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Entwurf und Aufbau von Beschleunigungssensoren mit Mikro-Nagel-Strukturen

Eberhardt, Johannes :
Entwurf und Aufbau von Beschleunigungssensoren mit Mikro-Nagel-Strukturen.
Technische Universität Darmstadt
[Diplom- oder Magisterarbeit], (2010)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

Diese Arbeit beschreibt das Entwickeln und die Fertigung von neuartigen Beschleunigungssensoren. Im Vergleich zu konventionellen Beschleunigungssensoren besteht das Feder-Masse-System nicht aus Silizium, sondern aus einer metallischen Mikro-Nagel-Struktur. Diese Struktur setzt sich aus einem zylindrischen Draht (Radius rD, Länge lD) und einem quaderförmigen Massekopf (Länge lM, Höhe hM) aus Kupfer zusammen.

Mit einem UV-Lithographie-Galvanoformung-Prozess, kurz UV-LiG, wird der Draht senkrecht auf einem Substrat hergestellt. An dessen Spitze ist die Masse prozessiert. Unterhalb dieser Masse befindet sich im Abstand d0 links und rechts neben dem Draht je eine quaderförmige Gegenelektrode. Eine Beschleunigung des Systems bewirkt, aufgrund der Trägheit der Masse und der Elastizität des Drahtes, eine Auslenkung ξz der Masse gegenüber den beiden Elektroden. Die Masse dient als Mittelelektrode und die Abstandsänderung kann differentiell kapazitiv erfasst werden. Die Auswertung findet mit der Elektronik AD7746 statt. Sie bietet eine Auflösung von 4fF in einem Bereich von ±4pF.

Vorversuche im Mikrotechniklabor des Institutes für Elektromechanische Konstruktionen weisen die Grenzen der Herstellbarkeit von Mikro-Nagel-Strukturen auf. Die minimale laterale Auflösung des UV-LiG-Prozesses für eine 400 µm dicke AZ 125nXT Photolackschicht liegt bei 30µm. Mit dem Photolack AZ 15nXT lässt sich eine minimale Opferschichtdicke von 3µm herstellen.

Sechs Parametersätze werden ausgearbeitet, davon sind der mit der kleinsten und größten Sensorabmessung in der Tabelle dargestellt. Mit den entwickelten Sensoren ist es möglich laterale 1D-Beschleunigungen von ±10g zu detektieren. Bei 1g Beschleunigung tritt eine Kapazitätsänderung im dreistelligen fF-Bereich auf. Die Stabilität des Drahtes wird über den ersten eulerischen Knickfall abgeschätzt. Die entstehende Kraft Fz bleibt bei 1g Beschleunigung in z-Richtung mehr als drei Zehnerpotenzen unter der Knicklast FK.

Kenndaten für zwei ausgewählte Parametersätze für lD = 320µm, hM = 400µm, a =1g

Parametersatz:

1. rD = 15µm, d0 = 3µm:

lM [µm].....ξz [nm].....Fz [mN].........FK [mN].......ΔC [[fF].......C0 [fF]

1112,30.....300..........43,50•10-3.....124,36..........179,22........1546,47

6. rD = 25µm, d0 = 6µm:

2769,26.....600..........269,63•10-3....959,54..........556,01........5270,06

Der Sensor besteht aus vier Schichten, die in zwei Teilprozessen gefertigt werden. Prozess 1 besteht aus dem Strukturieren einer galvanischen Startschicht und dem Herstellen der Draht und Elektrodenstrukturen. Prozess 2 setzt sich aus dem Herstellen einer Opferschicht und dem Prozessieren der Masse zusammen. Beide Prozesse sind fertig ausgearbeitet und erfolgreich durchgeführt. Das Zusammenführen der beiden Teilprozesse und damit das Prozessieren des Gesamtsystems steht noch aus.

Für eine Charakterisierung müssen die Sensoren vereinzelt und unter Schutzgasatmosphäre gehäust werden. Die Anforderungen, die aus den beiden Prozeduren abgeleitet werden, sind mit in dem Sensordesign berücksichtigt. Eine Probesägung und eine Probehäusung wird von externen Kooperationspartnern erfolgreich durchgeführt.

Typ des Eintrags: Diplom- oder Magisterarbeit
Erschienen: 2010
Autor(en): Eberhardt, Johannes
Titel: Entwurf und Aufbau von Beschleunigungssensoren mit Mikro-Nagel-Strukturen
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

Diese Arbeit beschreibt das Entwickeln und die Fertigung von neuartigen Beschleunigungssensoren. Im Vergleich zu konventionellen Beschleunigungssensoren besteht das Feder-Masse-System nicht aus Silizium, sondern aus einer metallischen Mikro-Nagel-Struktur. Diese Struktur setzt sich aus einem zylindrischen Draht (Radius rD, Länge lD) und einem quaderförmigen Massekopf (Länge lM, Höhe hM) aus Kupfer zusammen.

Mit einem UV-Lithographie-Galvanoformung-Prozess, kurz UV-LiG, wird der Draht senkrecht auf einem Substrat hergestellt. An dessen Spitze ist die Masse prozessiert. Unterhalb dieser Masse befindet sich im Abstand d0 links und rechts neben dem Draht je eine quaderförmige Gegenelektrode. Eine Beschleunigung des Systems bewirkt, aufgrund der Trägheit der Masse und der Elastizität des Drahtes, eine Auslenkung ξz der Masse gegenüber den beiden Elektroden. Die Masse dient als Mittelelektrode und die Abstandsänderung kann differentiell kapazitiv erfasst werden. Die Auswertung findet mit der Elektronik AD7746 statt. Sie bietet eine Auflösung von 4fF in einem Bereich von ±4pF.

Vorversuche im Mikrotechniklabor des Institutes für Elektromechanische Konstruktionen weisen die Grenzen der Herstellbarkeit von Mikro-Nagel-Strukturen auf. Die minimale laterale Auflösung des UV-LiG-Prozesses für eine 400 µm dicke AZ 125nXT Photolackschicht liegt bei 30µm. Mit dem Photolack AZ 15nXT lässt sich eine minimale Opferschichtdicke von 3µm herstellen.

Sechs Parametersätze werden ausgearbeitet, davon sind der mit der kleinsten und größten Sensorabmessung in der Tabelle dargestellt. Mit den entwickelten Sensoren ist es möglich laterale 1D-Beschleunigungen von ±10g zu detektieren. Bei 1g Beschleunigung tritt eine Kapazitätsänderung im dreistelligen fF-Bereich auf. Die Stabilität des Drahtes wird über den ersten eulerischen Knickfall abgeschätzt. Die entstehende Kraft Fz bleibt bei 1g Beschleunigung in z-Richtung mehr als drei Zehnerpotenzen unter der Knicklast FK.

Kenndaten für zwei ausgewählte Parametersätze für lD = 320µm, hM = 400µm, a =1g

Parametersatz:

1. rD = 15µm, d0 = 3µm:

lM [µm].....ξz [nm].....Fz [mN].........FK [mN].......ΔC [[fF].......C0 [fF]

1112,30.....300..........43,50•10-3.....124,36..........179,22........1546,47

6. rD = 25µm, d0 = 6µm:

2769,26.....600..........269,63•10-3....959,54..........556,01........5270,06

Der Sensor besteht aus vier Schichten, die in zwei Teilprozessen gefertigt werden. Prozess 1 besteht aus dem Strukturieren einer galvanischen Startschicht und dem Herstellen der Draht und Elektrodenstrukturen. Prozess 2 setzt sich aus dem Herstellen einer Opferschicht und dem Prozessieren der Masse zusammen. Beide Prozesse sind fertig ausgearbeitet und erfolgreich durchgeführt. Das Zusammenführen der beiden Teilprozesse und damit das Prozessieren des Gesamtsystems steht noch aus.

Für eine Charakterisierung müssen die Sensoren vereinzelt und unter Schutzgasatmosphäre gehäust werden. Die Anforderungen, die aus den beiden Prozeduren abgeleitet werden, sind mit in dem Sensordesign berücksichtigt. Eine Probesägung und eine Probehäusung wird von externen Kooperationspartnern erfolgreich durchgeführt.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Beschleunigungsaufnehmer, Biegebalken, Biegeelement Berechnung, LIGA Lithografie Galvanoformen, Mikronagel
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme
Hinterlegungsdatum: 31 Aug 2011 10:22
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKD 1741

Art der Arbeit: Diplomarbeit

Beginn Datum: 15-03-2010

Ende Datum: 22-09-2010

Querverweis: keiner

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

ID-Nummer: 17/24 EMKD 1741
Gutachter / Prüfer: Greiner, Dipl.-Ing. Felix ; Schlaak, Prof. Dr.- Helmut Friedrich
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