.
Im Falle des erfindungsgemäßen Schutzhandschuhs bzw.
Schutzstiefels bzw. der erfindungsgemäßen Schutzkleidung, können das Sensormodul, die Lichtzuführmittel und
Lichtleitmittel sowie das Optoelektronikmodul in einem
einzigen Bauteil integriert sein, das platzsparend an einem konventionellen Handschuh bzw. Stiefel bzw. einer
konventionellen Kleidung befestigt werden kann, um den
erfindungsgemäßen Schutzhandschuh bzw. Schutzstiefel bzw. die erfindungsgemäße Schutzkleidung herzustellen.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ergeben sich z.B. zur Warnung vor kritischen elektrischen Feldstärken im ESD-Schutz (ESD: „electrostatic discharge") , insbesondere zum Schutz elektronischer
Komponenten und/oder zum Schutz vor Staub- und Gasexplosionen.
Selbstverständlich erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung ganz allgemein berührungslose, kontaktfreie Potential- oder Spannungsmessungen .
Insbesondere können mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung Feldmessungen in der Atmosphäre vorgenommen werden, z.B. in Gewitterwolken für Wetterprognosen. Damit einher geht die Ermöglichung einer Gefahrenabschätzung, was beispielsweise den Einsatz für Flughäfen besonders interessant macht.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen sind beispielhaft und sollen den Erfindungsgedanken zwar darlegen, ihn aber keinesfalls einengen oder gar abschließend wiedergeben.
Dabei zeigt:
Fig . 1 eine mikromechanische Struktur einer ersten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Aufsicht
Fig. 2 die mikromechanische Struktur einer zweiten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Aufsicht, wobei gegenüber der ersten Ausführungsform ein Verstärkungselement vorgesehen ist
Fig. 3 eine axonometrische Ansicht der mikromechanischen
Struktur aus Fig. 2
Fig. 4 eine Darstellung analog zu Fig. 3, wobei ein Glas- Wafer mit einer auf seiner Unterseite aufgebrachten strukturierten Metallschicht über der
mikromechanischen Struktur angeordnet ist
Fig. 5 eine Darstellung analog zu Fig. 4, wobei aus
Klarheitsgründen der Glas-Wafer ausgeblendet und nur die Metallschicht dargestellt ist
Fig. 6 die mikromechanische Struktur der zweiten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit darüber angeordnetem Glas-Wafer in Seitenansicht Fig. 7 eine Schnittansicht gemäß einer Schnittlinie A-A in Fig. 4, wobei die Blickrichtung eine zweite Richtung ist
Fig. 8 eine Darstellung analog zu Fig. 6, wobei zusätzlich eine über dem Glas-Wafer angeordnete Leuchtdiode sowie eine unter der mikromechanischen Struktur angeordnete Photodiode abgebildet sind
Fig. 9 die mikromechanische Struktur einer dritten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Aufsicht, wobei gegenüber der zweiten Ausführungsform ein weiterer beweglicher Abschnitt vorgesehen ist
Fig. 10 die mikromechanische Struktur einer vierten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Aufsicht, wobei ein elektrisches Feld eine Rotation des beweglichen Abschnitts bewirkt
Fig. 11 die mikromechanische Struktur aus Fig. 10 in einer
Darstellung analog zu Fig. 5, bei der die auf der Unterseite des Glas-Wafers aufgebrachte Metallschicht abgebildet ist, aus Klarheitsgründen jedoch nicht der Glas-Wafer selbst
Fig. 12 einen erfindungsgemäßen Schutzhelm als ein
Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße
Vorrichtung
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Fig. 1 zeigt eine mikromechanische Struktur 1 einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung eines elektrischen Felds E. Die mikromechanische Struktur 1 erstreckt sich in einer ersten Richtung x, einer zweiten
Richtung y und einer dritten Richtung z, wobei die erste Richtung x, die zweite Richtung y und die dritte Richtung z wechselseitig normal aufeinander stehen. In der Aufsicht der Fig. 1 ist die mikromechanische Struktur 1 in einer Ebene xy, die parallel zu den Richtungen x, y ist, dargestellt, in welcher Ebene xy die mikromechanische Struktur 1 Abmessungen hat, die typischerweise im Bereich von 0,1 mm bis 5 mm, vorzugsweise von 0,1 mm bis 1 mm, liegen und eine
Größenordnung größer sind als in der dritten Richtung z.
Die mikromechanische Struktur 1 ist in allen in den Figuren 1 bis 11 gezeigten Beispielen aus Si gefertigt und vorzugsweise auf Basis eines an sich bekannten Silicon-On-Insulator (SOI)- Wafers hergestellt. D.h. die mikromechanische Struktur 1 besteht aus einem Material, das bei einer Betriebstemperatur, die typischerweise deutlich über dem absoluten Nullpunkt liegt, leitend ist. Insbesondere kann das Si entsprechend dotiert sein, um die Leitfähigkeit für bestimmte
Anwendungsfälle bzw. Betriebstemperaturen gezielt
einzustellen .
Die mikromechanische Struktur 1 weist im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 einen Rahmenabschnitt 2 und einen beweglichen
Abschnitt 3 auf, wobei der bewegliche Abschnitt 3 mit dem Rahmenabschnitt 2 elektrisch leitend und mechanisch elastisch verbunden ist und relativ zum Rahmenabschnitt 2 bewegbar ist. Konkret ist dabei der Rahmenabschnitt 2 in der in Fig. 1 gezeigten Ebene U-förmig ausgeführt, wobei sich zwei parallele Schenkel 4 der U-Form parallel zu der ersten Richtung x erstrecken. Der bewegliche Abschnitt 3 ist zwischen diesen Schenkeln 4 angeordnet und über Stege 5, die im Wesentlichen parallel zur zweiten Richtung y verlaufen, mit den Schenkeln 4 verbunden. Der Rahmenabschnitt 2 und der bewegliche Abschnitt 3 sind dabei einstückig ausgeführt. Im gezeigten Beispiel der Fig. 1 sind vier Stege 5 vorgesehen, die im Bereich der vier Ecken des beweglichen Abschnitts 3 angeordnet sind, wobei der bewegliche Abschnitt in der Ebene xy im Wesentlichen einen rechteckigen Umriss hat mit einer größeren Erstreckung in der ersten Richtung x als in der zweiten Richtung y. In der ersten Richtung x überragt der bewegliche Abschnitt 3 den
Rahmenabschnitt 2.
Durch das Design der Stege 5 lässt sich die mechanische
Ankopplung des beweglichen Abschnitts 3 an den Rahmenabschnitt
2 gezielt beeinflussen. Die Stege 5 können insbesondere in der Ebene xy U-förmig oder mäanderförmig verlaufen (nicht
dargestellt) , um mechanische Nichtlinearitäten bei größeren Auslenkungen / Anordnungsänderungen des beweglichen Abschnitts
3 parallel zur ersten Richtung x zu vermeiden.
Die mikromechanische Struktur 1 ist so ausgelegt, dass bei einer Anordnung der mikromechanischen Struktur 1 im
elektrischen Feld E mit einer ersten Feldstärkenkomponente Ex parallel zur ersten Richtung x ungleich null eine elektrische Polarisation der mikromechanischen Struktur 1 erfolgt, die in Fig. 1 durch „+" und auf der mikromechanischen Struktur 1 angedeutet ist. In Fig. 1 ist nur die erste
Feldstärkenkomponente Ex eingezeichnet bzw. der Fall
illustriert, wo Feldstärkenkomponenten in den Richtungen y, z null sind.
Die Polarisation hat eine auf den beweglichen Abschnitt 3 wirkende Kraft F mit einer ersten Kraftkomponente Fx parallel zur ersten Richtung x ungleich null zur Folge.
Kraftkomponenten in den Richtungen y, z sind im gezeigten Beispiel null.
Durch die erste Kraftkomponente Fx kommt es in Abhängigkeit von deren Größe zu einer Änderung (nicht dargestellt) der
räumlichen Anordnung des beweglichen Abschnitts 3 relativ zum Rahmenabschnitt 2. Diese Änderung wäre im gezeigten Beispiel eine Auslenkung des beweglichen Abschnitts 3 entlang der ersten Richtung x, vom Rahmenabschnitt 2 weg weisend. Die bei einer bestimmten ersten Feldstärkenkomponente Ex resultierende erste Kraftkomponente Fx kann mittels eines Verstärkungselements 6 der mikromechanischen Struktur 1 vergrößert bzw. verstärkt werden, wie es die in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigte mikromechanische Struktur 1 einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufweist.
Das Verstärkungselement 6 ist in der ersten Richtung x gesehen hinter dem beweglichen Abschnitt 3 angeordnet. Zwischen dem beweglichen Abschnitt 3 und dem Verstärkungselement 6 wiederum ist ein Spalt 7 angeordnet. Letzterer weist im gezeigten
Ausführungsbeispiel eine in der ersten Richtung x gemessen Spaltbreite 8 im Bereich 10 ym bis 50 ym auf.
Das Verstärkungselement 6 wird durch das elektrische Feld E bzw. durch die erste Feldstärkenkomponente Ex ebenfalls polarisiert, was in Fig. 2 wiederum durch „+" und
angedeutet ist. Die Ladungsträger können dabei vom
Verstärkungselement 6 nicht zum Rahmenabschnitt 2 oder gar zum beweglichen Abschnitt 3 abfließen. Der bewegliche Abschnitt 3 hat daher im Bereich des Spalts 7 eine genau entgegengesetzte Polarisation wie das Verstärkungselement 6 im Bereich des Spalts 7. Entsprechend wird der bewegliche Abschnitt 3
verstärkt zum Verstärkungselement 6 gezogen bzw. bewirkt das Verstärkungselement 6 eine Verstärkung der ersten
Kraftkomponente Fx.
Mit Detektionsmitteln kann die Auslenkung/Anordnungsänderung des beweglichen Abschnitts 3 festgestellt und sodann auf die Größe der ersten Feldstärkenkomponente Ex geschlossen werden.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen erfolgt die Detektion der Auslenkung/Anordnungsänderung des beweglichen Abschnitts 3 optisch, um eine Verzerrung des elektrischen Felds E möglichst zu vermeiden. Um hierbei die Messgenauigkeit zu erhöhen, weist der bewegliche Abschnitt 3 eine Blendenstruktur 9 auf, die aus einer Reihe von rechteckigen Löchern 10 besteht, wobei die Seiten der Rechtecke parallel zu den Richtungen x, y verlaufen. Die Löcher 10 sind gleich groß und in der ersten Richtung x hintereinander angeordnet. Jedes Loch 10 hat in der ersten Richtung x eine wesentlich kleinere Ausdehnung als in der zweiten Richtung y.
Theoretisch kann die durch die Blendenstruktur 9
hervorgerufene Modulation eines entlang der dritten Richtung z auf den beweglichen Abschnitt 3 fallenden Lichts zur Messung der Auslenkung/Anordnungsänderung des beweglichen Abschnitts 3 benutzt werden. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist jedoch zusätzlich eine über dem beweglichen Abschnitt 3 angeordnete, fixe Blendenstruktur 11 vorgesehen, die auf die Blendenstruktur 9 abgestimmt ist. Fig. 5 zeigt die fixe
Blendenstruktur 11 für das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die aus rechteckigen
Metallstreifen 14 besteht, welche Metallstreifen 14 an Anzahl und Größe mit den Löchern 10 übereinstimmen. Die fixe
Blendenstruktur 11 ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen durch eine Metallschicht 13 auf einer Unterseite eines über der mikromechanischen Struktur 1 angeordneten Glas-Wafers 12 ausgebildet, vgl. Fig. 4. Der Glas-Wafer 12 und damit die fixe Blendenstruktur 11 sind räumlich relativ zum Rahmenabschnitt 2 fixiert .
Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht entlang der zweiten Richtung y, aus der die Abfolge von beweglichem Abschnitt 3,
Metallschicht 13 (und damit fixe Blendenstruktur 11) und Glas- Wafer 12 entlang der dritten Richtung z hervorgeht.
Fig. 7 zeigt eine korrespondierende Schnittansicht entlang der zweiten Richtung y, wobei die Schnittebene durch die
strichlierte Linie A-A in Fig. 4 geht. In der Schnittansicht ist die Blendenstruktur 9 mit den Löchern 10 zu erkennen sowie die über den Löchern 10 angeordneten Metallstreifen 14 der fixen Blendenstruktur 11. Fig. 8 zeigt eine Seitenansicht entlang der zweiten Richtung y, wobei als Detektionsmittel eine Leuchtdiode 15 als
Lichtzuführmittel sowie eine Photodiode 16 als optischer
Sensor dargestellt sind. Die sich ergebende sehr kompakte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist sofort ersichtlich .
Die Leuchtdiode 15 dient dazu, Licht entlang der dritten
Richtung z der fixen Blende 11 und dem darunter liegenden beweglichen Abschnitt 3 mit der Blendenstruktur 9 zuzuführen. Die Photodiode 16 detektiert die Intensität des durch die Blendenstrukturen 9, 11 transmittierten Lichts. Aufgrund der geometrischen Auslegung bzw. Abstimmung der Blendenstrukturen 9, 11 haben kleinste Auslenkungen/Anordnungsänderungen des beweglichen Abschnitts 3 deutliche, leicht detektierbare
Intensitätsänderungen zur Folge, was eine kostengünstige
Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlaubt.
Fig. 9 zeigt die mikromechanische Struktur 1 einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hierbei ist ein weiterer beweglicher Abschnitt 17 vorgesehen, der
prinzipiell völlig gleich wie der bewegliche Abschnitt 3 aufgebaut und wie dieser über (im gezeigten Beispiel vier) Stege 5 mit dem Rahmenabschnitt 2 verbunden ist, sodass der weitere bewegliche Abschnitt 17 relativ zum Rahmenabschnitt 2 bewegbar ist. D.h. der weitere bewegliche Abschnitt 17 ist wie der bewegliche Abschnitt 3 mit dem Rahmenabschnitt 2
elektrisch verbunden und an diesen mechanisch elastisch angekoppelt, wobei das Verhältnis der Stärke der mechanischen Ankopplung 1:1 ist. Folglich bewirken Vibrationen der
mikromechanischen Struktur 1, welche Vibrationen
typischerweise ausschließlich translatorisch wirken,
gleichstarke Auslenkungen/Anordnungsänderungen des beweglichen Abschnitts 3 und des weiteren beweglichen Abschnitts 17. Im Gegensatz zum beweglichen Abschnitt 3 ist der weitere bewegliche Abschnitt 17 jedoch in erster Richtung x gesehen vor dem beweglichen Abschnitt 3 angeordnet. Insbesondere ist das Verstärkungselement 6 sehr weit vom weiteren beweglichen Abschnitt 17 entfernt. Die im elektrischen Feld E mit der ersten Feldstärkenkomponente Ex sich ergebende Polarisation der mikromechanischen Struktur 1 bewirkt daher eine um mindestens eine Größenordnung kleinere weitere erste Kraftkomponente, die auf den weiteren beweglichen Abschnitt 17 wirkt, im Vergleich zur ersten Kraftkomponente Fx, die auf den beweglichen
Abschnitt 3 wirkt. Die weitere erste Kraftkomponente ist im gezeigten Ausführungsbeispiel so klein, dass diese gar nicht eingezeichnet ist.
Eine Auslenkung/Anordnungsänderung des weiteren beweglichen Abschnitts 17 wird daher in erster Linie durch die Vibrationen hervorgerufen. Indem diese Auslenkung bestimmt wird und von der bestimmten/detektierten Auslenkung des beweglichen
Abschnitts 3 abgezogen wird, kann unmittelbar auf jenen Anteil an der bestimmten/detektierten Auslenkung des beweglichen Abschnitts 3 geschlossen werden, der auf das elektrische Feld E bzw. auf die erste Feldstärkenkomponente Ex zurückgeht.
Zur Bestimmung/Detektion der Auslenkung/Anordnungsänderung des weiteren beweglichen Abschnitts 17 werden weitere
Detektionsmittel verwendet, die im Wesentlichen die gleichen Detektionsmittel wie für die Bestimmung/Detektion der
Auslenkung/Anordnungsänderung des beweglichen Abschnitts 3 sein können, weshalb an dieser Stelle nicht im Detail auf die weiteren Detektionsmittel eingegangen werden soll, sondern an die obigen Ausführungen betreffend die Detektionsmitteln verwiesen wird. Es sei jedoch erwähnt, dass, wie aus Fig. 9 hervorgeht, der weitere bewegliche Abschnitt 17 eine weitere Blendenstruktur 18 aufweist, die im gezeigten Beispiel exakt gleich wie die Blendenstruktur 9 aufgebaut ist. Entsprechend kann auch eine weitere fixe Blendenstruktur (nicht dargestellt) in der Metallschicht 13 auf der Unterseite des Glas-Wafers 12, der beide Abschnitte 3, 17 überdeckt,
vorgesehen sein.
Die Abschnitte 3, 17 (bzw. die fixe Blendenstruktur 11, die weitere fixe Blendenstruktur sowie die darunter liegenden Blendenstrukturen 9, 18) können weiters mit derselben
Leuchtdiode 15 beleuchtet werden.
Das transmittierte Licht kann von zwei optischen Sensoren / Photodioden (nicht dargestellt) detektiert werden bzw. von einem optischen Sensor, der unter den Abschnitten 3, 17 angeordnet ist und die beiden Abschnitte 3, 17 räumlich auflöst. D.h. es genügt ein Sensor mit zwei Pixeln, wobei ein Pixel unter dem beweglichen Abschnitt 3 angeordnet ist und ein Pixel unter dem weiteren beweglichen Abschnitt 17.
In Fig. 10 ist die mikromechanische Struktur 1 einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, die ebenfalls die eindeutige Messung des elektrischen Felds E bzw. der ersten Feldstärkenkomponente Ex bei Vorliegen von Vibrationen erlaubt. Hierbei wird ausgenutzt, dass Vibrationen typischerweise rein translatorisch wirken. Die
mikromechanische Struktur 1 ist nun so ausgelegt, dass die durch die erste Feldstärkenkomponente Ex hervorgerufene
Änderung der räumlichen Anordnung des beweglichen Abschnitts 3 relativ zum Rahmenabschnitt 2 eine Rotation des beweglichen Abschnitts 3 relativ zum Rahmenabschnitt 2 - im gezeigten Beispiel um eine zur dritten Richtung z parallele
Rotationsachse - ist. Indem gezielt die rotatorische
Anordnungsänderung bestimmt wird, kann direkt auf die erste Feldstärkenkomponente Ex geschlossen werden.
Der bewegliche Abschnitt 3 ist hierzu wiederum im U-förmigen Rahmenabschnitt 2 angeordnet, wobei der bewegliche Abschnitt 3 einen im Wesentlichen quadratischen Umriss mit Seiten in der Ebene xy hat. Der bewegliche Abschnitt ist über drei Stege 5 sowohl mit den Schenkeln 4 als auch mit einem die Schenkel 4 verbindenden Querbalken 19 des Rahmenabschnitts 2 verbunden. Die Stege 5 sind dabei jeweils mittig bezogen auf die Seiten des beweglichen Abschnitts 3 angeordnet. Eine nicht mit dem Rahmenabschnitt 2 verbundene Seite 20 des beweglichen
Abschnitts 3 ragt in der ersten Richtung x über den
Rahmenabschnitt 2 hinaus. Die Seite 20 verläuft parallel zur zweiten Richtung y und weist in der zweiten Richtung y gesehen eine erste Hälfte 20a und eine darauffolgende zweite Hälfte 20b auf.
In der ersten Richtung x gesehen ist hinter der Seite 20 das Verstärkungselement 6 angeordnet, welches jedoch im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der Fig. 2 speziell geformt ist. Diese Form ist so, dass das Verstärkungselement 6 der Seite 20 nur im Bereich der zweiten Hälfte 20b nahekommt. D.h. Spalt 7 mit der Spaltbreite 8 ist nur im Bereich der zweiten Hälfte 20b vorhanden. Entsprechend wird durch das Verstärkungselement 6 nur im Bereich der zweiten Hälfte 20b eine verstärkte erste Kraftkomponente Fx erzeugt bzw. greift diese verstärkte
Kraftkomponente Fx nur im Bereich der zweiten Hälfte 20b am beweglichen Abschnitt 3 an, nicht jedoch im Bereich der ersten Hälfte 20a. Die Folge ist eine Rotation des beweglichen
Abschnitts um eine Rotationsachse 21, die im Zentrum des beweglichen Abschnitts 3 bezogen auf die Ebene xy liegt, welche Rotation in Fig. 10 durch den gekrümmten Pfeil
angedeutet ist. Die Rotationsachse 21 steht normal auf die Ebene xy.
Um gezielt den rotatorischen und nicht den translatorischen Anteil an der Auslenkung/Anordnungsänderung des beweglichen Abschnitts 3 detektieren zu können, ist die Blendenstruktur 9 entsprechend adaptiert. Konkret weist die Blendenstruktur 9 hierzu wiederum eine Vielzahl von rechteckigen Löchern 10 auf, die jedoch sternförmig rund um das Zentrum des beweglichen Abschnitts 3 bezogen auf die Ebene xy bzw. rund um die Rotationsachse 21 angeordnet sind. Mit anderen Worten sind die rechteckigen Löcher 10 rund um die Rotationsachse 21 und mit ihren längeren Seiten radial nach außen weisend angeordnet.
Entsprechend ist auch die fixe Blendenstruktur 11 angepasst, vgl. Fig. 11. Die Blendenstruktur 11 ist wiederum durch die Metallschicht 13 ausgebildet und besteht nun jedoch aus rechteckigen Löchern 10 in der Metallschicht, die gleich groß und gleich orientiert zu den rechteckigen Löchern 10 der
Blendenstruktur 9 sind.
Der sonstige Aufbau mit Leuchtdiode 15 und Photodiode 16 entspricht dem in Fig. 8 gezeigten. Wenn nun Licht von der Leuchtdiode 15 durch die Blendenstrukturen 11 und 9
transmittiert wird, hängt die Intensität des transmittierten und von der Photodiode 16 detektierten Lichts wesentlich stärker von der rotatorischen Anordnung der Blendenstrukturen 11 und 9 zueinander ab als von deren translatorischen
Anordnung zueinander. Translatorische
Auslenkungen/Anordnungsänderungen sind somit für diese
Intensitätsmessungen vernachlässigbar, und die gemessene
Intensitätsänderung ist im Wesentlichen ein Maß für die rotatorische Auslenkung/Anordnungsänderung des beweglichen Abschnitts 3 relativ zum Rahmenabschnitt 2. Entsprechend kann selbst bei Vorliegen von Vibrationen zuverlässig und mit hoher Genauigkeit auf das elektrische Feld E bzw. auf die erste Feldstärkenkomponente Ex geschlossen werden.
Fig. 12 zeigt einen erfindungsgemäßen Schutzhelm 22 als ein Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Der Schutzhelm 22 dient zur Warnung eines Arbeiters vor
spannungsführenden Bauteilen. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht fix in den Schutzhelm 22 integriert, sondern zur Montage auf einem konventionellen Helm 27 eingerichtet, um den
erfindungsgemäßen Schutzhelm 22 mittels des konventionellen Helms 27 auf einfache Art und Weise zu verwirklichen. Dies hat den Vorteil, dass im Prinzip ein beliebiger Helm 27 verwendet werden kann und der Helm 27 bei Bedarf auch ausgetauscht werden kann.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die mikromechanische Struktur 1 in einem Sensormodul 23 angeordnet. Das Sensormodul
23 ist insofern an die Form des Helms 27 angepasst, als das Sensormodul 23 Haken 26 aufweist, welche zum Umgreifen eines Rands 28 des Helms 27 dienen. Wie in Fig. 12 dargestellt, sind die Haken 26 bzw. ist das Sensormodul 23 dabei in einem vorderen Abschnitt des Helms 27 angeordnet, d.h. in einem Bereich, der beim Tragen des Helms 27 nahe der Stirn eines Benutzers angeordnet ist.
Das Sensormodul 23 ist über ein elastisches Band 25 mit einem Optoelektronikmodul 24 verbunden, wobei das Sensormodul 23 gemeinsam mit dem Optoelektronikmodul 24 und dem Band 25 zur Befestigung am Helm 27 über diesen gestülpt bzw. gespannt ist. Das Band 25 weist Lichtzuführmittel und Lichtleitmittel in Form von Glasfasern auf. Mittels mindestens einer Glasfaser als Lichtzuführmittel kann Licht, das im Optoelektronikmodul
24 beispielsweise mittels einer nicht extra dargestellten Leucht- oder Laserdiode erzeugt wird, der mikromechanischen Struktur 1 auf einer Seite zugeführt werden.
Mindestens eine Glasfaser des Bands 25 ist als Lichtleitmittel Teil eines optischen Sensors, der im dargestellten
Ausführungsbeispiel weiters eine im Optoelektronikmodul 24 angeordnete Photodiode (nicht dargestellt) umfasst. Licht auf der gegenüberliegenden Seite der mikromechanischen Struktur 1 wird mit dieser mindestens einen Glasfaser aufgefangen und der Photodiode zugeführt.
Das Optoelektronikmodul 24 umfasst weiters eine entsprechende Auswerteelektronik. Bei Detektion eines elektrischen Felds, das für den Arbeiter bzw. Benutzer gefährlich sein kann, gibt das Optoelektronikmodul 24 optische und/oder akustische Warnsignale aus, um den Arbeiter bzw. Benutzer zu warnen.
5
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Mikromechanische Struktur
2 Rahmenabschnitt
3 Beweglicher Abschnitt
4 Schenkel
5 Steg
6 Verstärkungselement
7 Spalt
8 Spaltbreite
9 Blendenstruktur am beweglichen Abschnitt
10 Rechteckiges Loch
11 Fixe Blendenstruktur
12 Glas-Wafer
13 Metallschicht
14 Metallstreifen
15 Leuchtdiode
16 Photodiode
17 Weiterer beweglicher Abschnitt
18 Weitere Blendenstruktur am weiteren beweglichen
Abschnitt
19 Querbalken
20 Nicht verbundene Seite des beweglichen Abschnitts
20a Erste Hälfte der Seite 20 20b Zweite Hälfte der Seite 20
21 Rotationsachse
22 Schutzhelm
23 Sensormodul
24 Optoelektronikmodul
25 Band mit mindestens einer integrierten Glasfaser
26 Haken
27 Helm
28 Rand des Helms x Erste Richtung y Zweite Richtung z Dritte Richtung xy Ebene, parallel zur ersten und zweiten Richtung
E Elektrisches Feld
Ex Erste Feldstärkenkomponente des elektrischen Felds parallel zur ersten Richtung
F Kraft
Fx Erste Kraftkomponente parallel zur ersten Richtung

Claims

A N S P R Ü C H E
1. Vorrichtung zur Messung eines elektrischen Felds (E) , die Vorrichtung umfassend eine mikromechanische Struktur (1), welche sich in einer ersten Richtung (x) , einer zweiten Richtung (y) und einer dritten Richtung (z) erstreckt, wobei die erste Richtung (x) , die zweite Richtung (y) und die dritte Richtung (z) wechselseitig normal aufeinander stehen,
wobei die mikromechanische Struktur (1) aus einem bei einer Betriebstemperatur elektrisch leitenden Material gefertigt ist und einen Rahmenabschnitt (2) sowie einen beweglichen Abschnitt (3) aufweist,
wobei der bewegliche Abschnitt (3) mit dem Rahmenabschnitt (2) elektrisch leitend und mechanisch elastisch verbunden ist und relativ zum Rahmenabschnitt (2) bewegbar ist, wobei die mikromechanische Struktur (1) so ausgelegt ist, dass bei einer Anordnung der mikromechanischen Struktur (1) im elektrischen Feld (E) mit einer ersten
Feldstärkenkomponente (Ex) parallel zur ersten Richtung (x) ungleich null eine elektrische Polarisation der mikromechanischen Struktur (1) erfolgt, die eine auf den beweglichen Abschnitt (3) wirkende erste Kraftkomponente (Fx) parallel zur ersten Richtung (x) sowie eine von der ersten Kraftkomponente (Fx) abhängige Änderung der
räumlichen Anordnung des beweglichen Abschnitts (3) relativ zum Rahmenabschnitt (2) zur Folge hat,
und wobei Detektionsmittel (9, 11, 15, 16) vorgesehen sind, um die Änderung der räumlichen Anordnung des
beweglichen Abschnitts (3) relativ zum Rahmenabschnitt (2) zu bestimmen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmenabschnitt (2) und der bewegliche Abschnitt (3) einstückig ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmenabschnitt (2) in einer Ebene (xy) , die parallel zu der ersten Richtung (x) und der zweiten Richtung (y) ist, zumindest abschnittsweise im Wesentlichen eine U-Form ausbildet, wobei parallele
Schenkel (4) der U-Form parallel zur ersten Richtung (x) verlaufen, dass der bewegliche Abschnitt (3) zwischen den Schenkeln (4) angeordnet ist und dass der bewegliche
Abschnitt (3) über Stege (5) , die vorzugsweise parallel zur zweiten Richtung (y) verlaufen, mit den Schenkeln (4) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die mikromechanische Struktur (1) ein vom Rahmenabschnitt (2) und vom beweglichen Abschnitt (3) elektrisch separates Verstärkungselement (6) umfasst, welches in der ersten Richtung (x) gesehen hinter dem beweglichen Abschnitt (3) angeordnet ist, wobei zwischen dem beweglichen Abschnitt (3) und dem Verstärkungselement (6) ein Spalt (7) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (7) eine in der ersten Richtung (x) gemessene Spaltbreite (8) kleiner gleich 500 ym, bevorzugt kleiner gleich 200 ym, besonders bevorzugt von 0,1 ym bis 50 ym, aufweist .
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel einen optischen Sensor (16) sowie mindestens ein Lichtzuführmittel (15) umfassen .
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Abschnitt (3) zwischen dem mindestens einen Lichtzuführmittel (15) und dem optischen Sensor (16) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Lichtzuführmittel einen Lichtleiter umfasst, um eine Seite der mikromechanischen Struktur (1) zumindest abschnittsweise mit durch den Lichtleiter geleiteten Licht zu beleuchten, und dass der optische Sensor einen weiteren Lichtleiter umfasst, um das Licht auf einer gegenüberliegenden Seite der mikromechanischen Struktur (1) aufzufangen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel eine
Blendenstruktur (9) am beweglichen Abschnitt (3) sowie eine fixe Blendenstruktur (11) umfassen, wobei die fixe Blendenstruktur (11) eine relativ zum Rahmenabschnitt (2) fixe räumliche Anordnung aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die fixe Blendenstruktur (11) in einer Metallschicht (13) auf einem Glas-Wafer (12) ausgebildet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 10 und
nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die fixe Blendenstruktur (11) zwischen dem beweglichen Abschnitt (3), insbesondere der Blendenstruktur (9) am beweglichen Abschnitt (3) , und dem mindestens einen Lichtzuführmittel (15) oder dem optischen Sensor (16) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Struktur (1) so ausgelegt ist, dass die Änderung der räumlichen Anordnung des beweglichen Abschnitts (3) relativ zum
Rahmenabschnitt (2) eine Rotation des beweglichen
Abschnitts (3) relativ zum Rahmenabschnitt (2),
vorzugsweise um eine zur dritten Richtung (z) parallele Rotationsachse, umfasst.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Struktur
(1) einen weiteren beweglichen Abschnitt (17) umfasst, der mit dem Rahmenabschnitt (2) elektrisch leitend und
mechanisch elastisch verbunden ist, wobei die Stärke der mechanischen Ankopplung des weiteren beweglichen
Abschnitts (17) an den Rahmenabschnitt (2) in einem bestimmten bekannten Verhältnis, vorzugsweise im
Verhältnis 1:1, zur Stärke der mechanischen Ankopplung des beweglichen Abschnitts (3) an den Rahmenabschnitt (2) steht, und wobei die mikromechanische Struktur (1) so ausgelegt ist, dass bei einer Anordnung der
mikromechanischen Struktur (1) im elektrischen Feld (E) mit der ersten Feldstärkenkomponente (Ex) ungleich null die elektrische Polarisation der mikromechanischen
Struktur (1) erfolgt, die eine auf den weiteren
beweglichen Abschnitt (17) wirkende weitere erste
Kraftkomponente parallel zur ersten Richtung (x) sowie eine von der weiteren ersten Kraftkomponente abhängige Änderung der räumlichen Anordnung des weiteren beweglichen Abschnitts (17) relativ zum Rahmenabschnitt (2) zur Folge hat, wobei die weitere erste Kraftkomponente und/oder die Änderung der räumlichen Anordnung des weiteren beweglichen Abschnitts (17) um einen Faktor kleiner gleich 0,1, vorzugsweise kleiner gleich 0,01, kleiner ist als die erste Kraftkomponente und/oder die von der ersten
Kraftkomponente hervorgerufene Änderung der räumlichen Anordnung des beweglichen Abschnitts (3) ,
und dass weitere Detektionsmittel (18) vorgesehen sind, um die Änderung der räumlichen Anordnung des weiteren
beweglichen Abschnitts (17) relativ zum Rahmenabschnitt
(2) zu bestimmen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Detektionsmittel eine weitere Blendenstruktur (18) am weiteren beweglichen Abschnitt (17) sowie eine weitere fixe Blendenstruktur umfassen, wobei die weitere fixe Blendenstruktur (11) eine relativ zum Rahmenabschnitt (2) fixe räumliche Anordnung aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Detektionsmittel einen weiteren optischen Sensor sowie mindestens ein weiteres Lichtzuführmittel umfassen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15 und nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der weitere optische Sensor durch den optischen Sensor (16) und das mindestens eine weitere Lichtzuführmittel durch das mindestens eine
Lichtzuführmittel (15) ausgebildet sind, wobei der weitere bewegliche Abschnitt (17) zwischen dem mindestens einen Lichtzuführmittel (15) und dem optischen Sensor (16) angeordnet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16 und nach Anspruch 14 und nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die weitere fixe Blendenstruktur in der Metallschicht (13) auf dem Glas-Wafer (12) ausgebildet ist .
18. Fahrzeug, bevorzugt Luftfahrzeug, besonders bevorzugt unbemanntes Luftfahrzeug umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17.
19. Schutzhelm (22) oder Schutzhandschuh oder
Schutzstiefel oder Schutzkleidung umfassend eine
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17.
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