Hybride micromechanische Sensoren für Verschiebung und Beschleunigung

Ziel des Projektes ist die Entwicklung von neuartigen, leichten, miniaturisierten Sensoren zur hochgenauen Lage- bzw. hochsensitiven Beschleunigungsbestimmung auf Basis von optomechanischen Wandlungsprinzipen. Dabei wird das von einer LED emittierte Licht durch relative Verschiebung eines (im Ruhezustand deckungsgleich positionierten) mikromechanischen Blendenpaars in seiner Intensität moduliert und mit einem Photodetektor gemessen. Eine Blende ist federnd gelagert mit einer beweglichen Masse verbunden und die andere starr. Vorarbeiten zeigen, dass mit diesem Verfahren Sensitivitäten bezüglich der Lage im Subpikometerbereich möglich sind. Wird die flexible Blende von Inertialkräften bewegt, so lässt sich auf diese Weise ein Beschleunigungssensor realisieren. Weiters lässt sich die Übertragungcharakteristik dieses Hybridsystems durch geeignet gewählte Blendenparameter wie Geometrie und Ausführungsform optimieren. Sie reichen von einfachen Öffnungen über rechteckförmige Arrays bis hin zu komplexen Strukturen wie etwa Fresnellinsen. Diese große Anzahl an Freiheitsgraden demonstriert einerseits die Flexibilität des Verfahrens und eröffnet andererseits die Möglichkeit für eine Vielzahl von neuartigen Anwendungsgebieten. Zur Untersuchung des Potentials der vorgeschlagenen Technologie, vor allem im Hinblick auf den Stand der Technik, eignen sich Inertialsensoren ganz besonders. Optional werden kapazitive Aktuatoren zur beweglichen Blende integriert, wodurch eine Lageregelung ermöglicht wird, die den Dynamikbereich von Inertialsensoren erweitert. Zusätzlich ergibt sich die Möglichkeit einer Funktionsprüfung durch Selbsttests sowie zur hochauflösenden Kalibrierung der optoelektronischen Konversion von Verschiebung in Intensitätssignal. Im Rahmen des Projekts sollen folgende Sensortypen realisiert werden: Erstens lineare (1D) Lageaufnehmer bzw. Inertialsensoren basierend auf einer Rasterstruktur mit einer Gitterperiode von wenigen m und mit einer Lageauflösung von zumindest 1 pm/sqrt(Hz) bzw. 1 g (bei einer Bandbreite von etwa 1 kHz). Zweitens ein 2D-Positionierungssystem mit vergleichbarer Ortsauflösung bestehend aus Fresnellinsen in Kombination mit kreisförmigen Aperturen. Drittens durch Verbindung von geeignet gestalteten Blenden und MEMS-Komponenten soll ein frequenz- und amplitudenselektiver Schwellwertdetektor für Vibrationen realisiert werden. Die Projektarbeiten umfassen die Fertigung der vorgeschlagenen mikromechanischen Strukturen und Entwicklung von adäquaten Prozessschritten. Große Herausforderungen liegen in der exakten Positionierung während dem Verbinden der Strukturen und der Herstellung von dünnen Metallschichten. Bezüglich der Charakterisierung der Devices ist eine gründliche Untersuchung der mechanischen Übertragungsfunktion von den Mikrostrukturen notwendig. Außerdem müssen die Abhängigkeit von verschiedenen Wellenlängen auf die Modulationscharakteristik und der Einfluss von nicht vollständig kohärenten Lichtwellen auf die Effizienz des Sensorprinzips geklärt werden. Auch der Einfluss von unerwünschten Reflektionen und mechanischem bzw. elektrischen Rauschen auf die Auflösungsgrenze wird im Zuge des Projektes für weitere Verbesserungen der Auflösung untersucht.

Inertialsensoren finden in verschiedensten Bereichen Anwendung. Die Messung von Bewegungen und Beschleunigungen ist für Smartphones und Unterhaltungselektronik ebenso relevant wie für die Überwachung von Brücken oder Gebäuden. Darüber hinaus werden derartige Sensoren seit Jahrzehnten in der Automobilindustrie für sicherheitsrelevante Anwendungen angesetzt. Der Großteil der kommerziell erhältlichen Inertialsensoren nutzt kapazitive Messmethoden, die jedoch rasch an massive technologische Grenzen stoßen, wenn die Empfindlichkeit signifikant erhöht werden soll. Im Rahmen des Projekts wurden neue, kompakte optomechanische Sensorprinzipien untersucht, die auf der Intensitätsmodulation von Licht durch die Relativbewegung eines mikromechanischen Blendenpaars beruhen. Eine dieser Blenden ist feststehend, die andere besteht aus Löchern in einer federnd aufgehängten Masse aus Silizium, die durch von außen einwirkende Kräfte ausgelenkt wird. Das Licht stammt von einer LED, passiert die beiden Blenden und trifft auf einen Fotodetektor. Die Bewegung der Blenden verändert den Lichtfluss, diese Änderung ist daher ein Maß für die Verschiebung. Durch die optische Auslesung ergibt sich außerdem eine elektrische Trennung von Krafteinbringung und Auswertung der Sensorsignale, wodurch die Auswertung rückwirkungsfrei geschieht. Im Projekt wurden neben grundsätzlichen technologischen Fragestellungen auch die erreichbare Empfindlichkeit sowie der Gestaltungsspielraum durch die Formgebung der Blenden untersucht. Trotz der Verwendung von kostengünstigen optoelektronischen Komponenten wurden in den Experimenten Verschiebewege von einigen Mikrometern und Auflösungen von unter einem Pikometer für einen Messwert pro Sekunde erreicht, was im Fall des Inertialsensors einer Beschleunigung von unter einem 1 ?g entspricht. Trotz dieser exzellenten Ergebnisse zeigten die Experimente, dass die Messmethode hinsichtlich der Auflösung durchaus noch Steigerungspotential hat. Neben Beschleunigungen kann die Methode auch auf die Messung aller anderen physikalischen Größen angewendet werden, die sich in eine räumliche Auslenkung übersetzen lassen. Dazu gehören Gravitation, elektrische und magnetische Kräfte, aber auch Druck oder durch Temperaturunterschiede hervorgerufene Ausdehnung von Materialien. Die möglichen Anwendungen sind daher vielfältig.