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Das Thema meiner Dissertation lautet: "Auswertung kleinster kapazitiver Signal im aF-Bereich". Sie wird von Prof. Buff (TU-Ilmenau, Deutschland) betreut. Arbeitsort ist die Forschung und Vorausentwicklung der Robert Bosch GmbH (Stuttgart, Deutschland).
Wer einen Taschenrechner zur Hand nimmt und ausrechnet, wie viele Elektronen in einem Kondensator der Kapazität 1aF bei einer Spannung von 1V gespeichert sind, wird feststellen, dass es genau 6241 Elektronen sind. Dies verdeutlicht, dass es sich hier schon eher um "Elektronenzählen" als um Messen handelt.
In der Tat geht es bei diesen Größenordnungen nicht mehr darum, den Absolutwert einer Kapazität festzustellen, als viel mehr, die gewünschte Messgröße zu erfassen. Als ideales Forschungsobjekt für dieses Thema bieten sich mikromechanische Drehratensensoren an. Hierbei kommt es nicht nur darauf an, die Kapazitäten zu bestimmen, sondern wirklich ein (kapazitives) Sensorsignal zu gewinnen und entsprechend der gewünschten Messgröße (Drehrate) auszuwerten. Das Grundprinzip ist einfach erklärt, aber neben dem gewünschten Messeffekt treten noch weitere Störeffekte auf, welche weitestgehend beseitigt oder kompensiert werden müssen, um an das eigentlich zu messende Signal heran zu kommen. Ziel soll es sein, neue Methoden und Verfahren zu finden, die eine rauschärmere Signalmessung ermöglichen.
Es sei hier ein Ausschnitt aus einer Veröffentlichung (IEEE Spectrum July 1998 Volume 35 Number 7) wiedergegeben, der das Prinzip eines solchen mikromechanischen Drehratensensors verdeutlicht. Es wird schnell bewusst, dass sich zur Realisierung eines solchen Projektes die verschiedensten Ingenieursparten treffen müssen.
Die Robert Bosch GmbH besitzt dieses Know-How und stellt die Weltspitze auf dem Drehratensektor dar. Derzeitige Anwendung dieser Drehratensensoren im Automotive-Bereich sind ESP, Navigation und Überrollsensierung. Meine Arbeit soll helfen, noch empfindlichere Sensoren zu ermöglichen, so dass es möglich ist auch in neue Anwendungsbereiche vorzudringen.
Der
mikromechanische Drehratensensor hat einen schmetterlingsförmigen Rotor aus
Polysilizium, der über dem Substrat derartig aufgehängt ist, dass er frei um
die zentrale Feder schwingen kann. Die Perforierung des Rotors ist ein
notwendiges Übel, damit dieser während der Herstellung unterätzt werden kann.
Vier fingerförmige Comb Strukturen an den äußeren Ecken, treiben den Rotor in
resonanter Oszillation. Elektrische Verbindungen tragen das Antriebssignal zu
den Combs und das Messsignal von den Detektionselektroden unter dem Rotor.
Der Rotor ist in resonanter Oszillation um die z-Achse betrieben. Wenn das Gehäuse um die y-Achse rotiert, rotiert das Substrat um die gleiche Achse - die Bewegung wird über elastische Verbindungen im Zentrum zum Rotor übertragen. Nach dem Kreiselgesetz kippt der Rotor um die x-Achse. Diese Bewegung wird mit Elektroden unter dem Rotor detektiert und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Die
Schwingung des kippenden Rotors wird über die Messung der Differenzkapazitäten
zwischen ihm und den Elektroden darunter festgestellt. Es kann eine kapazitive
Messung erreicht werden, die einer Rotorauslenkung von ungefähr einem
Atomdurchmesser entspricht.
Die Bilder stammen von: IEEE Spectrum July 1998 Volume 35 Number 7
Die Übersetzung stammt von mir.
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