Das Projekt HEB beinhaltete die Entwicklung und Herstellung von sehr hoch auflösenden kapazitiven MEMS-Beschleunigungssensoren für Neigungs- bzw. Nivellierungsmessungen sowie Zustandsüberwachungen. Hierbei wurden Konzepte aus dem High-End-Anwendungsbereich durch Nutzung von Chip-Level-Prozessschritten auf Anwendungen übertragen, die bisher für diese Konzepte nicht zugänglich waren.
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- bzw. Träger-Chips (Si bzw. Glas) mittels Au-Stud-Bumps verbunden und die Abstände auf ca. 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:
Hersteller von Sensorlösungen aus dem Bereich der Neigungs- bzw. Nivellierungssensoren sowie Zustandsüberwachungen sind typische Nutzer.
Die beschriebenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden im Forschungsprojekt „High-End-Beschleunigungssensoren“ (HEB) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.
FKZ: 49VF200064
