Electric Field Sensing - Elfis

Electric Field Sensing

Die Bestimmung des elektrischen Feldes ist eine sehr schwierige Aufgabe und nur schwer ohne Rückwirkung auf das zu messende Feld möglich. Eine Messmethode um die Stärke des elektrischen Feldes lokal aufzulösen ohne dieses dabei zu stören, würde einen erheblichen Nutzen für die Allgemeinheit darstellen. Daher wird eine neuartige Wandlungsmethode für statische und langsam veränderliche elektrische Felder vorgestellt, welche den Weg für neuartige Messmethoden ebnet.

Die gesetzten Ziele umfassen die Hersellung eines miniaturisierten passiv operierenden Wandlers, eine Auflösung besser als 100 V/m, eine zu vernachlässigende Temperaturabhängigkeit und eine sehr geringe Verzerrung des zu messenden elektrischen Feldes.

Bei der angestrebten Serienschaltung von elektro-mechanischer, mechano-optischer und opto-elektrischer Signalwandlung wird ein elektro-mechanischer Aufnehmer in Form eines Mikrosystems verwendet. Durch die gleichzeitige Modulierung eines Lichtflusses wird eine extrem sensitive mechano-optische Wandlung realisiert. Die Wandler werden über dielektrische Wellenleiter mit Licht von einer entfernten Quelle versorgt. Um eine minimale Feldverzerrung zu garantieren, wird das modulierte Licht auch nach dem Wandler zu einem Lichtempfänger geführt.

Aufgrund der involvierten physikalischen Gebiete erfordern alle wissenschaftlichen Fragestellungen eine interdisziplinäre Herangehensweise. Von der Vielzahl an zu behandelnden Themen sollen hier einige aufgezählt werden. Um die generell sehr schwachen elektrostatischen Kräfte in messbare Auslenkungen überzuführen, bedarf es eines hochentwickelten Wandler-Designs. Zu diesem Zweck ist es vorgesehen, umfassende 3D-Modelle zu entwickeln welche die Optimierung der praktisch zwei-dimensionalen mikro-elektro-mechanischen Wandler mit dem externen Feld ermöglichen. Obwohl der zugrunde liegende Lichtfluss-Modulator gut erforscht ist, muss die Ankopplung des relativ großen Wandlers an die Lichtleiter im Detail untersucht werden. Unipolare Ladungen an der Hülle des Wandlers können mit dem zu messenden Feld interferieren und damit zusammenhängende Effekte wie eine Langzeitdrift hervorrufen, wodurch detaillierte Untersuchungen notwendig werden. Prozessanpassungen in der Mikrotechnologie und eine erweiterte Modellierung ermöglichen verbesserte Entwurfsrichtlinien, welche für die äußerst sensitive elektro-mechanische Wandlung notwendig sind. Um die praktische Verwendbarkeit darzulegen, werden Feldtests und Messungen an geophysikalischen Messstationen durchgeführt.

Die erfolgreiche Durchführung des Projektes wird zu einer neuen Generation an hochempfindlichen Wandlern für statische und sich langsam ändernde elektrische Felder führen. Der vorgeschlagene Ansatz verspricht unübertroffene Vorteile für zahlreiche praktische Anwendungen wie etwa in der Blitzforschung oder in der Geophysik.

Das Forschungsteam vereint Experten aus dem Gebiet der Mikrosystemtechnik, Sensor-Design und -Modellierung als auch der Blitzforschung von der Donau-Universität Krems, der Technischen Universität Wien und dem OVE.

Das Projekt wird durch das Land Niederösterreich kofinanziert.

Details

Projektzeitraum 01.04.2016 - 31.10.2019
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 Dipl.-Ing. Dr. Harald Steiner

Publikationen

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

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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