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Title
Hybrid MOEMS displacement sensor and accelerometer : sensing concept, design, and technology / von Wilfried Hortschitz
AuthorHortschitz, Wilfried
CensorKeplinger, Franz ; Ferrari, Vittorio
Published2013
DescriptionXIV, 133 S. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteWien, Techn. Univ., Diss., 2013
Annotation
Zsfassung in dt. Sprache
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)MOEMS / Beschleunigungssensor / Vibrationssensor / Licht-Fluss / Modulation / Mikrosystem / Hybrid
Keywords (EN)MOEMS / accelerometer / vibration-sensor / light-flux / modulation / microsystem / hybrid
Keywords (GND)Beschleunigungssensor / Licht / Modulation / MEMS / Optoelektronik / Messung
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-74465 Persistent Identifier (URN)
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Hybrid MOEMS displacement sensor and accelerometer [10.53 mb]
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Abstract (German)

Inertialsensoren werden heute in verschiedensten Bereichen verwendet. Sie ermöglichen neuartige Produkteigenschaften und Dienstleistungen im Bereich der Unterhaltungselektronik generell aber auch speziell hinsichtlich mobiler Geräte. Durch eine genaue Messung der Bewegung der Erdoberfläche wird aber auch eine Vorhersage von Erdbeben möglich. Darüber hinaus finden sie seit Jahrzehnten Einsatz in der Automobilindustrie für sicherheitsrelevante Anwendungen. Der Großteil der komerziell erhältlichen Inertialsensoren nutzt kapazitive Messmethoden welche hinsichtliche weiterer Sensitivitätserhöhungen massive technologische Herausforderungen mit sich bringen.

In dieser Arbeit wird eine Messmethode basierend auf der Modulation von Lichtfluß durch ein Mikrosystem für Verschiebung, Vibration und Beschleunigung hinsichtlich der wichtigsten Aspekte analysiet. Die drei Hauptpunkte sind dabei die erreichbare Auflösung bezüglich einer differentiellen Auslenkung, die Implementierung von speziellen Übertragungsfunktionen durch die Formgebung der Modulatoren, und die Diskussion der damit zugänglichen als auch neuartiger Anwendungen. Die Auslenkungen werden durch Beschleunigungskräfte hervorgerufen, welche auf eine auf Federn aufgehängte Masse aus mono-kristallinem Silizium wirken. Diese Masse wirkt zugleich als ein Element einer variablen Apertur durch welche ein Lichtfluß die Mikrostruktur passiert. Dieser Lichtfluß stammt von einer LED und trifft, nachdem er den Modulator passiert hat, auf eine Photodetektor. Trotz der Verwendung von kostengünstigen optoelektrischen Kompo- nenten wurden mit den Prototypen Verschiebewege von einigen Mikrometern und Auflösungen von sub 1 pm/[Quadratwurzel]Hz erreicht, welche sub 1 [mu]g/[Quadratwurzel]Hz als Beschleunigungen entsprechen. Den beiden Apterturteilen wird durch die räumliche Trennung eine unterschiedliche Formgebung erlaubt. Damit wird die vorteilhafte und nahezu freie Gestaltung der Aperturen ermöglicht wodurch die Implementierung von passiven Transferfunktionen, für zum Beispiel die Linearisierung von nichtlinearen Eingangssignalen zu Stande kommt.

Verarbeitet werden können neben Beschleunigungen all jene Größen, welche in eine räumliche Auslenkung umsetzbar sind. Damit können Gravitation, Kräfte die dem elektromagnetischen Feld zugehören aber auch Druck oder Temperaturausdehnung sehr einfach mit diesem Auswerteprinzip aufgenommen werden. Zusammen mit der galvanischen Trennung der Krafteinbringung und der opto-elektronischen Auswertung werden damit schlussendlich eine Vielfalt an neuen Applikationen ermöglicht.

Abstract (English)

Today, inertial sensors are used in many different fields of application such as enabling advanced features and novel services in consumer electronics or mobile devices. They can also be used to forecast earthquakes by precisely measuring ground motion. Additionally, they have seen decades of service for safety applications in the automotive industry. However, the majority of commercially available inertial sensing products rely on capacitive sensing which presents technological challenges regarding their further improvement in sensitivity.

Within this thesis, a transduction method for measuring displacement, vibration and inertia based on the modulation of a light flux through a microsystem is analyzed regarding its most important aspects. The three main subjects are the achievable resolution regarding differential deflections of incorporated components, the implementation of particular transfer characteristics by shaping modulator apertures, and the discussion of the most feasible as well as novel applications.

In the presented work, differential deflections are generated by inertial forces acting upon a spring suspended mass made from mono-crystalline silicon. The mass also acts as one element of a variable aperture for the light flux passing through the structure. This flux may originate from an attached LED and hits a photodetector after passing the modulator.

Using low-cost optoelectronic components, the characterized prototypes achieved displacement ranges of several microns combined with encouraging sub 1 pm/[Quadratwurzel]Hz resolutions corresponding to sub 1 [mu]g/[Quadratwurzel]Hz in terms of acceleration.

The spatial separation of the two aperture parts involved allows different shapes for both parts. This yields the benefit that the aperture can be designed almost freely in shape enabling the implementation of passive transfer characteristics to, for example, linearize nonlinear input signals.

Beside inertial forces, any quantity that can be translated into spatial displacement may be converted as well. Thus gravitation, electromagnetic field related forces, and pressure or temperature expansion can be easily covered with this transduction principle. Together with the galvanic separation of the force actuation and the opto-electrical readout, this ultimately enables a wide range of completely novel applications.

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