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Siliziumbasierter Sensor der TU Wien

Neues Messkonzept für elektrische Feldstärken

24. Januar 2018, 11:35 Uhr   |  Nicole Wörner

Neues Messkonzept für elektrische Feldstärken
© TU Wien

Schematische Darstellung des Sensors: Die bewegliche und die fixierte Schicht.

Viel einfacher, kleiner und weniger störungsanfällig als vergleichbare Geräte ist der neuartige Silizium-Sensor, den Wissenschaftler der TU Wien entwickelt haben, um die Stärke elektrischer Felder zu messen.

Elektrische Felder genau zu vermessen ist in vielen Bereichen wichtig: Für die Wettervorhersage, für die Kontrolle von Industriemaschinen, oder auch um die Sicherheit von Menschen zu gewährleisten, die an Hochspannungsleitungen arbeiten. Allerdings sind solche Messungen technisch gesehen keine einfache Aufgabe.

Ein Forschungsteam der TU Wien hat nun einen Sensor aus Silizium entwickelt, der auf einer ganz anderen Konstruktionsidee beruht als bisherige Messgeräte – es handelt sich um ein mikroelektromechanisches System (MEMS). Dieser Sensor hat den großen Vorteil, dass er das elektrische Feld, dessen Stärke er messen soll, nicht stört. 

Ein bewegliches Gitter aus Silizium verschiebt sich im elektrischen Feld gegenüber einem darüberliegenden statischen Gitter. So öffnen sich Lücken und das durchfallende Licht wird gemessen.
© TU Wien

Ein bewegliches Gitter aus Silizium verschiebt sich im elektrischen Feld gegenüber einem darüberliegenden statischen Gitter. So öffnen sich Lücken und das durchfallende Licht wird gemessen.

»Die Geräte, die man heute verwendet, um elektrische Feldstärken zu messen, haben gravierende Nachteile«, erklärt Andreas Kainz vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien. »Sie enthalten Teile, die beim Messen elektrisch geladen werden. Leitende Metallkomponenten jedoch können das Feld, das man messen will, deutlich verändern. Diese Störungen werden noch schlimmer, wenn das Gerät noch dazu geerdet werden muss, um einen Referenzpunkt für die Messung zu haben.« Außerdem seien solche Messgeräte oft relativ unhandlich und schwer transportabel.

Der Silizium-Sensor, den das Team der TU Wien entwickelt hat, beruht auf einem recht einfachen Konzept: Kleine gitterartige Siliziumstrukturen mit Abmessungen im Mikrometerbereich werden an einer kleinen Feder fixiert. Wenn man das Silizium in ein elektrisches Feld einbringt wirkt eine Kraft auf die Siliziumkristalle und die Feder wird minimal gedehnt oder gestaucht.

So klein ist der Sensor: Vergleich mit einer ein-Cent-Münze Maße:  3148 x 2361 px
© ETH Zürich

So klein ist der Sensor: Vergleich mit einer ein-Cent-Münze

Diese winzigen Verschiebungen gilt es nun sichtbar zu machen – und das geschieht auf optischem Weg: Über der beweglichen Silizium-Gitterstruktur an der Feder befindet sich ein weiteres Gitter, sodass die Gitteröffnungen einander exakt verdecken. Bei Anwesenheit eines elektrischen Feldes verschiebt sich die bewegliche Struktur ein kleines Stück, die Gitteröffnungen werden nicht mehr perfekt abgedeckt und Licht kann durch die entstehenden Öffnungen fallen. Dieses Licht wird gemessen, und bei passender Kalibrierung lässt sich daraus leicht ablesen, wie groß das elektrische Feld ist.

Schon der Prototyp erreicht beachtliche Genauigkeit

Messen kann man so zwar nicht die Richtung, aber die Stärke des elektrischen Feldes – und zwar bei Feldern mit einer relativ niedrigen Frequenz von bis zu einem Kilohertz. »Mit unserem Prototyp konnten wir bereits schwache Felder von weniger als 200 Volt pro Meter zuverlässig messen«, sagt Andreas Kainz. »Damit erreicht unser System bereits jetzt ungefähr das Niveau bisheriger Produkte, und das obwohl es deutlich einfacher und kleiner ist.« Allerdings gibt es hier noch viel Verbesserungspotenzial: »Andere Messmethoden sind bereits ausgereift – wir fangen gerade erst an. In Zukunft werden mit unserem mikroelektromechanischen Sensor sicher noch deutlich bessere Ergebnisse zu erzielen sein«, ist Andreas Kainz zuversichtlich. 

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