Sensorentwicklung im luftleeren Raum

In Digitalkameras, Handys und Spielekonsolen kommen sie zum Einsatz, in Fahrzeugen überwachen sie das Kurvenverhalten – Drehratesensoren, für deren Entwicklung mikrotechnische Untersuchungen im luftleeren Raum nötig sind.

An der Professur für Mikrosystem- und Gerätetechnik der TU Chemnitz steht nun ein Messsystem zur Verfügung, mit dem das Bewegungsverhalten von Mikrostrukturen auch im Vakuum untersucht werden kann.

„Das neue System, finanziert durch das Hochschulbauförderungsgesetz, gehört zum Besten, was die Analysetechnik für Mikrosysteme gegenwärtig zu bieten hat“, schätzt Prof. Dr. Jan Mehner, Inhaber der Professur, ein. Das Messsystem besteht aus einem so genannten Micro System Analyzer der Firma Polytec und einer dafür speziell angepassten Vakuum-Kammer der Firma SÜSS MicroTec.

Untersuchungen im Vakuum sind für moderne Mikrosysteme notwendig, bei denen bewegliche Siliziumstrukturen in einem luftdicht verkappten Gehäuse bei vermindertem Druck betrieben werden. Diese Gehäusetechnologien kommen insbesondere für Sensoren zum Einsatz, bei denen das miniaturisierte Wandlerelement ein in Resonanz schwingendes Feder-Masse-System ist. Bei normalem Luftdruck liegt die Resonanzverstärkung der Schwingungsamplituden zwischen 10 und 100.

Gelingt es, den Druck im Gehäuse langzeitstabil auf Werte unter einem Millibar abzusenken, kann die Resonanzverstärkung der Siliziumschwinger um den Faktor 100 erhöht werden. Dadurch werden die Signale und damit die Empfindlichkeit der Sensoren deutlich verbessert. Dank dieser Technologie wurde es beispielsweise möglich, große und teure Kreiselsysteme, so genannte Gyroskope, die zur Navigation in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden, soweit zu verkleinern, dass sie als mikromechanische Lösung in einem elektronischen Bauelement Platz finden.

Bei diesen als Drehratesensoren bekannten Bauelementen wird die Resonanzverstärkung genutzt, um die extrem kleinen Corioliskräfte zur Messung der Winkelgeschwindigkeit und damit für die Richtungserkennung nutzbar zu machen. An der Entwicklung solcher Sensoren ist die Professur für Mikrosystem- und Gerätetechnik der TU Chemnitz seit Jahren beteiligt. Miniaturisierte Drehratesensoren sind heute in nahezu allen Kraftfahrzeugen zu finden: Als elektronische Stabilitätskontrolle (ESP) überwachen sie das Fahrverhalten in Kurven und tragen so zur Unfallvermeidung bei. Außerdem werden solche Mikrosysteme immer mehr für Konsumgüter entwickelt. Typische Anwendungen sind Bildstabilisatoren für Digitalkameras, Mikroschwenkspiegel für zukünftige Projektionssysteme in Handys oder Sensoren zur Bewegungserkennung in Spielekonsolen.

„Die Auflösung unseres neu installierten Messsystems ist bemerkenswert. Bewegungsamplituden von wenigen Nanometern können selbst bei Frequenzen bis in den Megahertzbereich gemessen werden“, berichtet Mehner und ergänzt: „Die Kombination zweier Messverfahren für vertikale und horizontale Bewegungen in einem Gerät ermöglicht erstmals eine numerische Rekonstruktion der tatsächlichen dreidimensionalen Schwingungen der winzigen Formelemente bei verschiedenen Druck- und Temperaturbedingungen.“ An der Professur für Mikrosystem- und Gerätetechnik wird es dadurch möglich, das theoretisch berechnete Verhalten von Mikrosensoren experimentell zu überprüfen und Simulationsergebnisse zu bestätigen. Geplant sind zukünftig Forschungsarbeiten zu den verschiedenen Dämpfungsmechanismen von Mikrostrukturen im Vakuum. „Ab 2009 wird sich ein Doktorand mit diesem Thema beschäftigen. Sensorhersteller und Anwender haben schon jetzt großes Interesse an den Ergebnissen dieser Arbeiten bekundet und finanzieren einen Teil der Forschungsleistungen“, freut sich Mehner.

Weitere Informationen erteilt Prof. Dr. Jan Mehner, Telefon 0371 531-24430, E-Mail jan.mehner@etit.tu-chemnitz.de