Untersuchungen zur Messung elektrischer Spannungen mit mikroelektromechanischen Bauelementen

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse, dem Entwurf, der Fertigung und der Charakterisierung von mikroelektromechanischen Sensoren zur Messung elektrischer Spannungen basierend auf dem Effekt der elektrostatischen Anziehung. Als Ergebnis wurden zwei völlig unterschiedliche Sensorentwürfe realisiert, die das Potenzial haben, elektrische Wechselspannungen mit Frequenzen bis zu 1 GHz mit einem Messfehler kleiner als 10 ppm zu bestimmen. Zunächst wurde eine umfassende Betrachtung des Stands der Technik vorgenommen. Es wurden die klassischen Verfahren zur Messung von Hochfrequenzspannungen vorgestellt und daraus der Anwendungsbereich der mikromechanischen Sensoren auf Frequenzen bis 1 GHz abgeleitet. Die typischen Effektivwerte in der HF-Messtechnik bewegen sich im Bereich von unter 1 V mit einer Anforderung an die Auflösung von 1 μV über weite Frequenzbereiche. Die etablierten Verfahren zur Spannungsmessung basieren auf der Dissipation der Leistung an ohmschen Widerständen, deren Erwärmung, und dem hochpräzisen Messen der Temperatur über Thermoelemente. Im Bereich der elektrostatischen Messtechnik für elektrische Spannungen wurde die Brücke geschlagen von den Anfängen des 20. Jahrhunderts mit feinwerktechnisch aufgebauten Elektrometern bis zu heutigen mikromechanischen hergestellten Effektivwertsensoren. Aufgrund der erreichbaren Plattengeometrien waren die frühen Elektrometer hauptsächlich für die Messungen von hohen Spannungen und Frequenzen bis maximal 1 MHz geeignet. Das Aufkommen der Mikrotechnik erlaubte, den Plattenabstand stark zu verringern und damit die Empfindlichkeit der Sensoren im niedrigen Spannungsbereich zu erhöhen. Durch die Reduzierung der Gesamtabmessungen sind sie für die Einkopplung hoher Frequenzen besser geeignet und durch die kleinere bewegte Masse unempfindlicher gegenüber äußeren Einflüssen. Es wurde gezeigt, dass es vielversprechende Ansätze und Realisierungen, sowohl in der Bulk-, als auch in der Oberflächenmikromechanik gibt, auf die in dieser Arbeit aufgebaut werden konnte. In Kapitel 3 wurde anschließend die zugrundeliegende Theorie für die elektrostatische Messung von Effektivwerten zusammenfassend dargestellt. Dabei wurde die Bedeutung der Pull-In-Spannung als Kenngröße der Systeme herausgestellt. Diese bestimmt nicht nur den maximalen Spannungsbereich, sondern darüber hinaus auch die erreichbare Auflösung. Es wurde gezeigt, dass sich damit sowohl für den translatorischen als auch den rotatorischen Fall geeignete Systeme im Rahmen der Vorgaben der Mikrotechnik entwickeln lassen. Dabei ist es wichtig, das Gesamtsystem zu betrachten, insbesondere die verfügbare Technik, um die Position der Platte zu bestimmen. Dies kann entweder durch optisches Abtasten der Entfernung oder durch Messen der Kapazität durch einen zweiten Satz von Elektroden geschehen. Die notwendige Positionsgenauigkeit für eine hohe Auflösung wurde untersucht und festgestellt, dass eine Auflösung von 10−4 h0 bzw. 10−3 C0 für eine Genauigkeit besser 1 ppm in der Nähe der Pull-In-Spannung ausreichend ist. Methoden zum Erweitern des Messbereichs durch Überlagern derWechsel- mit einer Gleichspannung wurden vorgestellt. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurden Sensoren entwickelt und optimiert, die das Spektrum der Herstellungstechnik und die theoretischen Möglichkeiten weitestgehend abdecken. In Abschnitt 4.2 ist der Aufbau eines rotatorischen Sensors aus Bulk-Silizium beschrieben. Die Entwicklung des Batchprozesses eröffnet die Möglichkeit zur gleichzeitigen homogenen Fertigung einer Vielzahl von Sensoren. Die kritischsten Schritte bei der Herstellung sind das anodische Bonden und das trockenchemische Strukturieren der Aktoren für hohe Aspektverhältnisse an den Torsionsbalken, die zu einer geringen Federsteifigkeit führen. Die Balken haben einen rechteckigen Querschnitt und besitzen eine Breite von nur 40 μm auf 8 mm Länge. Die Elektroden haben einen Abstand von 10 - 20 μm auf einer Fläche von 5 x 5 mm2. Damit wurden erfolgreich Sensoren gefertigt, die bei Gleich- und bei Wechselspannungen mit einer Frequenz von bis zu 20 MHz eine Kapazitätsänderung von mehr als 4 aF/μV erreichen. Abschnitt 4.3 zeigt den Entwurf, die Herstellung und die Charakterisierung von Sensoren, die im Gegensatz sowohl auf einem anderen Bewegungsprinzip als auch auf einer anderen mikromechanischen Herstellungstechnologie beruhen. Die Kombination von Dünnschicht-Oberflächenmikromechanik mit Methoden der Galvanotechnik erlaubt die Herstellung von bis zu 2 x 2 mm2 großen Aktoren, die in nur 1,5 μm Höhe über den anderen Elektroden schweben. Damit können die Pull-In-Spannungen bis zu 1 V abgesenkt werden. Die Verwendung von Kupfer als alleiniges Elektrodenmaterial in Kombination mit Glaswafern als reiner Träger, der ohne Probleme durch ein Hochfrequenzsubstrat ersetzt werden könnte, ermöglicht es Sensoren herzustellen, die noch bei 1 GHz eine Kapazitätsänderung von 0,1 aF/μV erreichen. Damit sind mit aktueller Messtechnik Spannungsänderungen auf 10 ppm genau nachweisbar.