Entwicklung und Realisierung eines Nanobeschleunigungssensors auf der Basis des Tunneleffektes
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die weitere Miniaturisierung von Beschleunigungssensoren stößt unter Verwendung herkömmlicher Wandlerprinzipien aufgrund der Gesetze der Skalierung bei einer isometrischen Verkleinerung der Sensorstrukturen an ihre Grenzen. In diesem Projekt wurde das Miniaturisierungspotential von Beschleunigungssensoren durch den Einsatz einer hochsensitiven Tunnelstrecke untersucht. Die theoretische Auslegung der Sensorstrukturen bedurfte einer eingehenden Analyse der Zusammenhänge zwischen Tunneleffekt, geometrischer Form und Größe der Feder-Masse-Strukturen sowie Parameter der elektrostatischen Aktorik. Ein entscheidender Aspekt bezüglich der Tunnelstrecke waren insbesondere die anziehenden Kräfte zwischen den Tunnelelektroden in Abhängigkeit von der geometrischen Form der Elektroden und der angelegten Tunnelspannung. Die Implementierung der Tunnelelektroden erfolgte nach Herstellung der Sensorstrukturen mittels dem Foundry Service PolyMUMPs von MEMSCAP Inc. durch den Einsatz eines Focused Ion Beam (Ga+) und der Abscheidung von metallorganischem Precursormaterial (MeCpPtMe3) mit einem Gas-Injection-System. Dies führte zu großen Herausforderungen: Zum einen musste ein Prozess entwickelt werden, um Elektrodenspitzen weniger nm im Radius zu generieren. Zum anderen bedurfte es einer Analyse des metallorganischen Gefüges sowie geeigneter Parameter des FIB, um die Tauglichkeit der Elektroden für den Tunneleffekt sicherzustellen. Dies zeigte die Notwendigkeit hoher Blendenströme (260 pA, 30 kV) für einen erhöhten Platinanteil im Gefüge sowie eine homogene Verteilung der Platinkörner. Es wurden Elektrodenspitzen mit Radien bis 5 nm hergestellt und initiale Elektrodenabstände von etwa 30 nm bis 300 nm erreicht. Dies entspricht je nach Größe der elektrostatischen Aktoren Betriebsspannungen im Bereich von 2.4 bis 13.5 V. Der Tunneleffekt konnte bei Tunnelspannungen von 200 mV bis 1 V nachgewiesen werden. Zum einen erfolgte dies durch die Abbildung einer HOPG-Probe in einem Rastertunnelmikroskop mittels hergestellter Platinkohlenstoff-Spitzen und zum anderen im direkten Einsatz an der Sensorstruktur. Es wurde eine Vielzahl unterschiedlicher Feder-Masse-Strukturen (Geometrie, Messbereich, Empfindlichkeit) umgesetzt. Entsprechend dem Ziel der Arbeit wurden Strukturgrößen weniger 10x10 µm2 erreicht. Die Steifigkeit der Strukturen ist durch die anziehenden Kräfte an den Tunnelelektroden begrenzt. Abweichend vom ursprünglichen Ziel (Messbereich ± 1 g) wurden Messbereiche weniger 1 g bis einiger 10 g realisiert. Die messtechnische Charakterisierung zeigte die exponentielle Abhängigkeit zwischen Tunnelstrom und Elektrodenabstand. Durch die steigende Sensitivität des Tunneleffekts nimmt das Signalrauschen mit Verkürzung des Tunnelabstandes zu. Unter Verwendung der metallorganischen Elektroden lassen sich je nach Tunnelspannung Ströme bis 150 pA zuverlässig messen. Die Begrenzung ist auf den hohen Materialwiderstand der Elektroden zurückzuführen, insbesondere aufgrund der Spitzenradien weniger nm. Durch die Nutzung von Selbsttestaktorik konnten die Sensorstrukturen mit einer äquivalenten Beschleunigung belastet bzw. angeregt und auf diese Weise die beschleunigungssensitive Funktion nachgewiesen werden. Aus den Forschungsergebnissen folgt die wesentliche Anforderung nach metallisch „reineren“ Materialien, da der dem Tunnelstrom äquivalente Messbereich (einige 10 nA) durch die metallorganischen Materialien maßgeblich begrenzt wird. Für den Betrieb unter atmosphärischen Bedingungen muss außerdem eine Verkapselung der Sensorstrukturen erfolgen, um Verunreinigungen der Elektrodenspitzen zu verhindern. In Bezug auf frühere Publikationen zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass anstelle der Erhöhung der Sensorauflösung, der hochempfindliche Tunneleffekt auch zur deutlichen Miniaturisierung der benötigten Sensorfläche genutzt werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Development and Proof of Concept of a Miniaturized MEMS Quantum Tunneling Accelerometer Based on PtC Tips by Focused Ion Beam 3D Nano-Patterning. Sensors 2021, 21, 3795
Haub, M.; Bogner, M.; Guenther, T.; Zimmermann, A.; Sandmaier, H.
