Ziel der Entwicklung
Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung von hochauflösenden Beschleunigungssensoren für Neigungs- und Nivellierungsmessungen sowie Zustandsüberwachungen. Mit diesem Projekt wurden theoretische und experimentelle Grundlagen geschaffen für die Errichtung einer Entwicklungs- und Technologieplattform. Hierbei wurden Konzepte aus dem High-End-Anwendungsbereich auf Anwendungen übertragen, die bisher für diese Konzepte nicht zugänglich waren.
Vorteile und Lösungen
Als Ausführungsform wurden ungeregelte Neigungssensoren mit einer Auflösung von typ. 0,001° realisiert. Durch den Kippwinkel α des Sensors ergibt sich dabei eine effektive Erdbeschleunigung g‘, die eine Auslenkung des Feder-Masse-Systems Δx hervorruft, welche durch einen lateralen Differenzkondensator mit ΔC über einen Signalverarbeitungs-Schaltkreis ausgelesen wird. Die HEB-Einzel-Sensoren wurden dabei zunächst auf Chiplevel gefügt. Dabei werden die gegenüberliegenden Chips mittels Fineplacer zusammengedrückt, so dass die Metall-Strukturen der Feder-Masse- beziehungsweise Träger-Chips (Si und Glas) mittels Au-Stud-Bumps verbunden und die Abstände auf zirka 5,6 µm eingestellt werden. Im weiteren Projektverlauf konnten Demonstrator-Modulaufbauten, realisiert werden. Diese bestehen aus einem hermetisierbaren Metallgehäuse mit Glasdurchführungen, in das eine Platine mit zwei orthogonal angeordneten Sensoren und einem zweikanaligen Schaltkreis eingelötet ist. Die Auslenkung der Feder-Masse-Systeme wurde zu Beginn optisch mittels Kamera in Abhängigkeit der Kippwinkel begutachtet. Dann erfolgten kapazitive Untersuchungen der Sensor-Module, zunächst auf einer Drehachse, um einen Bereich von +-180° abzudecken, später auf einem Präzisionskipptisch im Winkelbereich von +-10°, . Die Funktion der Elemente entspricht, bis auf wenige Elemente die Partikel aufweisen, den simulierten Ergebnissen. Die Messungen liefern die folgenden typischen Eigenschaften, welche die Erwartungen erfüllen bzw. teilweise darüber hinaus gehen:
Auslenkungen des Feder-Masse-Systems: ca. 18 – 20 µm/g
Resonanzfrequenz: typ. 115 Hz
• Sensitivitäten: Si/Si:
2,2 pF/g (38 aF/0,001°)
Glas/Si: 5,5 pF/g (96 aF/0,001°)
• Bias-Stabilitäten:
Si/Si: 12,3 µg (0,0007°)
Glas/Si: 5,4 µg (0,0003°)
Zielgruppe und Zielmarkt
Hersteller von Sensorlösungen aus dem Bereich der Neigungs- und Nivellierungssensoren sowie Zustandsüberwachungen sind typische Nutzer.
Perspektivische Anwendungsgebiete sind:
• Werkzeugmaschinen zur Überwachung der korrekten Lage
• Messmaschinen - dto., ggf. Messung von Schwingungen
• Roboter - Positionierungsbestimmung
• Hochpräzisionswaagen – Ausnivellierung der Aufstellung für eine korrekte Messung
• Bahn - Neigungssensoren sowie Schwingungssensoren spielen bei der Steuerung sowie dem sicheren Erkennen von Zustandsgrößen eine Rolle für den Betrieb und die Sicherheit von Fahrzeugen, Gleisen , Bauten,
• Windräder - ähnlich, wie bei der Bahn
• Bautenzustandsüberwachung
• Ausrichtung von Bergbauequipment
Nach weiterführenden Variationen von Design und Technologie sind zusätzliche Märkte beziehungsweise Branchen adressierbar:
• Seismische Überwachungen - Überwachung in vulkanologischen bzw. erdbebengefährdeten Gebieten
• Gravimetrie - Bestimmungen von Anomalien des Schwerefeldes durch eingelagerte Rohstofflagerstätten,
• Schwingungsanalysen
