Passive mechanische Mikrosysteme für multiple Ereigniserkennung

Mikrosysteme, welche vorhandene Umgebungsenergie (bspw. mechanisch, thermisch) in elektrische Energie wandeln und so den dauerhaften Betrieb bspw. eines nachgeschalteten Mikrosensors ermöglichen, bilden einen bedeutenden Forschungsbereich. Nach wie vor bestehen technologische Herausforderungen, die die Produktreife derartiger Konzepte behindern, wobei als größtes Hindernis die begrenzte elektrische Leistungsmenge vieler Systeme anzuführen ist. Für Applikationen, bei welchen die Umgebung nicht genügend Energie für einen annähernd konstanten Betrieb eines Energiewandlers liefert, der Einsatz elektrochemischer Energiespeicher bspw. aufgrund gesundheitsgefährdender Risiken nicht möglich ist oder selten (Jahre) auftretende aber funktionell kritische Grenzwertüberschreitungen sensorisch erfasst werden sollen, sind neue Konzepte notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuartiger Bereich energieautarker Mikrosysteme thematisiert. Er umfasst Systeme, welche ohne den Bedarf an elektrischer Energie physikalische Größen der Umgebung erfassen und über beliebige Zeiträume speichern können. Dabei wird die Energie der zu erfassenden physikalische Größe selbst genutzt, um eine reversible oder irreversible Zustandsänderung im Mikro-system hervorzurufen. Die Beibehaltung dieser Zustandsänderung über beliebige Zeiträume wie auch die Möglichkeit den internen Zustand des Mikrosystems in einen nutzbaren elektrischen Messwert zu wandeln sind für den Systementwurf von entscheidender Bedeutung. In dieser Arbeit werden zwei Beispiele derartiger passiver Mikrosysteme vorgestellt. Dabei handelt sich um rein mechanisch passive Mikrosysteme, bei welchen das mechanische Funktionsprinzip des Formschluss verwendet wird. Beide Systeme werden mittels Silicon-on-Insulator Substraten hergestellt. Ein passiver Stoßbeschleunigungssensor auf Basis eines Rastmechanismus, ermöglicht die Erfassung und Speicherung mehrerer Stoßbeschleunigungen. Eine federgeführte seismische Masse bewegt sich relativ gegenüber zwei gefederten Gegenrasten. Die Lage der seismischen Masse wird über eine Verzahnung zu den Gegenrasten gesichert. Je nach Systemvariante können 12 bis 16 verschiedene Stoßbeschleunigungsamplituden im Bereich von 3 g bis 240 g erfasst und gespeichert werden. Mittels eines integrierten elektrostatischen Tangentialaktors können die Systeme bei Spannungen von bis zu 65 V initialisiert werden. Zwei strukturierte Elektrodenflächen, welche mittels eines Deckelchips aus Glas 10 µm oberhalb der seismischen Masse positioniert sind, ermöglichen eine kapazitive Messung und so die Wandlung der mechanischen Position in einen elektrischen Messwert. Ein erstmals präsentiertes Konzept für einen lateral aufgebauten, mechanisch binären Zählmechanismus bildet das zweite passive mechanische Mikrosystem. Der Systementwurf weist das Potential zum Zählen und Speichern einer großen (> 100) Anzahl physikalischer Grenzwertüberschreitungen auf. Der Zählerwert wird im System in Form eines mechanisch binären Codes gespeichert. Der Mechanismus ist aus einer Grundmenge funktionaler Systemelemente aufgebaut, die seriell aneinander gereiht werden. Am Eingang des Mechanismus soll ein Energiewandler sitzen, welcher die Energie der zu erfassenden physikalischen Grenzwertüberschreitung in eine zum Mechanismus passende Kraft-Weg-Charakteristik wandelt. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Konzeptionierung und die Demonstration der Funktionsfähigkeit des Mechanismus vorgestellt, der Energiewandler am Systemeingang wird als abstrakte Größe behandelt. Die Funktionsfähigkeit des Mechanismus wird mit 2-Bit Systemen demonstriert. Die maximale Schaltkraft tritt beim [3 → 0�� Zustandswechsel auf und beträgt rund 20 mN. Dabei muss der Eingang über einen Schaltweg von rund 82 µm bewegt und eine maximale Schaltenergie von rund 650 nJ erbracht werden. An einem 2-Bit System wird ein Dauerversuch mit 15 000 Schaltvorgängen durchgeführt, wobei am Ende des Dauerversuchs rund 30 % der Schaltvorgänge fehlerhaft sind. Mittels dünner, piezoresistiver Polysilicium-widerstände auf den Bitführungsfedern kann der mechanische Zählerwert in einen elektrischen Messwert gewandelt werden. Das Phänomen Reibung zwischen trockenchemisch strukturierten Siliciumflächen ist für beide Systementwürfe von Bedeutung. Es wird mittels eigens entworfener Teststrukturen untersucht. Dabei wird ein Gleitreibfaktor zwischen 0,35 und 0,5 bei maximalen Normalkräften von 2,6 mN gemessen.