Minisensor für elektrische Felder

Elektrische Felder genau zu vermessen ist in vielen Bereichen wichtig: Für die Wetter­vorhersage, für die Kontrolle von Industrie­maschinen, oder auch um die Sicherheit von Menschen zu gewähr­leisten, die an Hochspannungs­leitungen arbeiten. Ein Forscher­team der TU Wien hat nun einen Sensor aus Silizium entwickelt, der auf einer ganz anderen Konstruktions­idee beruht als bisherige Messgeräte. Ihr mikro­elektro­mechanisches System hat den großen Vorteil, dass er das elektrische Feld, dessen Stärke er messen soll, nicht stört.

„Die Geräte, die man heute verwendet, um elek­trische Feldstärken zu messen, haben gra­vierende Nachteile“, erklärt Andreas Kainz vom Institut für Sensor- und Aktuator­systeme. „Sie enthalten Teile, die beim Messen elektrisch geladen werden, leitende Metall­komponenten können das Feld, das man messen will, deutlich verändern. Diese Störungen werden noch schlimmer, wenn das Gerät noch dazu geerdet werden muss, um einen Referenz­punkt für die Messung zu haben.“ Außerdem sind solche Mess­geräte oft relativ unhandlich und schwer trans­portabel.

Der Sensor, den das Team der TU Wien entwickelte, ist aus Silizium und beruht auf einem recht einfachen Konzept: Kleine gitter­artige Silizium­strukturen mit Abmessungen im Mikrometer­bereich werden an einer kleinen Feder fixiert. Wenn man das Silizium in ein elek­trisches Feld einbringt wirkt eine Kraft auf die Silizium­kristalle und die Feder wird minimal gedehnt oder gestaucht. Diese winzigen Verschie­bungen gilt es nun sichtbar zu machen – und das geschieht auf optischem Weg.

So befindet sich über der beweg­lichen Silizium-Gitter­struktur an der Feder ein weiteres Gitter, sodass die Gitter­öffnungen einander exakt verdecken. Bei Anwesen­heit eines elek­trischen Feldes verschiebt sich die bewegliche Struktur ein kleines Stück, die Gitter­öffnungen werden nicht mehr perfekt abgedeckt und Licht kann durch die entstehenden Öffnungen fallen. Dieses Licht wird gemessen, und bei passender Kali­brierung lässt sich daraus leicht ablesen, wie groß das elek­trische Feld ist.

Messen kann man so zwar nicht die Richtung, aber die Stärke des elek­trischen Feldes – und zwar bei Feldern mit einer relativ niedrigen Frequenz von bis zu einem Kilohertz. „Mit unserem Prototyp konnten wir bereits schwache Felder von weniger als 200 Volt pro Meter zuver­lässig messen“, sagt Andreas Kainz. „Damit erreicht unser System bereits jetzt ungefähr das Niveau bis­heriger Produkte, und das obwohl es deutlich einfacher und kleiner ist.“ Allerdings gibt es hier noch viel Verbesserungs­potenzial: „Andere Mess­methoden sind bereits ausgereift – wir fangen gerade erst an. In Zukunft werden mit unserem mikro­elektromecha­nischen Sensor sicher noch deutlich bessere Ergeb­nisse zu erzielen sein“, ist Andreas Kainz zuver­sichtlich.

TU Wien / JOL