Alternative acceleration sensors from polymers

Li, Ji; Schomburg, Werner Karl

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-43151

Alternative acceleration sensors from polymers = Alternative Beschleunigungssensoren aus Polymeren

Li, Ji

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ji Li

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

UmfangV, 105 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schomburg, Werner Karl (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-09-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-43151
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/65386/files/4315.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Konstruktion und Entwicklung von Mikrosystemen (417420)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Beschleunigungssensor (Genormte SW) ; Polymere (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; acceleration sensors (frei) ; polymer (frei) ; thermal (frei) ; force balanced (frei) ; ultrasonic hot embossing (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
rvk: ZQ 3120

Kurzfassung
Üblicherweise werden mikrotechnisch hergestellte Beschleunigungssensoren aus Silizium gefertigt. Die Siliziumtechnik hat zwei deutliche Vorteile: Einerseits kann der mechanische Teil des Sensors mit der Elektronik für die Signalverarbeitung integriert werden und andererseits können die Abmessungen des Sensors bis in den Bereich von Mikrometern reduziert werden. Heutzutage wird allerdings auch Elektronik in Polymersubstrate integriert. Das heißt, dass in Zukunft Elektronik in Systeme aus Kunststoff integriert werden könnte. Deshalb wird im Rahmen dieser Dissertation untersucht, ob Beschleunigungssensoren auch aus Polymer hergestellt werden können. Es wird erwartet, dass die Herstellung von Mikrosystemen aus Kunststoff noch ökonomischer ist als aus Silizium. Weil Polymere zum Kriechen neigen und ihre Eigenschaften sehr von der Temperatur abhängig sind, erscheinen Kunststoffkomponenten ungeeignet als funktionale Teile eines Sensors. Deshalb werden in dieser Arbeit zwei Methoden vorgeschlagen, um diese Nachteile zu vermeiden: einerseits können thermische Effekte anstelle einer seismischen Masse eingesetzt werden und andererseits kann die Abhängigkeit von den mechanischen Eigenschaften des Sensors durch eine Rückkopplung wesentlich begrenzt werden. Für den thermischen Ansatz wurden zwei Entwürfe, ein Anemometer und ein Kalorimeter, durch Mikrofräsen und andere mikrotechnische Verfahren hergestellt und untersucht. Verglichen mit dem Anemometer zeichnet sich das Kalorimeter aus durch drei wesentliche Vorteile wie höhere Empfindlichkeit, eine lineare Kennlinie und die Möglichkeit, die Richtung zu erkennen. Dadurch ist das Kalorimeter eine gute Wahl für einen alternativen Beschleunigungssensor. In den Experimenten wurde mit dem Kalorimeter eine Empfindlichkeit von 0,5 V/(m/s²) erreicht, wenn der Heizer mit 0,2 W betrieben wurde. Die Rückkopplung wurde mit den drei Antriebsarten kapazitiv, thermo-pneumatisch und elektromagnetisch untersucht. Es zeigte sich, dass die Rückkopplung über kapazitive und thermo-pneumatische Kräfte nur theoretisch geeignet war, aber wegen der zur Verfügung stehenden Ausrüstung konnte kein funktionierender Sensor realisiert werden. Die magnetische Rückkopplung funktionierte auch im Experiment. Dafür wurde die Beschleunigung durch die elektromagnetische Kraft einer Spule im Feld von Permanentmagneten kompensiert und der elektrische Spulenstrom, der dafür notwenig war, war das Maß für die Beschleunigung. Sowohl mikrotechnische als auch mechanische Fertigungsprozesse wie Sputtern, Fotolithografie und Ultraschallheißprägen wurden für die Herstellung des magnetisch rückgekoppelten Beschleunigungssensors verwendet. Er wurde montiert aus einer Polyimidmembran mit Goldleiterbahnen, die durch Fotolithografie und Ätzen entstanden, einem Rahmen, der durch Ultraschallheißprägen erzeugt wurde, und Permanentmagneten, die am Rahmen befestigt wurden. Außer den Leiterbahnen und den Permanentmagneten werden alle Komponenten aus Polymeren auf einem flachen Substrat hergestellt und dann wird der Rahmen geknickt, um die gewünschte dreidimensionale Struktur zu erhalten. In den Messungen wurde eine Empfindlichkeit von 0,46 V/(m/s²) erreicht und die Empfindlichkeit auf Querbeschleunigungen betrug weniger als 3%.

Usually micro machined acceleration sensors are silicon-based. There are two conspicuous advantages of employing silicon technology: firstly, the mechanical element of the sensor can be integrated with the electronics required for signal processing; secondly, silicon-based micromachining technologies are capable of reducing the size of a sensor device to the micrometer. Nowadays, integrating electronics into polymer substrates has been realized, which means that polymer devices in future could be integrated with electronics as well. Therefore, the feasibility of fabricating acceleration sensors from polymer is investigated in this dissertation. The fabrication of micro systems from polymer is expected to be even more economic than from silicon. Since polymers tend to creep and their properties are a strong function of temperature, polymer components appear to be not suitable functional elements in a sensor. Accordingly, two methods were proposed to avoid this disadvantage: on the one hand, the principles of thermal flow sensors can be adopted to design acceleration sensors, which apply thermal components instead of a proof mass and a suspending system as the sensing elements; on the other hand, applying a closed feedback loop balancing the inertial force such, that the dependence on mechanical properties and temperature of the sensing element is limited significantly. For the thermal method, two designs, an anemometer and a calorimeter, were investigated and fabricated by micro milling and micromachining. Compared with the anemometric design, the calorimetric sensor has three outstanding advantages, such as higher sensitivity, a linear characteristic curve and direction sensing capability, which make it a good choice for an alternative acceleration sensor. In the experiments, the calorimeter achieved a sensitivity of 0.5 V/(m/s²) when the power of the heater is 0.2 W. For the closed loop method three types of driving modes, capacitive, thermo-pneumatic, and electromagnetic, were proposed and tested. In the research, the capacitive and thermo-pneumatic modes showed only theoretical feasibility, but no working sample could be realized due to the available equipments. The magnetic mode successfully fulfilled its function. In this case the acceleration is balanced by an electromagnetic force of a coil in the field of permanent magnets and the electrical current necessary for balancing is a measure of the acceleration. Both micromachining and mechanical manufacturing processes, such as sputtering, photolithography, and ultrasonic hot embossing were employed in the fabrication of the magnetic closed loop acceleration sensor. The sensor was assembled from a polyimide membrane with conductor paths from gold patterned by photolithography and etching, a frame manufactured by ultrasonic hot embossing, and permanent magnets fixed to the frame. Except the conductor path and permanent magnets all components are made of polymers on a planar substrate, and then the frame is kinked forming the desired three-dimensional structure. In tests, a sensitivity of 0.46 V/(m/s²) was achieve, and the cross axis sensitivity error was less than 3%.

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