2. Struktur und Profillinien - ifw Jena

7. Ausgewählte Forschungs- und
Entwicklungsergebnisse
7.12
Mikromechanisches Beschleunigungsschaltersystem
Bild 1:
Schalterelement
Bild 2:
Data Logger der Fa. Microsensys / Erfurt
Bild 3:
Transpondertechnik zum Auslesen der
Data Logger der Fa. Microsensys / Erfurt
Ansprechpartner:
Dr.-Ing. T.Schroeter
E-Mail: tschroeter@ifw-jena.de
Projektträger:
BMWi / AiF
Förder-Nr.: KF 0145703KJS0
Projektpartner:
Microsensys GmbH, Erfurt
Aufgabe
Entwicklung eines mikromechanischen
Schalterelementes, welches
bei Überschreiten eines Schwellwertes
der Beschleunigung ein
elektrisches Signal abgibt.
Anforderungen:
• geringe Abmessungen (grösste
Ausdehnung ca. 8 mm),
• geringer Stromverbrauch (Stand
Alone Fähigkeit),
• Schaltschwelle bei 500 g,
• Lebensdauer / Langzeitstabilität:
5 Jahre, ca. 5 Mio Schaltzyklen
• Integrationsfähigkeit in ein Datenloggingsystem
zur Aufzeichnung
von Schaltvorgängen über
die gesamte Zeitdauer des Einsatzes
(bis zu 5 Jahre)
Ergebnisse
Es wurde zunächst, gemeinsam mit
der Fachhochschule Jena, Fakultät
für Feinwerktechnik, ein rechnergestütztes
Modell zur Modellierung
des mechanischen Verhaltens des
Schalterelementes entwickelt. Dieses
Modell basiert auf der Simulationssoftware
ANSYS© und gestattet
z.B. die Berechnung der Auslenkung
und Verformung des beweglichen
Teils des Schalterelementes
infolge einer einwirkenden Kraft
(Beschleunigung). Weiterhin können
Frequenzgänge und Resonanzfrequenzen
ermittelt werden.
Anschliessend wurde, auf Basis der
Simulationsergebnisse und unter
Nutzung von Erfahrungen bei der
Herstellung von Beschleunigungssensorelementen,
ein Schalterdesign
mit folgenden Merkmalen geschaffen:
• Sandwichbauweise Glas / Silizium
/ Glas,
• Auslösung des Schaltvorganges
durch direkten elektrischen Kontakt
(dadurch geringer Energieverbrauch,
da eine anderenfalls
notwendige Schwellwertelektronik
entfällt),
• seismische Masse in Form eines
beidseitig aufgehängten Si-
Balkens,
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• spezielle Beschichtungen zur
Erzielung einer guten Kontaktgabe,
• Leitungsführung mit Durchkontaktierungen
zur Minimierung
der Abmessungen (Verwendung
gebohrter Glaswafer)
Danach wurden, auf Basis des
entwickelten Designs, Schablonen
und Maskensätze konstruiert und
gefertigt bzw. beschafft. Weiterhin
wurden die erforderlichen Technologieschritte
zur Herstellung der
Schalterelemente in Batchprozessen
(auf Basis von Silizium- und
Glaswafern) entwickelt. Anschliessend
konnten erste Testmuster in
den Reinräumen des IFW / Applikationszentrum
Mikrotechnik AMT
üblichen Technologien (Beschichtung,
Photolitographie, naßchemisches
Ätzen, Bedampfen, Anodisches
Bonden, ChipVereinzelung)
hergestellt werden.
Nach elektrischen Tests wurden die
Chips einer Anwendungsprüfung
unterzogen (Falltest). Nach anfänglichen
Schwierigkeiten wurde das
Design in mehreren Schritten optimiert.
Schliesslich konnte an Mustern
mit überarbeitetem Design der
Funktionsnachweis erbracht werden.
Ein Schalterelement ist in Abb.
1 dargestellt.
Anwendung
Hauptanwendungen sind Data
Logger Systeme zur Aufzeichnung
von Stossereignissen. Im Projekt
wurden erste Data Logger Systeme
des Projektpartners MicroSensys
GmbH mit den Beschleunigungsschaltern
ausgestattet (siehe Bild
2). Diese Data Logger Systeme
sollen über einen Zeitraum von ca.
5 Jahren ohne externe Versorgungsspannung
arbeiten und dabei
bis zu 5 Mio Schaltereignisse nach
Datum und Uhrzeit aufzeichnen.
Ausgelesen werden die Systeme
mittels einer von der MicroSensys
GmbH entwickelten Transpondertechnik
(siehe Bild 3). Die Fa. Microsensys
stellt bereits seit längerer
Zeit entsprechende Systeme mit
verschiedenen Sensoren her.