Mit dem FIB aufgebaute Spitze mit Größenordnungen im Nanometerbereich.

Forschung am mst

Nanobeschleunigungssensor

Das Projekt ERNST (Entwicklung und Realisierung eines Nanobeschleunigungssensors auf Basis des Tunneleffekts) ist im Bereich der Sensorik angesiedelt. Ziel des Projekts ist eine Reduktion des Flächenbedarfs eines Beschleunigungssensors um den Faktor 100.

Projektstatus: aktuell

Im Zuge des Forschungsprojektes „ERNST“ soll ein Beschleunigungssensor realisiert werden, dessen Flächenbedarf heutige Beschleunigungssensoren um den Faktor 100 unterschreitet. Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgesellschaft (kurz: DFG) gefördert.

Im Wesentlichen besteht ein Beschleunigungssensor aus einer an Federn aufgehängten Masse. Die Auslenkung der Masse wird zur Bestimmung der Beschleunigung herangezogen. Aufgrund der kleinen Strukturgrößen ist die aufgehängte Masse sehr klein, so dass sehr empfindliche Detektoren benötigt werden. Der Tunneleffekt, ein quantenmechanisches Phänomen, welches einen Stromfluss durch einen sehr dünnen Isolator erlaubt, stellt einen solchen Sensor dar. Die Dicke der Tunnelstrecke darf hierbei allerdings nur ca. einen Nanometer betragen. Das Tunneln der Elektronen ist ein hoch sensitiver Vorgang. Kleinste Änderungen des Elektrodenabstandes, weit unter einem Nanometer, führen zur deutlichen Änderung des Stromflusses. Da sich der Strom durch die Tunnelstrecke sehr stark vom Abstand der Tunnelspitzen zueinander ändert und sich der Abstand der Tunnelelektroden nur in einem sehr engen Bereich bewegen soll, ist es sinnvoll durch eine Regelung den Abstand der Tunnelelektroden über einen elektrostatischen Aktor konstant zu halten. Aus der Regelgröße kann dann die gemessene Beschleunigung ermittelt werden.

Prinzipschaubild des Nanobeschleunigungssensors, FA = Kraft durch Beschleunigung, FE = Elektrostatische Kraft. (c)
Prinzipschaubild des Nanobeschleunigungssensors, FA = Kraft durch Beschleunigung, FE = Elektrostatische Kraft.

Die Kantenlänge der Sensorstruktur soll auf einige 10 µm miniaturisiert werden. Das entspricht in etwa dem Durchmesser eines menschlichen Kopfhaares. Die Auswertung von Beschleunigungen mittels eines Tunnelsensors wurde bereits in der Vergangenheit umgesetzt. Das Ziel damals war jedoch möglichst empfindliche Sensoren (großer Sensor, große Masse) zu bauen und nicht das Bauelement möglichst klein zu gestalten. Besondere Herausforderungen bei der Durchführung des Projektes bestehen in der sehr geringen Auslenkung im Subangströmbereich (Angström = 0.1 Nanometer) der extrem geringen Masse und der dadurch hohen Eigenfrequenzen von über 100 KHz. Des Weiteren müssen die sehr geringen Tunnelströme (Piko- bis Nanoampere) bei hohen Frequenzen im Bereich von 1010-fach verstärkt werden. Dabei spielt das Signalrauschen sowie elektromagnetische Störungen eine wichtige Rolle, da diese das Sensorsignal überlagern. Die Erarbeitung eines geeigneten Regelkonzeptes und Auswahl der Teilkomponenten, wie beispielsweise den Verstärker für den Tunnelstrom, stellen somit einen grundlegenden Aspekt der Forschungsaufgabe dar. Der Sensor auf Basis des Tunneleffektes soll außerdem erstmals die Beschleunigung in mehreren Richtungen messen können. Das Sensorkonzept bietet die Möglichkeit, die elektronische Schaltung zur Regelung des Tunnelstroms monolithisch mit der Sensorstruktur auf einem Chip zu integrieren. In Kombination mit einer monolithischen Integration wird erwartet, dass die drastische Miniaturisierung des neuen Konzeptes zu einer weiteren deutlicheren Verbesserung und Kostenreduktion bei Beschleunigungssensoren führt. In diesem Projekt ist aber noch keine monolithische Integration vorgesehen. Die erforderlichen elektronischen Schaltungen sollen diskret aufgebaut werden.

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme von Türmen, die mit einem FIB abgeschieden wurden. (c)
Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme von Türmen, die mit einem FIB abgeschieden worden sind.

Die meisten Sensoren werden mit der Technologien der Oberflächenmikromechanik gefertigt. Durch die Verwendung von sogenannten Opferschichten können dadurch auch freistehende Strukturen wie zum Beispiel der Balken, der als Federelement verwendet wird, hergestellt werden. Der Sensor wird entsprechend dem Entwurf mit einem Foundry Service gefertigt. Nach Herstellung der Grundstruktur des Sensors werden die Tunnelstrecken mit dem „Focused Ion Beam“-Verfahren erzeugt.

Das Ziel des Forschungsvorhaben ist die Entwicklung und Charakterisierung eines Funktionsmusters des Beschleunigungssensors auf Basis des Tunneleffekts mit dem Fokus auf maximal mögliche Miniaturisierung. Hierbei stellt die Ermittlung aller Randbedinungen, Einflüsse begrenzender physikalischer Größen und technologischer Grenzen die wesentliche Grundlage dar.