Electric Field Sensing - Elfis

Electric Field Sensing

Zusammenfassung für die Öffentlichkeitsarbeit

Ziel des von der niederösterreichischen Landesregierung mitbegründeten Projekts war es, eine neue Art der passiven elektrischen Feldmessung zu etablieren, die das zu messende E-Feld kaum verzerrt. Der angestrebte Ansatz basiert auf Mikrosystemtechnologie und nutzt E-Feld-induzierte mechanische Auslenkungen in Verbindung mit einer sehr empfindlichen optischen Auslesung. Die extrem schwachen elektrostatischen Kräfte erfordern hoch entwickelte Techniken, um diese Kräfte in messbare Auslenkungen umzuwandeln. Die E-Feld-Wandlung erfordert weder eine elektrische Stromversorgung noch eine geerdete Verbindung. Als Verbindung zwischen Messkopf und Elektronik wurden dielektrische Lichtwellenleiter angedacht. Damit sollten viele Messungen insbesondere von (quasi-)statischen Feldern ermöglicht werden, die mit modernen Systemen derzeit nicht realisierbar sind.
Durch die Einfachheit der optischen Auslesung mit einer Mikro-Blende kann auf teure Komponenten wie kohärente Lichtquellen, Optokoppler oder Strahlteiler verzichtet werden. Die stabförmige Sonde mit dem Wandler an ihrem fernen Ende ermöglicht eine nahezu punktförmige Messung der elektrischen Feldstärke in einem Abstand von einem Meter bei nahezu vernachlässigbaren Verzerrungen des elektrischen Feldes.
Mit der ersten Serie von funktionierenden Mikrosystemen konnte nachgewiesen werden, dass die vorgeschlagene Methode für die Messung des elektrischen Feldes praktikabel ist. Im Rahmen des Projekts wurden beispielsweise hochpräzise, punktförmige Abbildungen des Feldes eines elektrostatischen Quadrupols erstellt. Diese Messungen wurden an einem der Quadrupol-Fokussierelemente des ELENA-Rings am CERN durchgeführt, wo ein unbefriedigter Bedarf an Instrumenten zur Qualitätskontrolle und Optimierung ihrer elektrostatischen Komponenten besteht.
Die Ergebnisse des Projekts führten zu einer neuen Methode zur Messung des elektrischen Feldes. Wie bereits erwähnt, ermöglichen die einzigartigen Eigenschaften dieser Methode neue Arten von Messungen, die sich als neue Forschungsagenda präsentieren. Dazu gehören die Weiterentwicklung der Erforschung der atmosphärischen Elektrizität oder der ökologischen und physiologischen Auswirkungen der Hochspannungs-Wechselstrom- und Gleichstrom-Infrastruktur. Die entsprechenden Ergebnisse bergen die Möglichkeit für Paradigmenwechsel.
Aus heutiger Sicht ist der größte Nutzen für andere Wissenschaftszweige im Bereich der Atmosphärenforschung zu sehen. Mit dem entwickelten Sensor wird es möglich sein, Veränderungen des ungestörten elektrostatischen Feldes in der Atmosphäre zu beobachten und damit einen entscheidenden Einblick in die zugrunde liegenden Prozesse der Atmosphärenforschung, Meteorologie und Blitzforschung zu gewinnen. Große Fortschritte werden auf diesem Gebiet erwartet, insbesondere bei der periodischen, automatisierten und räumlich verteilten Messung der Feldstärke mit Drohnen.
Im Bereich der Medizin und Biologie kann das neue Messsystem (nach Weiterentwicklung) zur Untersuchung der Auswirkungen spezifisch statischer elektrischer Felder auf Organismen eingesetzt werden.
Schlussendlich werden von dem neuen System neue Erkenntnisse auf dem Gebiet der Triboelektrizität und deren Auswirkungen im Bereich des Ladungstransports durch Staub erwartet.

Details

Projektzeitraum 01.04.2016 - 30.11.2019
Fördergeber FWF
Förderprogramm FWF
Department

Department für Integrierte Sensorsysteme

Zentrum für Mikro- und Nanosensorik

Projekt­verantwortung (Donau-Universität Krems) Dipl.-Ing. Dr. Wilfried Hortschitz
Projekt­mitarbeit Gabor Kovacs, BSc Dipl.-Ing. Dr. Harald Steiner

Publikationen

Kainz, A.; Keplinger, F.; Hortschitz, W.; Kahr, M.; Steiner, H.; Stifter, M.; Hunt, J. R.; Resta-Lopez, J.; Rodin, V.; Welsch, C. P.; Borburgh, J.; Fraser, M. A.; Bartmann, W. (2019). Noninvasive 3D Field Mapping of Complex Static Electric Fields. PHYSICAL REVIEW LETTERS, Vol. 122: 244801

Kainz, A.; Steiner, H.; Hortschitz, W.; Schalko, J.; Jachimowicz, A.; Keplinger, F. (2019). Improved Reference-Free Vibration-Suppressed Optical MEMS Electric Field Strength Sensor. In: IEEE, proceedings 2019 20th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems & Eurosensors XXXIII (TRANSDUCERS & EUROSENSORS XXXIII): 2114-2117, IEEE, Deutschland

Hortschitz, W.; Kainz, A.; Kovacs, G.; Steiner, H.; Stifter, M.; Sauter, T.; Schalko, J.; Jachimowicz, A.; Keplinger, F. (2018). Robust, ultra sensitive MOEMS inertial sensor read out with infrared light. 2018 IEEE Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Vol. 1: 952-955

Kainz, A.; Hortschitz, W.; Steiner, H.; Stifter, M.; Schalko, J.; Jachimowicz, A.; Keplinger, F. (2018). Passive optomechanical electric field strength sensor with built-in vibration suppression. Applied Physics Letters, Vol. 113, iss. 14: 143505

Hammer, G.; Kainz, A.; Hortschitz, W.; Zan, H. W.; Meng, H. F.; Sauter, T.; Keplinger, F. (2018). Detection of Heart and Respiration Rate with an Organic-Semiconductor-Based Optomechanical MEMS Sensor. Proceedings Eurosensors 2018, Vol. 2, iss. 13: 715

Hortschitz, W.; Kainz, A.; Steiner, H.; Kovacs, G.; Stifter, M.; Kahr, M.; Schalko, J.; Keplinger, F. (2018). Characterization of a Micro-Opto-Mechanical Transducer for the Electric Field Strength. Proceedings Eurosensors 2018, Vol. 2, iss. 13: 855

Kahr, M.; Domke, M.; Steiner, H.; Hortschitz, W.; Stifter, M. (2018). Borosilicate Glass MEMS Lorentz Force Magnetometer. Proceedings Eurosensors 2018, Vol. 2, iss. 13: 788

Kahr, M.; Hortschitz, W.; Steiner, H.; Stifter, M.; Kainz, A.; Keplinger, F. (2018). Novel 3D-Printed MEMS Magnetometer with Optical Detection. Proceedings Eurosensors 2018, Vol. 2, iss. 13: 783

Kahr, M.; Stifter, M.; Steiner, H.; Hortschitz, W.; Kovacs, G.; Kainz, A.; Schalko, J.; Keplinger, F. (2018). Responsitivity Measurement of a Lorentz Force Transducer for Homogeneous and Inhomogeneous Magnetic Fields. Proceedings Eurosensors 2018, Vol. 2, iss. 13: 843

Kainz, A.; Hortschitz, W.; Steiner, H.; Stifter, M.; Keplinger, F. (2018). Equivalent Circuit Model of an Optomechanical MEMS Electric Field Strength Sensor. Proceedings Eurosensors 2018, Vol. 2, iss. 13: 712

Steiner, H.; Kainz, A.; Stifter, M.; Kahr, M.; Kovacs, G.; Keplinger, F.; Hortschitz, W. (2018). Cross-Sensitivity of an Optomechanical MEMS Transducer. Proceedings Eurosensors 2018, Vol. 2, iss. 13: 719

Kainz, A.; Steiner, H.; Schalko, J.; Jachimowicz, A.; Kohl, F.; Stifter, M.; Beigelbeck, R.; Keplinger, F.; Hortschitz, W. (2018). Distortion-free measurement of electric field strength with a MEMS sensor. Nature Electronics, 1: 68-73

Vorträge

Improved Reference-Free Vibration-Suppressed Optical MEMS Electric Field Strength Sensor

20th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems & Eurosensors XXXIII (TRANSDUCERS & EUROSENSORS XXXIII), Berlin, (D), 25.06.2019

3D-Printed MEMS Magnetometer Featuring Compliant Mechanism

Eurosensors 2018, Graz, Österreich, 10.09.2018

Borosilicate Glass MEMS Lorentz Force Magnetometer

Eurosensors 2018, Graz, Österreich, 10.09.2018

Cross-Sensitivity of an Optomechanical MEMS Transducer

Eurosensors 2018, Graz, Österreich, 10.09.2018

MOEMS Based Single Chip Lorentz Force Magnetic Gradiometer

Eurosensors 2018, Graz, Österreich, 10.09.2018

Novel 3D-Printed MEMS Magnetometer with Optical Detection

Eurosensors 2018, Graz, Österreich, 10.09.2018

Responsitivity Measurement of a Lorentz Force Transducer for Homogeneous and Inhomogeneous Magnetic Fields

Eurosensors 2018, Graz, Österreich, 10.09.2018

Robust, ultra sensitive MOEMS inertial sensor read out with infrared light

2018 IEEE Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Belfast, Irland, 23.01.2018

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