MEMS Magnetfeldsensor mit integrierter Signalumsetzung

Ein integrierter Sensor soll hergestellt und untersucht werden, der Magnetfelder auf Grund ihrer Kraftwirkung auf wechselstromdurchflossene Leiter nachweist. Bei sinusförmigem Strom hat diese sogenannte Lorentz-Kraft ebenfalls zeitlich harmonischen Verlauf. Die wechselnde Lorentz-Kraft wird auf einen mikromechanischen Balken übertragen, der aus einkristallinem Silizium besteht und den elektrischen Leiter trägt. Auf Grund der hohen mechanischen Güte dieses Balkens erzielt man bei resonanter Anregung schon mit sehr geringen Kräften registrierbare Schwingungsamplituden. Diese oszillierende Balkenbewegung soll nun berührungslos mit Hilfe von miniaturisierten Elektroden abgetastet und mit Hilfe einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung in ein elektrisches Signal gewandelt werden. Mit speziell geformten mechanischen Resonatoren und passend angeordneten Mikroelektroden können so orthogonale Komponenten des Magnetfeldes voneinander unabhängig gemessen werden. Auf Grund von Vorversuchen wird erwartet, dass mit der Kombination aus magneto-mechanischem Wandlungsprinzip und kapazitiver Abtastung sehr hohe Empfindlichkeiten erreicht werden können. Die prognostizierte Spitzenempfindlichkeit reicht aus um das Magnetfeld der Erde mit guter Genauigkeit zu messen. Die zu entwickelnde integrierte Schaltung erzeugt zusätzlich zum Wechselstrom auch die für die kapazitive Abtastung erforderlichen Spannungen. Sie verarbeitet weiters die kapazitiv abgetasteten Signale zur gewünschten Betrags- und Richtungsinformation. Durch Regelung des Wechselstromes soll die Messschaltung die Amplitude der mechanischen Schwingung über einen weiten Flussdichtebereich konstant halten können. Damit kann die Empfindlichkeit des Wandlers entsprechend der Magnetfeldstärke adaptiert werden, wodurch ein sehr weiter Messbereich von etwa sieben Größenordnungen erreichbar ist. Der mikromechanische Teil kann an einer passenden Stelle der integrierten Schaltung montiert werden, wodurch sehr kompakte Magnetfeldsensoren mit hoher Empfindlichkeit realisierbar werden, die Betrag und Richtung des Flussdichtevektors anzeigen. In diesem Projekt sollen die grundlegenden Probleme, die aus der Verschmelzung der magneto-mechanischen Wandlung, der kapazitiven Abtastung und der integrierten Signalverarbeitung zu einem System resultieren mit wissenschaftlichen Methoden gelöst werden.

Ein neuartiges Magnetometer aus mikrobearbeitetem Silizium zum Erfassen von statischen und wechselnden Magnetfeldern wurde entwickelt und untersucht. Diese Vorrichtungen bestehen aus meist U-förmigen Miniatur-Kragbalken aus kristallinem Silizium, die einen dünnen Leiter für elektrischen Wechselstrom tragen. Dieser Cantilever bildet mit DünnfilmElektroden, die in einem präzisen Abstand angebracht werden, eine durch Vibrationen variierende Kapazität. Bewegungen des Auslegers sind so bequem mit einer elektronischen Schaltung detektierbar. Jedes statische Magnetfeld ruft eine Kraft auf stromführende Leiter hervor, und im Falle eines Wechselstroms alterniert sie entsprechend der Frequenz des Stromes. Sie ist nach H.A. benannt Lorentz, einem der Pioniere des Elektromagnetismus benannt und wirkt senkrecht zu den Richtungen von Magnetfeld und Strom. Die Kenntnis der Stromstärke vorausgesetzt, ist die Auslenkungen des Balkens ein Maß für die Komponente der magnetischen Flussdichte, die senkrecht zu dem Strom zeigt. Durch das Ändern der Stromstärke, kann die Empfindlichkeit des Magnetometers angepasst werden, wodurch mit einem Balken mehr als sechs Größenordnungen der Feldstärke messbar sind. Die höchsten Schwingungsamplituden sind natürlich in der Nähe der Resonanzfrequenzen des mikrobearbeiteten Struktur zu erwarten. Welche Resonanzmoden angeregt werden können, hängt von der Konfiguration des Feldes, der Frequenz des Stromes, der Formgebung der resonanten Struktur ab. In den Experimenten, wurde der Schwerpunkt auf der Untersuchung des ersten symmetrischen, des ersten antisymmetrischen und dem zweiten symmetrischen Schwingungsmodus gelegt. Die resonante Anhebung von Schwingungsamplituden wird durch die Güte, die im Vakuum leicht über einen Wert von 10000 steigt, ausgedrückt. Bei Normaldruck sind jedoch Werte von der Größenordnung von 100 typisch, was ein Hinweis auf die große Bedeutung der Gasreibung ist. Physikalische Modelle der Gasreibung, die für einen weiten Druckbereich Gültigkeit haben, zu erstellen ist eine äußerst komplexe Aufgabe, die auf der Grundlage einer umfassenden experimentellen Studie für Drücke vom 10-7 fachen bis zum 10 fachen des Normaldrucks durchgeführt wurde. Signifikante Verbesserungen des Standes der Technik wurden in dem Druck-Regime, wo die mittlere kollisionsfreie Weglänge der Gasteilchen das 0,02 bis 10-fache des charakteristischen Abstands der mechanischen Anordnung misst, erzielt. Zusätzlich zur kapazitiven Abtastung der Magnetfeld-induzierten Vibrationen des Balkens wurde dessen Bewegung auch mit einem Laser-Doppler-Vibrometer abgetastet. Die erreichten Auflösungen für Magnetfelder reichte je nach Anordnung bis zu 0,3 des Erdmagnetfeldes. Ein bisher unbekannter Störeffekt, welcher durch die Auslese-Kapazitäten in Verbindung mit dem elektrischen Widerstand der Stromzuführung auf dem Ausleger induziert wird, wurde entdeckt. Dieses komplexe Zusammenspiel wurde im Detail untersucht da dieser Effekt die erzielbare Auflösung in bestimmten Fällen stark einschränken kann.