Sensible Sensoren dank parametrischer Verstärkung

Sensoren elektronischer Geräte arbeiten mit hochfrequenten Signalen. Damit dabei die Messungen möglichst präzise sind, wird der Effekt der parametrischen Verstärkung genutzt. Forschende der Technischen Universität München untersuchen, wie mithilfe der parametrischen Verstärkung die Funktionalität von Sensoren deutlich erweitert werden kann. Mögliche Anwendungen sind die verbesserte Standortbestimmung mit mikroelektromechanischen Sensoren, wie sie etwa in Smartphones eingesetzt werden.

Durch rhythmisches In-die-Knie-Gehen schwingt eine Schaukel auf einer vorgegebenen Bahn immer höher und höher. Diese parametrische Verstärkung ist prinzipiell in vielen elektronischen Geräten zu finden. Auf diesen Effekt wird unter anderem zurückgegriffen, um die Sensitivität dieser Geräte zu vergrößern und dadurch die Messgenauigkeit zu verbessern. So nutzen mikro- und nanostrukturierte Bauteile in Navigationssystemen, Smartphones und anderen mobilen Endgeräten die parametrische Verstärkung. Auch in selbstfahrenden Autos kommt sie zum Einsatz. Forschende der TUM arbeiten daran, die bisherigen Grenzen der Technik zu erweitern. Die neue Studie errechnet, wie diese Grenzen überwunden werden können.

„Bislang ist die parametrische Verstärkung auf einen sehr engen Frequenzbereich der elektrischen, optischen oder mechanischen Schwingungen begrenzt. Genau wie auch die Schaukel stets mit einer festen Frequenz schwingt. Schneller geht es nicht“, sagt Eva Weig. „Gemeinsam mit Forschenden der TU Darmstadt haben wir in einer theoretischen Modellrechnung untersucht, was passiert, wenn man diesen Frequenzbereich erweitert. Nach unseren Berechnungen könnte die Empfindlichkeit von Sensoren damit entscheidend verbessert werden.“

Die Forschenden haben dabei dynamische, also schwingende, Mikro- und Nanosysteme modelliert und als Ausgangspunkt ihrer Berechnungen auf Mathieu-Duffing-Systeme zurückgegriffen. Dieser Berechnungsansatz wird in den meisten elektronischen Geräten angewendet. Um als Mathieu-Duffing-System zu gelten, müssen drei Bedingungen erfüllt sein: mindestens zwei Schwingungen sind miteinander gekoppelt, mathematisch nichtlineare Elemente sind vorhanden und eine parametrische Verstärkung liegt vor. Ein Element ist in diesem Fall genau dann nichtlinear, wenn die Auslenkung der Schwingung nicht proportional zur aufgewendeten Antriebskraft ist.

„Im Fokus unserer Arbeit lag eine parametrische Verstärkung, die asynchron verläuft. Vergleichbar ist dieser Effekt mit zwei Schaukeln, die zwar miteinander verbunden sind, aber nicht gleichzeitig zum Schwingen gebracht werden“, sagt Ahmed Barakat vom Lehrstuhl für Nano- und Quanten­sensorik. „In diesem Fall kommt es zu einer Breitbandverstärkung. Dadurch können wir nicht wie zuvor nur einige Frequenzen verstärken, sondern diese flexibel ansteuern und so den Funktions­bereich deutlich vergrößern.“

Ein wichtiger Einsatzzweck der parametrischen Verstärkung ist das Mikrogyroskop, ein Drehraten­sensor, wie er nicht nur in jedem Smartphone, sondern beispielsweise auch in Satelliten verbaut ist. Vorstellen kann man sich dieses, wie einen rotations­symmetrischen Kreisel, der sich in einem beweglichen Lager dreht. Gelingt es, die parametrische Verstärkung zu verbessern, ist es beispielsweise möglich, die Position und Flugbahn von Satelliten präziser zu bestimmen. Darüber hinaus kann die parametrische Verstärkung zukünftig auch in der Quanten­informationstechnologie eine wichtige Rolle spielen, etwa bei der Umwandlung von Signalen.

TUM / JOL