Untersuchungen zur Messung elektrischer Spannungen mit mikroelektromechanischen Bauelementen

In dieser Arbeit werden mikromechanische Sensoren zum Messen elektrischer Spannungen vorgestellt. Diese basieren auf dem Prinzip der elektrostatischen Anziehung in einem Parallelplattenkondensator und können sowohl zum Messen von Gleich- als auch von Wechselspannungen eingesetzt werden. Die konventionelle Methode zur rückführbaren Messung von HochfrequenzSpannungen basiert auf dem Prinzip der thermischen Leistungsumsetzung an ohmschen Widerständen. Durch den quadratischen Zusammenhang von Spannung und Leistung können hiermit Effektivwerte bestimmt werden. Beim elektrostatischen Prinzip, das die Anziehungskraft von Ladungen mit unterschiedlichem Vorzeichen ausnutzt, handelt es sich um ein physikalisch komplett anderes Phänomen. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts waren viele Messinstrumente zum Messen von Spannungen darauf aufgebaut - die sogenannten Elektrometer. Durch den technisch diffizilen Aufbau wurde diese aber schnell von zuverlässigeren Verfahren verdrängt. Erst die Verfügbarkeit der Mikrotechnik hat eine Wiederbelebung des Messprinzips ermöglicht. Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Geschichte und den Stand der Technik der präzisen Hochfrequenzspannungsmessung in Bezug auf hoch genaue Messverfahren. Dabei werden klassische Verfahren und der Einsatz verschiedener Messmethodiken betrachtet. Außerdem wird ein umfassender Überblick über bestehende mikrotechnisch hergestellte Sensoren zur Spannungsmessung gegeben und aktuelle Entwicklungen aufgegriffen. Die Theorie der elektrostatischen Kraftwirkung in parallelen Plattenkondensatoren ist analytisch beschreibbar, sowohl im translatorischen als auch im rotatorischen Fall. Anhand eines mathematischen und eines numerischen Modells werden die kritischen Abmessungen und deren Einfluss auf die erreichbare Auflösung sowie auftretende parasitäre Effekte diskutiert. Die Ergebnisse der theoretischen Diskussion werden im dritten Abschnitt der Arbeit benutzt, um mikromechanische Sensoren auszulegen und herzustellen, wobei zwei völlig unterschiedliche Ansätze präsentiert werden. Aufgrund der Anforderungen an die Geometrie mussten bestehende mikromechanische Prozesse angepasst und neue Kombinationen entwickelt werden. Der erste Sensor wird in einem Batchprozess aus Bulk-Silizium hergestellt. Durch anodisches Bonden mit einem Glaswafer wird ein Aktor in rotatorischer Anordnung mit hohem Aspektverhältnis realisiert. Dieser hat eine große Masse und ein sehr träges Verhalten. Der zweite Ansatz basiert auf einem galvanisch verstärkten Aktor aus Kupfer, der sich nur translatorisch bewegen kann. Der Plattenabstand des Kondensators wird über eine polymer-basierte Opferschicht eingestellt. Dieser Sensor ist für eine bessere hochfrequenztechnische Anpassung und damit einen größeren Frequenzbereich optimiert. Beide Sensoren werden eingehend untersucht und Messergebnisse präsentiert, die eine hohe Auflösung für Frequenzen bis zu einem Gigahertz zeigen. Die Arbeit schließt ab mit einer Zusammenfassung sowie einem Ausblick auf mögliche Verbesserungen und weiterführende Forschungsziele auf dem Gebiet der mikroelektro-mechanischen Spannungsmessung.