Hochauflösende Beschleunigungssensoren mit Tunnelstrecke

Abstract

Ziel der Arbeit ist es, alle zur Konstruktion von hochauflösenden Beschleunigungssensoren mit Tunnelstrecke erforderlichen theoretischen Grundlagen zur Verfügung zu stellen und deren Anwendbarkeit an Hand des Entwurfes und der Realisierung eines Sensors nachzuweisen. Wesentliche Themen des theoretischen Teiles der Arbeit sind hierbei: die Beschreibung der Funktion einer Tunnelstrecke sowie die Herleitung der Rauschanteile, welche die Auflösung von Beschleunigungssensoren beschränken. Es wird deutlich, dass die hohe Auflösung des Tunneleffektes den Einsatz einer aktiven Regelung und hochempfindlicher Stellelemente erforderlich macht. Vergleicht man alle in Beschleunigungssensoren auftretenden Rauschquellen, so stellt man fest, daß die Nachweisgrenze hochauflösender Beschleunigungssensoren vom thermische Rauschen des Feder-Masse-Systems bestimmt wird. Auf den hergeleiteten konstruktiven Grundlagen aufbauend, wird anschließend die Entwicklung eines Sensors mit einer Nachweisgrenze von 1E-6 g (g= Erdbeschleunigung) beschrieben. Hierbei wird die mikrotechnischen Konstruktion dargestellt und ausführlich auf die Entwicklung der erforderlichen Sensorelektronik eingegangen. Um die elektronische Regelung geeignet auslegen und optimieren zu können, wurde das dynamische Verhalten des Gesamtsystems analytisch beschrieben. Die geeignete Wahl der Parameter wurde mit Hilfe eines numerischen Modells des Gesamtsystems nochmals überprüft. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ferner ein Messplatz entwickelt, auf dem die Beschleunigungssensoren nach ihrer Fertigstellung charakterisiert worden sind. Erstmalig wurde es so möglich, derartige Sensoren direkt an ihrer Auflösungsgrenze zu vermessen. Die dem Rauschen äquivalente Beschleunigung wird mit ca. 2.5E-6 g gemessen, stimmt also mit den theoretischen Vorhersagen gut überein.

The purpose of this thesis is to provide all theoretical fundamental principles required in construction and design of high resolution accelerometers with tunneling transducers and to verify their utilization on the basis of design and construction of a sensor. Major topics in the theoretical section are the description of the function of a tunneling transducer as well as derive of noise sources which limit the resolution of accelerometer. It will now become clear that the tunnel effect's high resolution requires application of an active controller and of highly sensitive adjusting elements. Comparison of all noise sources occurring in accelerometers will establish that the detection limit of high?resolution accelerometers is determined by the thermal noise portions of the spring mass system. The desired sensor resolution can only be achieved if this noise source is minimized. Subsequently, the development of a sensor with a detection limit of 1E-6 g (g = acceleration of gravity), based on the derived physical and constructive foundations, will be described. The microtechnical construction will be presented at this point and development of requisite sensor electronics will be dealt with in detail. The objective was the realization of requisite highly sensitive amplifier and the control unit. In order to suitably design and optimize the electronic control, the dynamic behaviour of the entire system has been described analytically. With the help of a numerical model of the entire system the suitability of selected parameters was again inspected. Furthermore, in the course of this thesis a measuring station was developed where the accelerometers are characterized after manufacture. For the first time it became possible to measure such sensors directly at their resolution limits. The acceleration equivalent to the noise level is measured with approx. 2.5E-6 g, thus fitting well with the theoretical prediction.