Mikro-Sensor zur Messung Positionsänderungen im Picometer-Bereich ausgezeichnet

Airbags müssen sich genau im richtigen Moment öffnen, Handys sollen Bewegung erkennen, Pulsmessgeräte sollen beim Laufen den Herzschlag registrieren. Bedarf für Präzisions-Sensoren für Beschleunigungen und Verschiebungen gibt es genug. Der Elektrotechniker Wilfried Hortschitz vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien entwickelte einen neuen Mikro-Sensor, der Beschleunigungen und Schwingungen misst und dabei räumliche Positionsänderungen im Picometer-Bereich registrieren kann. Das entspricht einer Verschiebung um einen Bruchteil eines Atomdurchmessers. Dafür erhält er den Resselpreis der TU Wien.

Schwingung messen mit Licht

Wilfried Hortschitz entwickelte einen kleinen Chip aus Silizium, der einen beweglichen Teil enthält. Dieser bewegliche Teil wird relativ zum Rest des Chips verschoben, wenn man den Chip beschleunigt. Selbst winzig kleine Auslenkungen können gemessen werden, indem man die Messung der Verschiebung des Teils auf die Messung von Licht zurückführt.

"Im beweglichen Silizium-Teil befinden sich winzig kleine Schlitze, mit einer Größe von bloß 10 mal 100 Mikrometern", sagt Wilfried Hortschitz. "Darüber befindet sich ein Glasplättchen, auf dem Streifen mit denselben Abmessungen angebracht sind." Wenn das Glasplättchen so positioniert ist, dass die Streifen genau die Schlitze des Silizium-Teils verdecken, dann kann kein Licht hindurch gelangen. Sobald sich allerdings der bewegliche Teil verschiebt, passen Streifen und Schlitze nicht mehr exakt zusammen, und Licht findet den Weg durch den Chip.

Die Änderung der Durchlässigkeit kann man mit Lichtdetektoren so genau detektieren, dass Verschiebungen im Pikometer-Bereich messbar werden. Ein Picometer ist ein Milliardstel eines Millimeters, ein Wasserstoffatom hat einen Radius von etwa 100 Picometern. "Dadurch, dass tausende Schlitze gleichzeitig betrachtet werden, ist die Gesamtfläche, die sich bei der Verschiebung öffnet, groß genug um gemessen werden zu können", erklärt Wilfried Hortschitz.

Vom Airbag bis zur Erdbebenwelle

Die Idee, Verschiebungen mit Licht zu messen, ist nicht neu. Wilfried Hortschitz ist allerdings der erste, dem es gelang, dieses einfache Prinzip derart zu miniaturisieren und für extrem präzise Messungen zu verwenden. Insgesamt ist der Sensor bloß 4mm x 4mm x 1mm groß und eignet sich daher für viele unterschiedliche Einsatzzwecke.

Um zu entscheiden, ob ein Airbag ausgelöst werden soll, muss man große Beschleunigungen sehr schnell zuverlässig detektieren. Genau dafür ist der Sensor-Chip bestens geeignet. Überall wo technische Geräte ihre Orientierung im Raum kennen müssen, benötigt man Beschleunigungs-Chips: Im Handy, dessen Bildschirm sich beim Drehen umorientieren soll, oder auch in einer Virtual-Reality-Brille. Auch medizinische Anwendungen des Chips sind möglich.

Wilfried Hortschitz misst nun auch Beschleunigungen einer ganz anderen Art: In ersten Messungen mit der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG) will er untersuchen, wie seine Beschleunigungssensoren auch als Erdbebendetektoren eingesetzt werden können. "Hier hat man es mit sehr tiefen Frequenzen zu tun, wir müssen also unseren Chip sehr weich aufhängen, damit er diese sehr langsamen Schwingungen aufnehmen kann", erklärt Hortschitz.

Quelle: Technische Universität Wien