Sensor erkennt Vibrationen im Nanometerbereich

Hightech-Chip aus Wien misst Kräfte und Längenänderungen präzise. [...]

Forscher der Technischen Universität Wien (TU Wien) haben einen winzigen Sensor–Chip mit einem Durchmesser von weniger als einem Zehntelmillimeter entwickelt. Damit lassen sich Kräfte und Längenänderungen hochpräzise messen. Der Chip soll Rasterkraftmikroskope verbessern und könnte eines Tages auch Roboter mit hochsensiblem Fingerspitzengefühl ausstatten.

Quadratisch praktisch

„Die meisten Kraft–Sensoren können Kräfte nur in einer Richtung messen. Für viele Anwendungen reicht das aber nicht aus – zum Beispiel, wenn man in einem Rasterkraftmikroskop eine dünne Spitze Atom für Atom über eine raue Oberfläche gleiten lässt. Dann treten Kräfte in unterschiedliche Richtungen auf, aus denen man wertvolle Information gewinnen kann“, erklärt Dissertant Alexander Dabsch am Institut für Sensor– und Aktuatorsysteme der TU Wien.

Der neue Kraft–Sensor kann deutlich mehr als bisherige Entwicklungen in diesem Bereich. Er misst nicht nur die Richtung der Kraft in allen drei Raumdimensionen, er kann auch noch Torsion – also räumliche Verdrehungen – präzise detektieren. Der Chip hat einen quadratischen Rahmen, der durch Krafteinwirkung von außen leicht verbogen werden kann. In der Mitte befindet sich eine kreuzförmige Struktur aus Siliziumdrähten, dünn wie Fliegenbeine.

Vibrierende Silizium-Struktur

„Genau wie eine Gitarrensaite, kann auch diese Silizium-Struktur vibrieren. Wir können diese Vibrationen gezielt anregen, indem wir ein äußeres Magnetfeld anlegen und dann Strom durch die Struktur fließen lassen. Dabei entsteht eine Kraft, die Schwingungen auslöst“, so Dabsch. Das Funktionsprizip ähnele dem Stimmen einer Gitarre. Dieses Prinzip nutzt der Sensor, um Krafteinwirkungen und Verbiegungen am Rahmen zu messen. Die Schwingungsfrequenzen der Silizium-Struktur ändern sich, wenn eine äußere Kraft den Sensor verbiegt.

„Die Schwingungsfrequenz lässt sich auf wenige Hertz genau messen, das ermöglicht uns, die Verbiegungen am Chip mit einer Präzision im Nanometerbereich anzugeben“, fügt er hinzu. Das Anwendungspotenzial ist groß: „Nachdem unser Sensor extrem kompakt ist, liegt es nahe, über einen Einsatz in Rasterkraftmikroskopen nachzudenken. Aber es gibt natürlich auch noch viele andere Möglichkeiten – von der Überwachung mechanischer Verbiegungen in Bauwerken bis hin zur Präzisions-Robotik, etwa wenn eine Maschine mit besonders empfindlichen Objekten hantieren soll, auf die nur eine ganz bestimmte Maximalkraft ausgeübt werden darf.“