Kraftkompensierte mikroelektromechanische Systeme (MEMS) zur Rückführung von HF-Spannungen auf Gleichspannung

In den letzten Jahren wird die Silizium-Technologie erfolgreich dazu benutzt, maßgeschneiderte mechanische Strukturen mit kleinen Abmessungen herzustellen, die sich in verschiedenen Bereichen der Messtechnik einsetzen lassen. Mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) lassen sich wegen der geringen Abmessungen auch Kräfte durch elektrostatische Felder erzeugen (Aktuatoren) oder messen (Sensoren). In der PTB werden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Mikrotechnik der TU Braunschweig MEMS entwickelt, mit denen sich höhere HF-Spannungen leistungslos messen und auf Gleichspannungen zurückführen lassen. Besonders geeignet erscheint hierfür eine elektrisch leitende, durch Torsionsfedern gehaltene Wippenstruktur. Diese wird auf der Ober- und Unterseite im Abstand weniger µm durch Deckplatten aus Pyrex-Glas abgedeckt, die je mit zwei festen Gegenelektroden ausgestattet sind (s. Bild). Zusammen mit der Wippenstruktur werden so zwei Differentialkondensatoren gebildet. Durch eine etwa an die obere Elektrode des linken Kondensators angelegte HF-Spannung kann die Wippenstruktur aus der Ruhelage statisch ausgelenkt werden. Dabei muss die Frequenz nur höher sein als die mechanische Resonanzfrequenz (hier ca. 100 Hz). Die Kräfte des elektrostatischen Feldes wirken dann proportional zum Effektivwert der anregenden Spannung. Mit Hilfe einer kapazitiven Lageerkennung am rechten Differentialkondensator kann die Fehlstellung der Wippenstruktur durch eine spannungsgesteuerte Gegenkraft an der unteren Elektrode des linken Differentialkondensators ausgeglichen werden, die dann ein Maß für die unbekannte HF-Spannung am Eingangstor darstellt. Durch eine vorangegangene Kalibrierung des MEMS mit einer bekannten Gleichspannung am Eingangstor ist es möglich, den Effektivwert der HF-Spannung auf das DC-Spannungsnormal rückzuführen. Erwartet wird eine Unsicherheit von etwa 100 µV/V bei Frequenzen bis 100 MHz.

Foto einer mikroelektromechanischen Wippenstruktur (Abmessung 20 x 10 mm², Dicke 360 µm) mit Deckplatten und Elektroden zur Rückführung von HF-Spannungen auf DC.