Entwicklung und Realisierung eines Nanobeschleunigungssensors auf der Basis des Tunneleffektes

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. André Zimmermann, seit 4/2019
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 321474168

Der Zwang zur weiteren Kostenreduzierung bei Mikrosensoren führt zu deren ständiger Verkleinerung. Mit der etablierten Oberflächenmikromechanik und dem kapazitiven Detektionsprinzip stößt man derzeit an die Grenzen der Miniaturisierbarkeit. Eine weitere Miniaturisierung ist nur mit einem empfindlicheren Messprinzip wie dem Tunneleffekt möglich. Im Gegensatz zu bisherigen Entwicklungen von Beschleunigungssensoren mit einer Tunnelstrecke, welche als Ziel die Reduzierung der Auflösungsgrenze bis in den Bereich unter 1 mikro-g hatten, wird in diesem Projekt der Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung zum ersten Mal auf die Miniaturisierung der Sensorstruktur bis an die Grenzen des theoretisch und technologisch Machbaren gelegt. Der Flächenbedarf der Sensorstruktur soll soweit verkleinert werden, bis die Auflösung des Sensors bei hoher Dynamik von mehreren kHz durch das thermische Rauschen des Feder-Masse-Systems im Bereich der heutigen Beschleunigungssensoren von einigen Promille des Nennbereichs begrenzt wird. Im Projekt werden neue Konzepte für Beschleunigungssensoren mit Tunnelstrecken erforscht und optimiert, welche eine Reduzierung der Fläche heutiger Sensorstrukturen um 2 bis 3 Größenordnungen auf einige 10 mikro-m mal 10 mikro-m ermöglichen. Außerdem werden erstmals mehrere Tunnelelektroden und Aktuatoren zu deren Regelung verwendet, um Querempfindlichkeiten zu reduzieren und die Beschleunigung in zwei Richtungen zu messen.Die technologische Realisierung einer Sensorstruktur für einen Messbereich von ±1g erfolgt mit dem kommerziellen PolyMumps-Foundryprozesses von MEMSCAP Inc., in die nachträglich zum ersten Mal mit einem Focused Ion Beam eine oder mehrere Tunnelstrecken geschrieben werden. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt deshalb in der Mikro-/Nanointegration, d.h. in der Entwicklung von Abscheide- und Strukturierungsprozessen mit einem Focused Ion Beam, welche als Backendprozesse zur Herstellung von Tunnelstrecken und zur Nachbearbeitung der Biegebalken des Feder-Masse-Systems aus Polysilizium in den Gesamtprozess integriert werden. Die Nachbearbeitung der Oberflächenmikromechanikstruktur des PolyMumps-Foundryprozesses ermöglicht den Flächenbedarf der Sensorstruktur nochmals deutlich zu reduzieren, und damit an die Grenzen des Miniaturisierungspotentials mit dem betrachteten Konzept zu gehen. Im Projekt werden einerseits die theoretischen Grundlagen zur Ermittlung der Grenzen der Miniaturisierung und zur Auslegung des betrachteten Konzeptes einschließlich einer elektronischen Regelung ermittelt. Anrerseits werden bei der technologischen Realisierung des neuen Konzeptes verschiedene Technologien kombiniert und dabei die Grenzen des technologisch Machbaren erforscht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hermann Sandmaier, bis 3/2019