用于测量电场的装置的制作方法

本发明涉及一种用于测量电场、尤其是静电场或者准静电场的装置。

背景技术：

对电场、尤其是静电场或者相对较慢变化的电场的测量在不同领域中都起到重要的作用。电场的确定例如在必须避免表面电荷的受到静电保护的区域中的工作场所中、例如在电子构件的制造和包装中可能是重要的。为气象学提供重要信息的、对地球大气中的电场的测量则是完全不同的示例，因为由于天气现象例如雷雨、冷锋/暖锋过境或者雨云导致该电场的变化。尤其还应当提到的是雷电研究，对大气中的静电场的监测对于雷电研究而言具有重大意义，以便例如能够预测雷电的出现。

由现有技术尤其已知将电场仪用于测量电场，在所述电场仪中借助旋转的叶轮周期性地暴露和重新遮蔽导电的传感器电极，从而使传感器电极能够通过外部电场的感应交替地充电和放电，例如参见d.a.hill和m.kanda所著的themeasurement,instrumentation,andsensorshandbookxxv,第47章,electricfieldstrength(crcpressllc和ieeepress,1999)。由于具有叶轮，电场仪通常也被称为电场磨(feldmühle)。电场磨的缺点在于，所述电厂磨通常必须相对较大地设计尺寸并且相应地是笨重的。除此之外，即使对于尺寸相对较小的电场磨，通常也规定将相应的电场磨的各个单独的部件、尤其是将传感器电极接地，这不可避免地使待测量的电场失真。

与之相对，由现有技术已知的用于测量电场的电光传感器不需要接地，并且在待测量的电场的可能的失真方面优于电场磨，例如参见n.j.vasaetal.,journalofmaterialsprocessingtechnology185(1-3),173(2007年4月)。例如可以借助电光晶体根据光吸收或者折射率的变化来确定电场强度。然而，已知的电光传感器具有较强的固有的温度不稳定性，所述温度不稳定性可归因于与相应的传感器材料的热膨胀有关的热电效应。

本发明的技术问题

因此本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于测量电场、尤其是静电场或者随时间缓慢变化的电场的装置，所述装置避免了上述缺点。按照本发明的装置尤其应当不使待测量的电场失真并且按照本发明的装置应当是能小型化的并且应当尽可能是对于温度不敏感的或者温度稳定的。

技术实现要素：

为了解决所述技术问题，按照本发明规定了一种用于测量电场的装置，所述装置包括在第一方向、第二方向和第三方向上延伸的微机械结构，其中，所述第一方向、第二方向和第三方向相互垂直(或者说彼此呈法向)，其中，所述微机械结构由在运行温度中导电的材料制造，并且具有框架区段和能移动的区段，其中，所述能移动的区段与框架区段导电地并且机械地弹性连接并且能够相对于所述框架区段移动，其中，这样设计所述微机械结构，使得在将所述微机械结构布置在具有平行于第一方向的不为零的第一场强分量的电场中时，实现微机械结构的电极化，所述电极化导致产生作用在能移动的区段上的平行于第一方向的第一力分量以及能移动的区段相对于框架区段的空间布局的变化，所述变化取决于所述第一力分量或者说与所述第一力分量相关，并且其中，设置有探测器件，以便确定所述能移动的区段相对于框架区段的空间布局的变化。

通过该装置尤其能够确定静电场(即具有0hz的频率)或者准静电场(频率通常在100hz或者更低的范围中)，其中，通过微机械结构的机械特性、尤其是通过固有频率或者谐振频率确定尚能探测到的电场的最大频率。

通过按照本发明的装置在实际中排除了待测量的电场的失真的可能性，尤其是因为按照本发明的装置能够极为紧凑地构造(由于较小的尺寸使电场在实际中不会失真)并且因为不需要接地。

微机械结构的机械特性的热相关性是明确定义并且已知的，因此一方面给出了系统性的明确定义的温度相关性，从而能够简单地在计算上考虑到所述温度相关性。另一方面能够通过适宜的材料选择和优化的几何形状在更大程度上降低所述温度相关性，因此按照本发明的装置尤其与已知的现有技术相比能够被看作是对于温度不敏感的或者温度稳定的。

微机械结构也可以称为传感器，所述传感器通过探测器件读出。

微机械结构的沿着第一和第二方向的尺寸通常在0.1mm至5mm、优选0.1mm至1mm的范围中，并且沿着第三方向的尺寸通常小至少一个数量级。上文提到的尚能探测到的电场的最大频率则通常在10khz的范围中。然而在本申请的范畴中，术语“微机械结构”应当理解为，尤其是沿着第三方向，在亚微米范围中的尺寸理论上也是可行的。按照本发明的装置由此不只能够在较大程度上小型化，而且也能够使所述最大频率明显地提高至所述10khz以上。

运行温度是指通常在使用装置时所处的温度。运行温度通常明显地高于绝对零点，因此对于微机械结构通常也可以考虑半导体材料，因为所述半导体材料在运行温度中具有足够的传导性。后者的意思是，在运行温度中微机械结构能够通过电感应非常迅速地极化，因为载流子能够在微机械结构的材料中移动。

框架区段和能移动的区段之间的导电连接确保了使微机械结构真正地作为整体被极化，而不是分开地使框架区段和能移动的区段极化。

框架区段和能移动的区段之间的机械弹性连接确保了，所述能移动的区段在存在电场时能够相对于框架区段移动并且在电场不再存在时能够重新处于其相对于所述框架区段的原始的空间布局(或者说空间布置)中。即机械弹性连接无异于借助弹簧元件或者弹性的元件的连接。这种连接本身是已知的。所述连接尤其能够通过适当地选择所述能移动的区段和框架区段之间的连接的材料来实现。

能移动的区段优选至少能够平行于第一方向移动。在这种情况下，沿着第一方向的电场或者不等于零的第一场强分量可以导致或者产生第一力分量并且因此导致或者产生所述能移动的区段相对于框架区段的布局的平行于第一方向的偏移或者变化。布局变化的借助探测器件确定的偏移或者尺寸则相应地是针对沿着第一方向的电场强度或者针对第一场强分量的量度。

在按照本发明的装置中自然也可以设置控制单元，以便立即在所确定的布局变化和沿着第一方向的电场大小或者第一场强分量的大小之间进行“换算”。

能够相应地实现对任意定向的电场在空间上的完全的、即沿着所有三个空间方向的分辨，方式是例如将三个根据本发明的装置如下进行组合：第一装置的能移动的区段有针对性地只能够沿着第一方向移动，第二装置的能移动的区段只能沿着第二方向移动，并且第三装置的能移动的区段只能沿着第三方向移动。“只”在此应理解为尽管原则上不能够排除各个能移动的区段沿着其它两个方向移动的可能性，但是在沿着这些方向存在相同大小的场强分量时，所述移动至少小一个数量级。换言之，机械弹性连接使得至少近似地沿着三个方向的其中之一形成比沿着其余两个方向的弹簧常数小至少一个数量级的弹簧常数。

在最简单的情况下，简单地将三个相同的装置这样组合，使得第一装置沿着第一方向定向，第二装置沿着第二方向定向并且第三装置沿着第三方向定向。

与上述内容类似地可以设置控制单元，所述控制单元立即将针对所有三个方向确定的布局变化换算为所有三个方向上的电场大小，或者换算为第一场强分量、第二场强分量和第三场强分量的大小。

为了能够制造尤其在能移动的区段和框架区段之间具有弹性元件的、明确定义地具有期望的机械特性的微机械结构，可以将框架区段和能移动的区段、尤其是整个微机械结构一体件式地构造。在此，框架区段和能移动的区段、尤其是整个微机械结构可以由优选是单晶的硅制成。这使得例如能够以本身已知的方式基于硅晶片或者绝缘体上硅(soi)晶片进行制造。这还使得大量的成本低廉的生产成为可能。

为了确保简单的构造，在按照本发明的装置的优选实施方式中规定，框架区段在平行于第一方向和第二方向的平面中至少区段性地基本上构造为u形形状，其中，所述u形形状的平行的边脚平行于第一方向延伸，能移动的区段布置在所述边脚之间并且所述能移动的区段通过优选平行于第二方向延伸的板条(或者说连接片)与所述边脚连接。

板条在此可以u形地或者回纹形地在所述平面中延伸，以便避免在偏移/布局变化更大时出现机械上的非线性。

尤其能够通过该结构实现按照本发明的装置的沿着第一方向的特定灵敏性，方式是所述能移动的区段能够沿着第一方向比沿着其它两个方向在机械上更容易地并且在必要时更远地移动。板条在这种情况下确保了沿着第一方向的弹簧常数比沿着其余两个方向的相应弹簧常数小至少一个数量级。

如上文已经描述的，能够将三个相同的这种装置组合，以便实现在空间上完整地分辨待测量的电场。

为了提高敏感度或者分辨能力，在按照本发明的装置的一种优选实施方式中规定，微机械结构包括与框架区段和能移动的区段电分离(或者说在电学上分隔开)的加强元件，所述加强元件沿着第一方向观察布置在能移动的区段后方，其中，在能移动的区段和加强元件之间布置有间隙。在载流子无法从加强元件向框架元件或者甚至向能移动的区段流动的情况下，加强元件同样被极化。能移动的区段因此在间隙的区域中具有与加强元件在所述间隙的区域中恰恰相反的极化。能移动的区段相应地被更强地向加强元件吸引或者加强元件尤其是在所述间隙具有特别小的间隙宽度的空间区域中作用使得第一力分量加强，其中，所述间隙宽度沿着第一方向测量。

为了优化所述加强，在按照本发明的装置的一种特别优选的实施方式中规定，所述间隙具有沿着第一方向测量的小于等于500μm、优选小于等于200μm、特别优选为0.1μm至50μm的间隙宽度。0.1μm至50μm的间隙宽度同时确保了简单的制造。作为对比：待探测的由于电场导致的偏移/布局变化通常小于1μm。

以此方式能够在原则上实现1(v/m)/(hz)^0.5至50(v/m)/(hz)^0.5的范围中的分辨率。

理论上可以考虑不同的、例如电容式的或者声学的探测器件。为了排除通过探测布局变化或者通过探测器件使待测量的电场失真的可能性并且同时确保尽可能高的探测精度，在按照本发明的装置的一种特别优选的实施方式中规定，探测器件包括光学传感器以及至少一个光输入器件，以便实现纯光学的探测。

理论上可以考虑的是，如果能移动的区段足够大或者传感器的局部分辨率足够精细，则通过光学传感器“直接地”反映(或者说成像)所述能移动的区段。

适宜的光学传感器本身是已知的。例如可以考虑的是基于至少一个光电二极管或者至少一个光电晶体管的光学传感器。至少一个光电二极管/至少一个光电晶体管在此能够“直接地”被照明，方式是所述至少一个光电二极管/至少一个光电晶体管在空间上布置在能移动的区段附近、尤其是紧邻地布置在所述能移动的区段下方并且直接收集来自能移动的区段的区域的光。或者至少一个光电二极管/至少一个光电晶体管“间接地”被照明，方式是光学传感器包括至少一个光导器件、尤其是至少一条玻璃纤维线缆，以便将来自能移动的区段的区域、尤其是来自紧邻所述能移动的区段下方的区域中的光传导入至少一个光电二极管/至少一个光电晶体管。

设置至少一个光输入器件，以便确保按规定地照明所述能移动的区段。至少一个光输入器件例如可以包括一个或者多个光导体和/或至少一个照明器件、尤其是一个或者多个发光二极管。

微机械结构并非必须布置在至少一个光输入器件和光学传感器之间。理论上例如也可以考虑的是在反射几何结构中进行测量，在所述反射几何结构中，至少一个光输入器件和光学传感器关于微机械结构布置在相同侧上。

在按照本发明的装置的一种特别优选的实施方式中规定，能移动的区段布置在至少一个光输入器件和光学传感器之间。这是一种在结构设计上特别简单的实施方式并且使得能够将由于能移动的区段的偏移/布局变化造成的改变的光调制和/或由此改变的透射用于确定所述能移动的区段的偏移/布局变化。

通过将能移动的区段布置在至少一个发光二极管和至少一个光电二极管或者至少一个光电晶体管之间产生了在结构设计上特别简单并且紧凑的设计方案。然而由于这些元件必须被供给电流，因此可能产生的情况是，在靠近能移动的区段附近运行这些元件可能会过强地影响待测量的较弱的电场并且过度歪曲测量结果。因此，在按照本发明的装置的一种特别优选的实施方式中规定，至少一个光输入器件包括光导体，以便至少区段性地通过由所述光导体传导的光照明微机械结构的一侧，并且光学传感器包括其它光导体，以便接收或者说收集微机械结构的对置侧上的光。

为了实现在探测能移动的区段的偏移/布局变化时的特别高的精度，在按照本发明的装置的一种优选的设计方案中规定，探测器件包括处于能移动的区段上的光栅结构(或者说光阑结构)以及固定的光栅结构，其中，所述固定的光栅结构具有相对于框架区段固定的空间布局。通过布置在处于所述能移动的区段上的光栅结构的上方或者下方的固定的光栅结构，在射入的光照射到所述能移动的区段上之前在空间上调制所述射入的光。在原则上可以分析空间分辨地测量的光调制或者所述光调制的变化，以确定能移动的区段的偏移/布局变化。

通过与固定的光栅结构相对应地选择和布置处于所述能移动的区段上的光栅结构，所述光栅结构与所述能移动的区段共同移动，并且能移动的区段的微小的偏移/布局变化能够在透射的光强度的较大变化上体现出来。换言之，可以通过简单地测量透射的光强度来高精度地并且同时成本低廉地实现偏移/布局变化，为此例如简单的、非局部分辨的光电二极管/光电晶体管就足够了。

为了能够在制造技术上特别简单地制造固定的光栅结构，在按照本发明的装置的一种优选的实施方式中规定，固定的光栅结构构造在玻璃晶片上的金属层中。即金属层在玻璃晶片上构成固定的光栅结构，所述玻璃晶片布置在能移动的区段上方并且在空间上相对于框架区段固定地布置。玻璃晶片例如可以与框架区段在机械上刚性地连接。

由此能够在制造技术上非常容易地进行固定的光栅结构与处于能移动的区段上的光栅结构的协调适配。处于能移动的区段上的光栅结构例如可以由多个矩形的孔构成，所述孔沿着第一方向依次相续地布置，其中，每个孔沿着第一方向具有比沿着第二方向更小的延伸尺寸。对应的固定的光栅结构则例如同样可以由金属层中的相同大小并且同样地布置的矩形孔构成。或者对应的固定的光栅结构例如由与矩形孔大小相同并且与所述矩形孔同样地布置的矩形的金属条构成，因此所述固定的光栅结构在能移动的区段进行特定的偏移时与处于能移动的区段上的光栅结构的孔相重合并且在实际中没有光被透射。而在其它偏移中光以不同的强度透射穿过固定的光栅结构和处于能移动的区段上的光栅结构。

适宜的金属例如是铬，所述铬能够借助光刻技术和物理气相沉积(“physicalvapourdeposition”)施加在玻璃晶片上。

与上述内容对应地，在按照本发明的装置的一种特别优选的实施方式中规定，固定的光栅结构布置在能移动的区段、尤其是处于所述能移动的区段上的光栅结构和至少一个光输入器件或者光学传感器之间。由此实现了按照本发明的装置的特别紧凑的设计方案。

如果按照本发明的装置受到机械振动，则存在的风险是，产生所述能移动的区段的不是源自电场的存在的偏移/布局变化。或者存在的风险是，与存在的电场相关的测量结果相应地被歪曲。为了能够将能移动的区段的由振动造成的偏移/布局变化与通过电场造成的偏移/布局变化分开或者区分开，在按照本发明的装置的一种优选的实施方式中规定，这样设计微机械结构，使得能移动的区段相对于框架区段的空间布局的变化包括所述能移动的区段相对于框架区段、优选围绕平行于第三方向的旋转轴的旋转。这考虑到了以下情况，即振动通常只平移式地作用并且相应地只造成所述能移动的区段的线性的偏移/布局变化。因此，通过有针对性地确定偏移/布局变化的旋转部分能够直接推断出电场。

相应的设计可以通过能移动的区段在框架区段上的适宜的、尤其是不对称的机械弹性连接实现。

此外，能够通过加强元件的有针对性的几何造型加强电场的旋转效应。

为了将能移动的区段的由于振动造成的偏移/布局变化与由于电场造成的偏移/布局变化区分开，备选地或者附加地在按照本发明的装置的一种优选的实施方式中规定，微机械结构包括与框架区段导电地并且机械地弹性地连接的其它能移动的区段，其中，所述其它能移动的区段在框架区段上的机械耦连的强度与所述能移动的区段在框架区段上的机械耦连的强度具有确定的已知的比例、优选为1：1的比例，并且其中，这样设计微机械结构，使得在将所述微机械结构布置在具有不等于零的第一场强分量的电场中时，实现所述微机械结构的电极化，所述电极化导致产生作用在所述其它能移动的区段上的平行于第一方向的其它第一力分量以及所述其它能移动的区段相对于框架区段的空间布局的变化，所述变化取决于所述其它第一力分量，其中，所述其它第一力分量和/或所述其它能移动的区段的空间布局的变化以小于等于0.1、优选小于等于0.01的系数小于第一力分量和/或所述能移动的区段的空间布局的由第一力分量造成的变化(或者说所述其它第一力分量和/或所述其它能移动的区段的空间布局的变化比第一力分量和/或所述能移动的区段的空间布局的由第一力分量造成的变化小一个系数，所述系数小于等于0.1、优选小于等于0.01)，并且设置有其它探测器件，以便确定所述其它能移动的区段相对于框架区段的空间布局的变化。

振动相同地作用在所述能移动的区段和所述其它能移动的区段上。然而电场比在所述其它能移动的区段上强至少一个数量级地作用在所述能移动的区段上。通过在必要时使用考虑到了机械耦连的比例的适当比例系数的情况下从所述能移动的区段的偏移/布局变化中减去所述其它能移动的区段的偏移/布局变化，基本上得到了所述能移动的区段的主要归因于电场的偏移/布局变化。

这种变型实施方案能够在制造技术上容易地实现，方式是所述其它能移动的区段和所述其它能移动的区段在框架区段上的连接完全相同地效仿所述能移动的区段和所述能移动的区段在框架区段上的连接。由此可以与机械耦连的1：1的比例相应地采用确切地为1的比例系数。如果所述其它能移动的区段在此在空间上在中央地布置在框架区段中并且所述能移动的区段布置在框架区段的边缘上，则在所述能移动的区段上必然地作用有比作用在所述其它能移动的区段上更大的由于电极化造成的力分量。该差别还能够通过以下方式进一步显著地被加强，即加强元件紧邻所述能移动的区段布置(只通过间隙与所述能移动的区段分开)。

对所述其它能移动的区段的偏移/布局变化的探测可以与针对所述能移动的区段的探测完全相同地进行，因此在此处舍弃详细的描述并且可以取而代之地参考以上说明的相应的与所述能移动的区段相关的详细的阐述。即关于探测器件所述的内容类似地适用于所述其它探测器件。相应地在按照本发明的装置的一种特别优选的实施方式中规定，所述其它探测器件包括处于所述其它能移动的区段上的其它光栅结构以及其它固定的光栅结构，其中，所述其它固定的光栅结构具有相对于框架区段固定的空间布局。所述其它光栅结构由此与所述其它能移动的区段共同移动。所述其它固定的光栅结构可以专门地与所述其它光栅结构协调适配，以便尤其是通过简单的光透射测量实现以高的精度确定所述其它能移动的区段的偏移/布局变化。因此优选将所述其它固定的光栅结构布置在所述其它光栅结构上方。

在按照本发明的装置的一种特别优选的实施方式中同样规定，所述其它探测器件包括其它光学传感器以及至少一个其它光输入器件。以上针对至少一个光输入器件以及针对光学传感器所述的内容又类似地适用。

在按照本发明的装置的一种特别优选的实施方式中还规定，所述其它光学传感器由所述光学传感器构成并且所述至少一个其它光输入器件由所述至少一个光输入器件构成，其中，所述其它能移动的区段布置在所述至少一个光输入器件和所述光学传感器之间。所述其它能移动的区段尤其能够通过与所述能移动的区段相同的发光二极管照明。光学传感器又只需要较粗略的局部分辨率、几乎只需要两个大的像素，以便能够在透射穿过所述能移动的区段的光强度和透射穿过所述其它能移动的区段的光强度之间进行区分。

通过在玻璃晶片上共同地制造或者布置所述其它固定的光栅结构与所述固定的光栅结构，能够特别简单地实现所述其它固定的光栅结构。在按照本发明的装置的一种特别优选的实施方式中相应地规定，所述其它固定的光栅结构构造在玻璃晶片上的金属层中。即所述其它固定的光栅结构也由金属层构成。玻璃晶片也布置在所述其它能移动的区段上方并且在空间上相对于框架区段固定地布置。

按照本发明的装置的应用领域是多种多样的。按照本发明尤其规定一种交通工具、优选飞行器、特别优选无人驾驶的飞行器，其包括按照本发明的装置。所述交通工具例如可以是无人机，尤其是飞行无人机(flugdrohne)。然而按照本发明的装置也可以适用于所有其它类型的交通工具，以便向控制交通工具的人或者计算机提供有关交通工具周围的电场的信息，从而使人/计算机可以根据所述信息来控制交通工具。这例如实现了使交通工具不过于靠近(例如由强电流导线产生的)过高的电场，从而避免损坏交通工具。飞行无人机例如能够以此方式无接触地在约70m的距离处探测220kv的强电流导线(交流电的频率：50hz)，并且保持相应的安全距离。

在劳动保护领域可以找到大量其它应用示例。为了向工人警告导电的构件，按照本发明规定一种防护头盔，其包括按照本发明的装置。按照本发明的装置在此可以固定地集成到防护头盔中。

但也可以考虑的是，根据本发明的装置设置用于安装在头盔上，以便借助传统的头盔以简单的方式方法实现按照本发明的防护头盔。这具有的优点在于，原则上可以使用任何头盔并且也可以在需要时更换头盔。

为此例如可以将微机械结构布置在传感器模块中。所述传感器模块可以与头盔的形状适配，以便例如与头盔的区段形状配合地布置在其上。所述区段尤其可以布置在头盔的前部，即在佩戴头盔时布置在使用者的额头附近的区域中。传感器模块可以经由尤其是弹性的带与光电子模块连接，因此传感器模块与光电子模块和所述带能够共同地套在或者绷紧在头盔上，以便固定在所述头盔上。所述带在此可以具有例如形式为至少一条玻璃纤维的光输入器件和光导器件。在光电子模块中(例如借助于发光或激光二极管)产生的光由此能够在一侧输入微机械结构。此外，光导器件可以是光学传感器的部分并且收集微机械结构的对置的一侧上的光，并且例如输入光学传感器的布置在光电子模块中的光电二极管。光电子模块通常具有相应的分析电子器件，以便分析传感器数据。当探测到可能对工人或使用者形成危险的电场时，光电子模块可以发出光学的和/或声学的警告信号，以警告工人或使用者。

类似地，按照本发明规定了一种包括按照本发明的装置的防护手套，以向工人警告带电的构件。

类似地，按照本发明规定了一种包括按照本发明的装置的防护靴，以向工人警告带电的构件。

类似地，按照本发明规定了一种包括按照本发明的装置的防护服，以向工人警告带电的构件。所述防护服例如可以是外套、衬衣或者裤子。

在按照本发明的防护手套或者防护靴或者按照本发明的防护服的情况下，传感器模块、光输入器件和光导器件以及光电子模块能够集成在唯一的构件中，所述构件能够节省位置空间地固定在传统的手套或者靴子或者传统的服装上，以便制造按照本发明的防护手套或者防护靴或者按照本发明的防护服。

按照本发明的装置的其它可能的用途例如为用于警告esd保护(esd：“electrostaticdischarge”，静电放电)中的临界电场强度、尤其是用于保护电子部件和/或用于提供防止粉尘爆炸和气体爆炸的保护。

按照本发明的装置自然一般也允许无接触的、遥控的电势测量或者电压测量。

尤其可以借助按照本发明的装置在大气中、例如为了天气预测在雷雨云中进行现场测量。由此随之实现了风险评估，这例如使得针对机场的使用特别有吸引力。

附图说明

现在根据实施例详细阐述本发明。附图是示例性的并且尽管阐述了发明构思，但绝不会限制所述发明构思或者甚至封闭式地呈现所述发明构思。

在附图中：

图1在俯视图中示出了按照本发明的装置的第一实施方式的微机械结构；

图2在俯视图中示出了按照本发明的装置的第二实施方式的微机械结构，其中，相对于第一实施方式设置有加强元件；

图3示出了图2所示的微机械结构的轴测图；

图4示出了与图3类似的视图，其中，玻璃晶片布置在微机械结构上方，所述玻璃晶片具有施加在其下侧上的结构化的金属层；

图5示出了与图4类似的视图，其中，出于一目了然性的原因未示出玻璃晶片并且只示出了金属层；

图6以侧视图示出了按照本发明的装置的第二实施方式的微机械结构，在所述微机械结构上布置有玻璃晶片；

图7示出了按照图4中的剖切线a-a的剖视图，其中，视线方向是第二方向；

图8示出了与图6类似的视图，其中，附加地构造有布置在玻璃晶片上方的发光二极管以及布置在微机械结构下方的光电二极管；

图9在俯视图中示出了按照本发明的装置的第三实施方式的微机械结构，其中，相对于第二实施方式设置有其它能移动的区段；

图10在俯视图中示出了按照本发明的装置的第四实施方式的微机械结构，其中，电场作用使得所述能移动的区段旋转；

图11在与图5类似的视图中示出了图10所示的微机械结构，其中描绘了施加在玻璃晶片的下侧上的金属层，然而出于一目了然性的原因并未示出玻璃晶片本身；

图12示出了按照本发明的防护头盔作为按照本发明的装置的应用示例。

具体实施方式

图1示出了按照本发明的用于测量电场e的装置的第一实施形式的微机械结构1。所述微机械结构1沿着第一方向x、第二方向y和第三方向z延伸，其中，所述第一方向x、第二方向y和第三方向z彼此相互垂直。在图1的俯视图中，在平行于方向x、y的平面xy中示出了微机械结构1，所述微机械结构1在所述平面xy中具有通常在0.1mm至5mm、优选0.1mm至1mm的范围中的尺寸并且比沿着第三方向z大一个数量级。

在图1至11所示的所有示例中，微机械结构1由硅制成，并且优选基于本身已知的绝缘体上硅(soi)晶片来制造。即微机械结构1由在通常明显高于绝对零点的工作温度中具有传导性的材料构成。尤其可以对硅相应地进行掺杂，以便对于确定的应用情况或者工作温度有针对性地调节传导率。

在图1的实施例中，微机械结构1具有框架区段2和能移动的区段3，其中，所述能移动的区段3与框架区段2导电地并且机械地弹性地连接，并且能够相对于框架区段2移动。在此具体地，框架区段2在图1所示的平面中u形地设计，其中，u形形状的两个平行的边脚4平行于第一方向x延伸。能移动的区段3布置在所述边脚4之间，并且通过基本上平行于第二方向y延伸的板条5与边脚4连接。框架区段2和能移动的区段3在此一体件式地设计。在图1所示的示例中设置有四个板条5，所述板条布置在能移动的区段3的四个角的区域中，其中，所述能移动的区段在平面xy中基本上具有矩形的轮廓，所述轮廓沿着第一方向x的延伸尺寸大于沿着第二方向y的延伸尺寸。能移动的区段3沿着第一方向x突伸出框架区段2。

通过板条5的设计能够有针对性地影响所述能移动的区段3在框架区段2上的机械耦连。板条5尤其可以u形地或回纹形地在平面xy中延伸(未示出)，以便避免在能移动的区段3的平行于第一方向x的偏移/布局变化较大的情况下出现机械的非线性。

微机械结构1这样设计，使得在将所述微机械结构1布置在具有平行于第一方向x的不等于零的第一场强分量ex的电场e中时，实现微机械结构1的电极化，所述电极化在图1中用微机械结构1上的“+”、“-”表明。在图1中只示出了第一场强分量ex或者示出了沿着方向y、z的场强分量为零的情况。

极化导致具有平行于第一方向x的不等于零的第一力分量fx的力f作用在能移动的区段3上。在所示的示例中，方向y、z上的力分量为零。

通过第一力分量fx根据其大小导致能移动的区段3相对于框架区段2的空间布局的变化(未示出)。在所示的示例中，所述变化是能移动的区段3沿着第一方向x的、远离框架区段2地指向的偏移。

如图2和图3所示的按照本发明的装置的第二实施方式的微机械结构1所具有的加强元件那样，可以借助微机械结构1的加强元件6来增大或加强在第一场强分量ex确定的情况下产生的第一力分量fx。加强元件6沿着第一方向x观察布置在能移动的区段3之后。在能移动的区段3和加强元件6之间又布置有间隙7。所述间隙在所示的实施例中具有沿着第一方向x测量的在10μm至50μm的范围中的间隙宽度8。

加强元件6同样由电场e或者由第一场强分量ex极化，这在图2中又通过“+”和“-”表明。载流子在此无法从加强元件6向框架区段2或者甚至向能移动的区段3流动。能移动的区段3因此在间隙7的区域中具有确切地与加强元件6在间隙7的区域中相反的极化。能移动的区段3相应地更强地向加强元件6被吸引或者加强元件6使得第一力分量fx加强。

通过探测器件能够确定能移动的区段3的偏移/布局变化并且之后推断出第一场强分量ex的大小。

在所示的实施例中光学地实现对能移动的区段3的偏移/布局变化的探测，以便尽可能地避免电场e的失真。为了在此提高测量精度，能移动的区段3具有光栅结构9，所述光栅结构由一排矩形的孔10组成，其中，矩形的边平行于方向x、y延伸。孔10的大小相同并且沿着第一方向x前后相继地布置。每个孔10沿着第一方向x具有比沿着第二方向y明显更小的延伸尺寸。

由光栅结构9造成的对沿着第三方向z照射在能移动的区段3上的光的调制在理论上能够用于测量所述能移动的区段3的偏移/布局变化。然而在所示的实施例中，附加地设置有布置在能移动的区段3上方的、与光栅结构9协调适配的固定的光栅结构11。图5示出了针对按照本发明的装置的第二实施例的固定的光栅结构11，所述固定的光栅结构由矩形的金属条14构成，所述金属条14在数量和尺寸上与孔10一致。固定的光栅结构11在所示的实施例中由布置在微机械结构1上方的玻璃晶片12的下侧上的金属层13构成，参见图4。玻璃晶片12并且由此固定的光栅结构11在空间上相对于框架区段2固定。

图6示出了沿着第二方向y的侧视图，由所述侧视图能够得知所述能移动的区段3、金属层13(以及由此固定的光栅结构11)和玻璃晶片12沿着第三方向z的顺序。

图7示出了沿着第二方向y的对应的剖视图，其中，剖切平面穿过图4中的虚线a-a。在所述剖视图中能够看出具有孔10的光栅结构9以及固定的光栅结构11的布置在所述孔10之上的金属条14。

图8示出了沿着第二方向y的侧视图，其中，作为探测器件示出了作为光输入器件的发光二极管15并且示出了作为光学传感器的光电二极管16。所产生的按照本发明的装置的非常紧凑的设计方案立刻清楚地展现出来。

发光二极管15用于将光沿着第三方向z输入固定的光栅11和位于所述固定的光栅下方的具有光栅结构9的能移动的区段3。光电二极管16探测透射穿过光栅结构9、11的光的强度。由于几何方面的设计或者光栅结构9、11的适配，能移动的区段3的最小的偏移/布局变化都能够产生清楚的、能够容易探测到的强度变化，这允许了成本低廉地制造按照本发明的装置。

图9示出了按照本发明的装置的第三实施方式的微机械结构1。在此设置有其它能移动的区段17，所述其它能移动的区段在原则上与所述能移动的区段3完全相同地构造，并且如所述能移动的区段那样通过(在所示的示例中的四个)板条5与框架区段2连接，因此所述其它能移动的区段17能够相对于框架区段2移动。即所述其它能移动的区段17如所述能移动的区段3那样与框架区段2电连接并且机械地弹性耦连在所述框架区段2上，其中，机械耦连的强度的比例是1：1。因此微机械结构1的通常只平移地作用的振动导致产生所述能移动的区段3和所述其它能移动的区段17的相同的偏移/布局变化。

然而与能移动的区段3不同的是，其它能移动的区段17沿着第一方向x观察布置在能移动的区段3前方。加强元件6尤其与所述其它能移动的区段17距离非常远。因此，微机械结构1的在具有第一场强分量ex的电场e中产生的极化产生作用在其它能移动的区段17上的、比作用在能移动的区段3上的第一力分量fx小至少一个数量级的其它第一力分量。所述其它第一力分量在所示的实施例中很小，以至于根本没有将其标注。

其它能移动的区段17的偏移/布局变化因此首先由振动造成。通过确定该偏移并且将其从能移动的区段3的所确定/探测的偏移中减去，能够直接地推断出能移动的区段3的所确定/探测的偏移中的归因于电场e或者第一场强分量ex的部分。

为了确定/探测其它能移动的区段17的偏移/布局变化使用其它探测器件，所述其它探测器件基本上可以是与用于确定/探测能移动的区段3的偏移/布局变化的探测器件相同的探测器件，因此在此不再详细地对其它探测器件进行说明，而是参考与前述设计方案相关的探测器件。然而应当提到的是，如由图9可知，其它能移动的区段17具有其它光栅结构18，所述其它光栅结构在所示的示例中与光栅结构9完全相同地构造。相应地也可以在覆盖两个区段3、17的玻璃晶片12的下侧上的金属层13中设置其它固定的光栅结构(未示出)。

此外，区段3、17(或者固定的光栅结构11、其它固定的光栅结构以及布置在所述固定的光栅结构和其它固定的光栅结构下方的光栅结构9、18)能够通过相同的发光二极管15照明。

透射的光能够被两个光学传感器/光电二极管(未示出)探测或者被布置在区段3、17下方并且在空间上分辨两个区段3、17的一个光学传感器探测。即一个具有两个像素的传感器就足够了，其中，一个像素布置在能移动的区段3下方并且一个像素布置在其它能移动的区段17下方。

在图10中示出了按照本发明的装置的第四实施方式的微机械结构1，所述微机械结构同样允许在存在振动的情况下清楚地测量电场e或者第一场强分量ex。在此充分利用的是，振动通常纯粹平移式地作用。微机械结构1现在这样设计，使得能移动的区段3相对于框架区段2的空间布局的由于第一场强分量ex造成的变化是所述能移动的区段3相对于框架区段2的、在所示的示例中围绕平行于第三方向z的旋转轴的旋转。通过有针对性地确定旋转的布局变化，能够直接推断出第一场强分量ex。

能移动的区段3为此又布置在u形的框架区段2中，其中，所述能移动的区段3具有基本上正方形的轮廓，所述轮廓具有位于xy平面中的边。能移动的区段通过三个板条5既与边脚4连接也与框架区段2的连接所述边脚4的横梁19连接。板条5在此分别关于能移动的区段3的边居中地布置。能移动的区段3的未与框架区段2连接的边20沿着第一方向x突伸出框架区段2。边20平行于第二方向y延伸并且沿着第二方向y观察具有第一半部20a和紧接着的第二半部20b。

沿着第一方向x观察在边20后方布置有加强元件6，然而与图2的实施例不同的是，所述加强元件特殊地成型。这种形状使得加强元件6只在第二半部20b的区域中靠近所述边20。即只在第二半部20b的区域中存在具有间隙宽度8的间隙7。相应地通过加强元件6只在第二半部20b的区域中产生加强的第一力分量fx或者该加强的力分量fx只在第二半部20b的区域中对能移动的区段3产生作用，然而不在第一半部20a的区域中对能移动的区段3产生作用。结果是能移动的区段围绕关于平面xy位于能移动的区段3的中心的旋转轴21旋转，所述旋转在图10中通过弯曲的箭头表明。旋转轴21垂直于xy平面。

为了能够有针对性地探测所述能移动的区段3的偏移/布局变化的旋转的而非平移式的部分，将光栅结构9相应地适配。为此，光栅结构9具体地又具有多个矩形的孔10，然而所述孔关于平面xy星形地在周围围绕能移动的区段3的中心或者在周围围绕旋转轴21布置。换言之，矩形的孔10在周围围绕旋转轴21并且以其更长的边径向向外指向地布置。

固定的光栅结构11也相应地适配，参照图11。光栅结构11仍由金属层13构成，然而现在由金属层中的矩形的孔10构成，所述孔与光栅结构9的矩形孔10大小相同并且相同地定向。

具有发光二极管15和光电二极管16的其它结构与图8所示的结构相同。在光从发光二极管15透射穿过光栅结构11和9时，透射的并且由光电二极管16探测的光的强度相比于光栅结构11和9彼此的平移式布局明显更大程度地取决于所述光栅结构11和9彼此的旋转式布局。平移式的偏移/布局变化由此对于该强度测量是可以忽略的，并且测量到的强度变化基本上是所述能移动的区段3相对于框架区段2的旋转式的偏移/布局变化的量度。相应地，即使在存在振动的情况下，也能够可靠地并且高精度地推断出电场e或者第一场强分量ex。

图12示出了按照本发明的防护头盔22作为按照本发明的装置的应用示例。防护头盔22用于向工人警告带电的构件。在所示的实施例中，按照本发明的装置不是固定地集成在防护头盔22中，而是设置用于安装在传统的头盔27上，以便借助传统的头盔27以简单的方式方法实现按照本发明的防护头盔22。这具有的优点在于，原则上可以使用任意的头盔27，并且也可以根据需要更换头盔27。

在所示的实施例中，微机械结构1布置在传感器模块23中。所述传感器模块23由于具有钩子26而与头盔27的形状适配，所述钩子用于抓握头盔27的边缘28。如图12所示，钩子26或者传感器模块23在此布置在头盔27的前部的区段中、即在佩戴头盔27时位于使用者前额附近的区域中。

传感器模块23通过弹性的带25连接至光电子模块24，其中，所述传感器模块23与光电子模块24和带25共同地套在或者绷紧在头盔27上，以便固定在所述头盔27上。所述带25具有形式为玻璃纤维的光输入器件和光导器件。借助作为光输入器件的至少一条玻璃纤维，能够将例如借助未额外地示出的发光二极管或激光二极管在光电子模块24中产生的光在一侧输入微机械结构1。

所述带25的至少一条玻璃纤维作为光导器件是光学传感器的部分，所述光学传感器在所示的实施例中还包括布置在光电子模块24中的光电二极管(未示出)。微机械结构1的对置侧上的光被所述至少一条玻璃纤维收集并且输入光电二极管。

光电子模块24还包括相应的分析电子器件。在探测到可能对工人或者使用者有危险的电场时，光电子模块24输出光学的和/或声学的警告信号，以便警告所述工人或者使用者。

附图标记列表

1微机械结构

2框架区段

3能移动的区段

4边脚

5板条

6加强元件

7间隙

8间隙宽度

9能移动的区段上的光栅结构

10矩形的孔

11固定的光栅结构

12玻璃晶片

13金属层

14金属条

15发光二极管

16光电二极管

17其它能移动的区段

18其它能移动的区段上的其它光栅结构

19横梁

20能移动的区段的未连接的边

20a边20的第一半部

20b边20的第二半部

21旋转轴

22防护头盔

23传感器模块

24光电子模块

25具有至少一条集成的玻璃纤维的带

26钩子

27头盔

28头盔的边缘

x第一方向

y第二方向

z第三方向

xy平行于第一和第二方向的平面

e电场

ex电场的平行于第一方向的第一场强分量

f力

fx平行于第一方向的第一力分量