Entwicklung eines energieeffzienten MEMS-Sensorsystems zur zweidimensionalen Messung von Luftströmungen mit drahtlosen Sensorknoten

Abstract

Die Arbeit beschreibt die Entwicklung eines MEMS-Sensorsystems, zur Detektion von Geschwindigkeit und Richtung von Luftströmungen, mit Hilfe von drahtlosen Sensornetzwerken. Diese kommen bei der Untersuchung der Strömungsverhältnisse in Kühllagern für Äpfel zum Einsatz. Zwei wesentlichen Aufgabenstellungen stehen im Fokus dieser Arbeit. Die eine umfasst den Entwurf, die Herstellung sowie die Charakterisierung eines thermischen MEMS-Strömungssensors, welcher gleichzeitig Strömungsgeschwindigkeit als auch Strömungsrichtung ermittelt. Den zweiten Aufgabenbereich bildet die Entwicklung eines energieeffizienten Ansteuerungsverfahrens für diesen Sensor. Bei der Entwicklung des Sensors kommt ein Design zum Einsatz, bestehend aus einer zentralen Heizerstruktur. Diese ist umringt von vier, um 90° versetzte Thermopiles, welche sich so paarweise gegenüberliegen. Auf diese Weise werden zwei zueinander orthogonale Anteile der Strömung erfasst, aus denen sich die Geschwindigkeit (Betrag) und die Richtung (Phase) ermitteln lassen. Der Sensor besitzt eine Grundfläche von 2 mm x 2 mm. Die Herstellung erfolgt auf einer Basis von Silizium. Hierbei werden sowohl Heizer- als auch Thermopilestrukturen aus Wolfram-Titan hergestellt. Letztere zusätzlich aus dotiertem Poly-Silizium. Die Strukturen befinden sich auf einer dünnen Membran aus Siliziumnitrid. Aufgrund der Verwendung in Drahtlosen Sensornetzwerken, spielt die Energieeffizienz eine entscheidende Rolle. Hierzu wird ein innovatives Ansteuerungsverfahren vorgestellt, welches die Heizerstruktur des thermischen Strömungssensors durch kurze Impulse mit konstanter Energie anregt. Gegenüber herkömmlicher Verfahren mit kontinuierlicher Heizeranregung, ermöglicht diese gepulste Ansteuerung eine Energiereduktion von bis zu 99%. Resultierend lässt sich auf diese Weise bei einer Strömungsgeschwindigkeit um die 0,1 m/s eine Winkelauflösung von unter 1° erzielen.