WO2008017090A2 - Miniatur-beschleunigungssensor - Google Patents

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WO2008017090A2
WO2008017090A2 PCT/AT2007/000380 AT2007000380W WO2008017090A2 WO 2008017090 A2 WO2008017090 A2 WO 2008017090A2 AT 2007000380 W AT2007000380 W AT 2007000380W WO 2008017090 A2 WO2008017090 A2 WO 2008017090A2
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Hubert BRÜCKL
Michael Kast
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/105—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by magnetically sensitive devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance

Definitions

  • the present invention relates to an acceleration sensor which responds to external forces while providing an electrical signal.
  • the acceleration sensor itself is moved with the system to be detected, which is subject to acceleration or deceleration.
  • An acceleration sensor is a sensor sensor that measures the acceleration by determining the inertial force acting on a test mass. Thus, e.g. It is determined whether an increase or decrease in speed takes place and also how big it is.
  • sensors are used which are integrated in the moving system. They are moved with the same, so that usually no external fixed points must be used to detect the movement.
  • a core of each acceleration sensor is therefore an element that changes one of its physical properties due to the external force. If the acceleration sensor has, for example, a spring-mass system, then, for example, a position of the mass suspended by the spring with respect to a fixed point of the sensor can be used to determine the movement.
  • Known technical solutions of acceleration sensors are based on various physical effects and detection methods.
  • Known classical acceleration sensors are the following:
  • Strain Gages The determination of the force on the test mass is done by measuring the deformation of the fixture, e.g. a rod, is determined by means of strain gauges. This system is especially suitable for low frequencies.
  • Magnetic Induction When moving the test mass suspended on a spring, a magnet induces a voltage in a coil, similar to a dynamic microphone, ie a voice coil microphone.
  • MEMS Micro-Electro-Mechanical System
  • Piezoelectric acceleration sensors A piezoceramic sensor plate converts dynamic pressure fluctuations into electrical signals, which can then be further processed accordingly.
  • the pressure fluctuation is generated by a "seismic" mass attached to the piezoceramic and acts on the piezoceramic when the overall system accelerates.
  • This system is used for example in Radauswuchtungsmaschinen, where any imbalance of the wheel generates corresponding signal in the piezoceramic. It detects the imbalance on the tire within seconds.
  • MEMS is the combination of mechanical elements, sensors, actuators and electronic circuits on a substrate or chip.
  • MEMS are based on semiconductor electronics.
  • Base material or substrate is usually silicon, but also gallium arsenide.
  • Microelectronics is limited to electrical components such as transistors (CPU) and capacitors (RAM).
  • Microsystems technology extends this range to mechanical, optical, chemical and / or biological components.
  • MEMS can be integrated into silicon technology and therefore manufactured and packed batch-produced in large quantities.
  • miniaturized MEMS-based acceleration sensors have become increasingly important. These sensors are spring-mass systems in which the "springs" are only a few microns wide silicon ridges and the mass is made of silicon. Due to the deflection during acceleration, a change in the electrical capacitance can be measured between the spring-suspended part and a fixed reference electrode. The entire measuring range corresponds to a capacitance change of only about 1 pF, so the electronics for the evaluation of this small capacitance change must be integrated directly on the same semiconductor device. For the production of these sensors, the mass and the small silicon
  • This type of acceleration sensor has the advantage of relatively low unit costs due to mass production and high reliability. Some such sensors can still withstand acceleration up to a thousand times the measurement range without damage. Due to the small size, they are also characterized by high measuring speed. They are therefore used e.g. used to trigger airbags in vehicles.
  • the acceleration is a mechanical quantity that in many areas of the
  • Precision accelerometers are also used in some cases for measurements in the Earth's gravity field - see gravimetry and gradiometry, as well as the ESA satellite GOCE.
  • Acceleration sensors therefore have a multitude of possible uses, of which only a few examples are mentioned here:
  • the motion sensor detects when a person remains motionless - immediately a correspondingly equipped alarm device calls medical
  • the sensor registers whether an object is moving, which should normally not move. For example, the caravan at the campsite.
  • the alarm is triggered when moving.
  • Fall Protection The sensor detects if a notebook crashes to the ground. In the case of
  • the reading heads of the hard disk are quickly put into parking position to avoid data loss.
  • the sensor is also suitable for transporting valuable works of art to determine which vibrations are the same were exposed during their journey.
  • the motion sensor can detect mouse movements without optical scanning of the ground - even in all three directions.
  • Bosch has been manufacturing MEMS sensors for use in automobiles since 1988 - to date more than 400 million units. These sensors have to function reliably for an entire car's life in inhospitable conditions such as extremely fluctuating temperatures and vibrations.
  • the experience in the development and mass production of sensors in the automotive field supports the reliability and longevity of the latest related sensor innovation. These features also benefit the sensors used in everyday devices, ie consumer devices.
  • the accelerometer can withstand acceleration loads up to 10,000 times the gravitational force.
  • Piezo sensors constant accelerations, e.g. Gravitational acceleration, can not be detected with piezoelectric acceleration sensors.
  • MEMS Although the MEMS technology is reliable and cheap, especially as a result of the large quantities, it still requires high precision and expensive machinery. MEMS often have separate electronics on a separate chip. An integration of electronics and nano-acceleration sensor is possible, but expensive.
  • the object of the invention has been found to replace the technologically complex MEMS structures by inexpensive and simple sensor structures.
  • self-organizing nanowires as inertial mass and oscillating system on the other hand magnetic particles and furthermore magnetoresistive layer systems as detector units have been considered.
  • the invention thus provides a new miniature sensor for detecting and determining acceleration and deceleration processes of masses, objects od.
  • a field emitting inertial mass, at least one sensitive to field strength changes detector and an indication unit comprises and with the mass, the object od.
  • Mitbewegbar is according to the O berbegriff of claim 1 A, which has the features mentioned in the K character of this claim M.
  • the present invention is based in particular on the combination of nanowires and MR detectors for the sensor task.
  • This invention uses the change in resistance in a magnetoresistive (MR) detector to determine the inertial mass position, which responds to the stray mass magnetic stray fields.
  • MR magnetoresistive
  • Detector unit is made, is fundamentally different than is the case with the invention.
  • the particularly complex MEMS technology is used, in which at least four detectors must be provided on a separate plane, while on the other, at a distance from the other, practically hovering over the first plane and in Z-.
  • a plurality of tongues or the like In the direction of the deflectable plane, a plurality of tongues or the like must be moved in the x and y directions by the respective accelerating or delayed mass, ie, this movement of the tongues in the x, y and z directions, ie in all directions three directions of space takes place.
  • the said four tongues 2c according to US-A functionally correspond approximately to the nanowire or single crystal of the present invention, while the local pin 4 substantially corresponds to the mass 3 of the mass particles located at the end of the nanowire according to the invention.
  • the tongues are arranged on a substantially floating plane.
  • WO 03/053851 A2 describes an arrangement for measuring bending forces by means of a nanowire, in particular according to claim 1 and FIG. 12 there, but which must necessarily consist of a piezoelectric material.
  • the measuring signal is there a voltage, which is caused by the piezoelectric effect of the nanowire itself.
  • the device according to the invention While in said W0-A2, ie explicitly the nanowire itself, functions as a detector unit, the device according to the invention operates with a separate detector unit of a single magnetic-resistant layer system and the nanowire functions according to the invention in this sense as merely passive, the to be measured acceleration or delay mediating element.
  • WO 2005/038468 A1 describes a fundamentally different variant of an acceleration sensor, which operates on the detection of an immission stream.
  • EP 1203749 A1 describes a device for measuring force in an atomic force microscope or possibly on a
  • Detector units are called there optical measurement, electron irradiation with current measurement and surface acoustic waves.
  • the devices and the measuring methods practiced with them according to the two aforementioned documents thus differ in a fundamental way from the present invention and also have a different aiming direction, such as e.g. as scanning force microscopy sensor elements in non-contact mode of operation.
  • a different aiming direction such as e.g. as scanning force microscopy sensor elements in non-contact mode of operation.
  • Self-organization is defined as a fundamental physical principle for structure formation. It is defined as a reversible process in which already existing parts (for example, molecules) self-assemble into a more complex structure or pattern [10].
  • a typical example is the self-assembly of nanowires from corresponding molecules in the vapor deposition in the presence of a catalyzed or catalytically active particle.
  • the A n s p r u c h 3 shows a preferred way of forming the nanowire below a growth nucleus, which ultimately forms even the stray field magnetic mass at the end of the single crystal.
  • the A n s p r u c h 4 are preferred sites of the nanowire, on which the magnetic coating or the magnetic nanoparticles is arranged, and further in terms of achieving the highest possible signal strengths preferred materials for it.
  • the A n s p r u c h 5 is shown for the formation of the magnetic field detection layer advantageously provided material.
  • the invention gives more information on this.
  • FIG. 11 An advantageous arrangement of the magnetic field detection layer with respect to the arrangement of the nanowire is shown in FIG. Also the A n s p r u c h 11 concerns a favorable geometry of the new one
  • Acceleration sensor namely the formation and angular position of the nanowire in relation to the magnetic field detection layer.
  • the highest possible signal strengths and high precision, namely acceleration or deceleration in all spatial directions can be achieved with a sensor according to A n s p r u c h 14.
  • a sensor according to A n s p r u c h 14.
  • FIGS. 3a to 3c show three different, but substantially similar, signal-generating acceleration sensors of simple design according to the invention and also illustrate in a simple way the underlying sensor principle of the interaction of magnetic components with the detector layer via stray magnetic fields
  • FIG. 2a to 2e show various arrangements of nanocrystals or nanowires with magnetic nanoparticles and magnetic field detection layer relative to one another
  • FIGS. 3a to 3c show more complicated embodiments of sensors of the new type which are sensitive to one, two and three dimensional acceleration and deceleration processes Components of the invention and the underlying
  • a nanowire 2 acts as a bendable spring that flexes under the load of the inertial mass of nanowire 2 and docked magnetic nanoparticle 3.
  • the magnetic nanoparticle 3 is favorably attached to the upper, free end 22 of the nanowire 2, but may also be fastened at any other position along the nanowire 2.
  • the nanowire 2 and the magnetic particle 3 together form the inertial mass tm.
  • the change in the position of the inertial mass tm is detected by a stray magnetic field mf emitted by it. This stray field is generated by magnetic materials that are used for the production of the nanowire 2 and / or the nanoparticle 3.
  • the magnetic stray fields ms are detected by magnetoresistive detectors or by such a detector 4 which is or is located in the immediate vicinity of the nanowires 2. Conveniently, these are magnetoresistive Detectors 4 made by thin-film method on the substrate 5.
  • the strength of the stray field signal in the detector 4 also changes.
  • the magnitude of the change depends on the relative direction of movement of the inert mass tm and detector 4.
  • a change in distance along the direct connecting line generates the largest signal change and changes according to a power law with a power between 2 and 3. From this, optimized design rules for the concrete structure of the new sensor 1 can be derived.
  • FIG. 1 a shows how the detector substrate 5, which is moved along with an object and coated with the magnetic field detection layer 4, has the tip bound to the substrate 5 or the detection layer 4 at an acute angle ⁇ and from the same obliquely upwardly grown single crystal or nanowire 2 protrudes, which at its free end 22 carries the permanent magnetic stray field ms generating nanoparticles 3. If it comes, for example, to an acceleration of the object and thus of the substrate 5 and the detector layer 4 to the left, the stray magnetic field ms of this system is shifted with slight curvature of the nanowire 2 to the right and thus also movement of the magnetic nanoparticle 3 to the right, and this low, but highly reproducible movement causes in the magnetoresistive coating 4 a change in their electrical resistance. This resistance change is registered by the detection unit 7 and possibly amplified and finally passed on to a storage, display and / or output unit 8.
  • the particular advantage of the new acceleration sensors 1 is that they are present in highly miniaturized form and preferably even with their magnetoresistive layer 4 can be an integral part of a detection electronics, in particular of a chip, which enables their nano-construction.
  • FIG. 1b shows an acceleration sensor 1 with a nanowire 2 with magnetic nanoparticle 3, which grows obliquely from the substrate 5 and then curves upwards toward the vertical, and whose motion is accelerated or decelerated by a double arrow, from which relatively small signals are expected during acceleration are, and according to FIG. 1c, a steep nanowire 2 growing from the substrate 5 is provided, which, however, is curved downwards toward the magnetoresistive layer 4 and can generate a relatively larger or larger signal upon acceleration.
  • FIG. 1d shows an oblique single crystal or nanowire 2 without a separate one
  • Fig. 3a shows a designed approximately with grooves 51 substrate 5, wherein a flank 52 of the groove 51 is coated with the magnetic field detection layer 4, and from the other edge 52, here without detection layer - here perpendicular and about parallel to the flank 51 - the nanowire 2 with the nanoparticles 3 protrudes, whereby a highly sensitive, at least 1-dimensional acceleration sensor 1 is given.
  • a plurality of stationary nanowires 2 protrude vertically from the substrate 5 or from its magnetic field detection layer 4, for example, in a regular array, thus providing a very sensitive 2-dimensional acceleration sensor.
  • the substrate 5 is provided with a plurality of here, e.g. formed three linearly structured "hills" 55, before the highest points 551 of each one nanowire 2 protrudes vertically.
  • a plurality of here, e.g. formed three linearly structured "hills" 55 before the highest points 551 of each one nanowire 2 protrudes vertically.
  • no further nanowire is provided at the first hill 55 on the left, at the hill 55 in the middle both hill flanks 552, 553 are formed with nanowires 2 vertically projecting from the same, and finally the right hill 55 carries only one from a right flank 553 of FIG the same towering nanowire 2 with the nanoparticle 3.
  • This sensor shown in Fig. 3c is particularly suitable for a very effective detection and determination of acceleration and deceleration processes in all 3 space dimensions.
  • Nanowires 2 under the assumption that the detector 4 is parallel to the surface of the substrate 5 as a thin film. Oblique nanowires 2 have an oscillation component perpendicular to the detector 4, and thus generate a significant change in the stray field components under one oscillation period.
  • FIGS. 2 a to 2 e show a number of positioning possibilities of the nanowire 2 together with magnetic particles 3 relative to the detector 4.
  • the magnetic particle 3 may be made of ferromagnetic or paramagnetic material consist. Magnetized ferromagnetic nanoparticles 3 independently generate a stray magnetic field ms. For its amplification, an external constant and homogeneous magnetic field can be used. Such is certainly favorable or necessary for paramagnetic or superparamag netic particles.
  • an external constant and homogeneous magnetic field can be used. Such is certainly favorable or necessary for paramagnetic or superparamag netic particles.
  • three preferred ways to call it being emphasized that there are quite other possibilities:
  • a seedling of ferromagnetic or paramagnetic material is used, which ultimately sits at the tip of the nanowire 2 and can itself generate a stray magnetic field ms.
  • Magnetic material can be obtained by conventional lithography and
  • Coating processes are applied to the nanowire 2 subsequently and targeted.
  • the disadvantage here is the additional process steps that are needed.
  • Magnetic particles can be docked to the nanowire or seed via suitable binding sites. This can happen, for example, in solution: Dissolved magnetic nanoparticles 3, which have specific binding sites on the outer skin, bind on contact to the surfaces of the nanowire 2 or seedling. For example, a typical bond of the magnetic particle 3 would be via a thiol bond to a gold surface of the seedling.
  • the preparation of the magnetoresistive detectors on the substrate surface is preferably carried out by means of the methods of layer production and lithography.
  • newer magnetoresistive effects e.g. Giant magnetoresistance GMR and tunnel magnetoresistance TMR are preferred because they provide much higher signal amplitudes.
  • the constellation in Fig. 3a shows an example of a possible arrangement for a 1-dimensional sensor 1.
  • forces parallel to the nanowire 2 do not work because the nanowire 2 is too stiff.
  • Forces parallel to the sensor layer 4, ie in the plane of the paper, do not provide any signal change since the stray field effect on the sensor 4 remains unchanged. Alone Movement and forces perpendicular to the sensor layer 4 are detected with maximum signal amplitude.
  • Nanowires 2 projecting perpendicularly from the detector layer 4, as shown in FIG. 3b, can move in 2 dimensions. This means that only forces in a plane can be determined.
  • Such a sensor according to FIG. 3b is isotropic two-dimensional.
  • Figure 3c shows one of the possible, and indeed a very simple variant of a 3-dimensional sensor 1. Here lead all forces in all three spatial directions to one
  • This sensor 1 is unspecific for the respective direction.
  • Cost factor Manufacturing the new acceleration sensors involves simple process steps that are significantly less expensive than traditional sensors. It thus has the new product a decisive cost advantage.
  • Frequency responses are preset, and also combined with each other.
  • the sensors according to the invention can be easily combined with other electronic or sensory components.
  • the invention is suitable for a wide range of applications.
  • the technical design is particularly small, lightweight and requires little energy and is therefore predestined for installation in battery-powered devices.
  • the individual components are resistant to particle and electromagnetic radiation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Miniatur-Sensor zur Erfassung von Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen, der dadurch gekennzeichnet ist, - dass er mindestens ein stabartiges Federelement umfasst, welches durch einen mit einem Ende (21) mit dem Detektorsubstrat (5) verbundenen und demselben entragenden Nanodraht (2), gebildet ist, welcher vorzugsweise an seinem freien Ende (21), eine ein permanentes Streumagnetfeld (ms) aussendende Beschichtung (3') oder ein derartiges Nanoteilchen (3) trägt, wobei der Nanodraht und Streumagnetfeldbeschichtung, bzw. -masse gemeinsam die träge Masse bilden, und - dass zumindest im Nahbereich des gebundenen Endes (21) des Nanodrahts (2) eine Magnetfelddetektionsschicht (4), z.B. aus einem magnetoresistiven Material, angeordnet ist, - wobei bevorzugter Weise das Substrat mit einer solchen Schicht versehen ist, welche bevorzugterweise ihrerseits als Sensorkomponente selbst einen Bestandteil, einer Magnetfeld-Detektionseinheit (7) bildet.

Description

Miniatur-Beschleunigungssensor
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Beschleunigungssensor, der auf externe Kräfte reagiert und dabei ein elektrisches Signal liefert. Der Beschleunigungssensor selbst wird mit dem zu erfassenden, einer Beschleunigung oder Verzögerung ausgesetztem System mitbewegt.
Ein Beschleunigungssensor ist ein Sensor-Fühler, der die Beschleunigung misst, indem die auf eine Testmasse wirkende Trägheitskraft bestimmt wird. Somit kann z.B. bestimmt werden, ob eine Geschwindigkeitszunahme oder -abnähme stattfindet und auch, wie groß dieselbe ist. Zum Erfassen einer solchen externen Trägheitskraft werden Sensoren eingesetzt, die in dem bewegten System integriert sind. Sie werden mit demselben mitbewegt, so dass zum Erfassen der Bewegung üblicherweise keine äußeren Fixpunkte herangezogen werden müssen. Ein Kernstück eines jeden Beschleunigungssensors ist daher ein Element, das aufgrund der externen Kraft eine seiner physikalischen Eigenschaften ändert. Weist der Beschleunigungssensor beispielsweise ein Feder-Masse-System auf, so kann beispielsweise eine Lage der über die Feder aufgehängten Masse in Bezug auf einen festen Punkt des Sensors zur Bewegungsbestimmung herangezogen werden. Bekannte technische Lösungen von Beschleunigungssensoren basieren auf unterschiedlichsten physikalischen Effekten und Nachweismethoden. Bekannte klassische Beschleunigungssensoren sind folgende:
Dehnungsmessstreifen: Es erfolgt die Bestimmung der Kraft auf die Testmasse, indem die Verformung der Befestigung, z.B. eines Stabes, mittels Dehnungsmessstreifen bestimmt wird. Dieses System ist vor allem für niedrige Frequenzen geeignet.
Magnetische Induktion: Bei der Bewegung der an einer Feder aufgehängten Testmasse wird durch einen Magneten in einer Spule eine elektrische Spannung induziert, ähnlich wie in einem dynamischen Mikrofon, also Tauchspulenmikrofon.
Miniaturisierte Sensoren sind präziser, empfindlicher, kleiner und leichter als die soeben erläuterten Sensoren. Sie sind meist mit piezoelektrischen Sensoren oder als Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) aufgebaut:
Piezoelektrische Beschleunigungssensoren: Ein piezokeramisches Sensorplättchen wandelt dynamische Druckschwankungen in elektrische Signale um, die dann entsprechend weiterverarbeitet werden können. Die Druckschwankung wird durch eine an der Piezokeramik befestigte, "seismische" Masse erzeugt und wirkt bei einer Beschleunigung des Gesamtsystems auf die Piezokeramik. Dieses System wird z.B. bei Radauswuchtungsmaschinen verwendet, wo jede Unwucht des Rades ein entsprechendes Signal in der Piezokeramik erzeugt. Es erkennt innerhalb von Sekunden die Unwucht am Reifen.
Eine weit verbreitete, weil wirtschaftliche Sensorsorte beruht auf der MEMS- Technik. MEMS ist die Kombination aus mechanischen Elementen, Sensoren, Aktoren und elektronischen Schaltungen auf einem Substrat bzw. Chip. MEMS basieren auf der Halbleiter-Elektronik. Grundmaterial bzw. Substrat ist in der Regel Silizium, aber auch Galliumarsenid. Die Mikroelektronik beschränkt sich auf elektrische Komponenten, wie Transistoren (CPU) und Kondensatoren (RAM). Die Mikrosystemtechnik erweitert diese Palette um mechanische, optische, chemische und/oder biologische Komponenten. MEMS können in Siliziumtechnik integriert und daher batch-fabriziert in großen Stückzahlen hergestellt und gepackt werden.
In den letzten Jahren haben miniaturisierter Beschleunigungssensoren auf MEMS- Basis zunehmend Bedeutung erlangt. Diese Sensoren sind Feder-Masse-Systeme, bei denen die "Federn" nur wenige μm breite Silizium-Stege sind und auch die Masse aus Silizium hergestellt ist. Durch die Auslenkung bei Beschleunigung kann zwischen dem gefedert aufgehängten Teil und einer festen Bezugselektrode eine Änderung der elektrischen Kapazität gemessen werden. Der gesamte Messbereich entspricht einer Kapazitätsänderung von nur ca. 1 pF, daher muss die Elektronik zur Auswertung dieser kleinen Kapazitätsänderung gleich auf denselben Halbleiterbaustein integriert werden. Für die Herstellung dieser Sensoren werden die Masse und die kleinen Silizium-
Federn bzw. Silizium-Beinchen mittels Fotolithografie aus dem Silizium herausgeätzt. Um eine freitragende Struktur zu erhalten, wird eine darunter liegende Schicht aus Siliziumdioxid ebenfalls durch Ätzen entfernt.
Diese Art von Beschleunigungssensoren hat den Vorteil relativ geringer Stückkosten durch Massenfertigung und hoher Zuverlässigkeit. Manche solche Sensoren können noch Beschleunigungen bis zum Tausendfachen des Messbereichs ohne Schaden überstehen. Auf Grund der geringen Größe zeichnen sie sich auch durch hohe Messgeschwindigkeit aus. Sie werden daher z.B. zur Auslösung von Airbags in Fahrzeugen eingesetzt. Die Beschleunigung ist eine mechanische Größe, die in vielen Bereichen der
Technik eine große Rolle spielt. Kleinsensoren haben Messbereiche von einigen "g" (Erdbeschleunigung) bis zu Dutzenden oder sogar hunderten g und sind vielfach auch sehr robust gegen Stöße. Die Genauigkeiten liegen meist im Prozent- oder Promille- Bereich. Präzisere, aber größere Instrumente liefern heute Genauigkeiten von weit über 1 :1
Million und erlauben z.B. eine Messung differenzieller Beschleunigungen in Erdsatelliten. In Bergbau und Technik wurde schon früh die Kontrolle von Aufzügen durch Accelerometer durchgeführt, weil hier ein eindimensionales Meßsystem genügt. Auch für die Raketentechnik und die Analyse von Fahrzeug-Bewegungen oder die Autoelektronik ist dieselbe Art der Beschleunigungsmessung unentbehrlich.
Viele technische Anwendungen benötigen volle dreidimensionale Messungen, etwa im Maschinenbau, zur Steuerung von Robotern oder in der Raumfahrt. Hier ist
Miniaturisierung eine wichtige Voraussetzung - neben Unempfindlichkeit gegen
Temperatur, Vibrationen und andere Effekte. Zahlreiche Anwendungen kommen aber mit
2D-Sensoren aus, wenn es hauptsächlich um Bewegungen in einer Ebene geht.
Präzisions-Accelerometer werden teilweise auch für Messungen im Erdschwerefeld eingesetzt - siehe Gravimetrie und Gradiometrie, sowie beim ESA-Satelliten GOCE.
Beschleunigungssensoren haben daher eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten, wovon hier nur einige Beispiele genannt seien:
Messung von linearen Beschleunigungen mittels Beschleunigungsmessern
Messung von Vibrationen an Gebäuden und Maschinen Aktive Federungssysteme in Fahrzeugen
Alarmanlagen bei beweglichen Gütern oder als Berührungssensor
Schadensuntersuchungen beim Warentransport
Seismik und Erdbebenvorhersage
Neigungsmessung in statischen Systemen, welche insbesondere dann Anwendung finden, wenn andere Beschleunigungen im Vergleich zur Erdbeschleunigung vernachlässigbar sind,
Aktive Lautsprecher
Zusammen mit Gyroskopen zur Lageregelung oder Stabilisierung von Luftfahrzeugen, wie
Hubschrauber, oder UAVs. Im Bereich der Mobiltelefonie, also beim Handy erlaubt der Beschleunigungssensor eine
Vielfalt von Steuermöglichkeiten.
Im Bereich Medizin und Pflege: Der Bewegungssensor erkennt, wenn eine Person regungslos verharrt - sofort ruft ein entsprechend ausgestattetes Alarmgerät medizinische
Hilfe herbei. Sicherung von Gegenständen: Der Sensor registriert, ob sich ein Objekt bewegt, das sich im Regelfall nicht bewegen sollte. Zum Beispiel der Wohnwagen auf dem Campingplatz.
Auch in diesem Fall wird bei Bewegung der Alarm ausgelöst.
Schutz vor Stürzen: Der Sensor erkennt, ob ein Notebook zu Boden stürzt. Im Fall des
Falles werden noch schnell die Leseköpfe der Festplatte in Parkposition gebracht, um Datenverlust zu vermeiden.
Überwachung von Erschütterungen: Der Sensor eignet sich auch für den Transport wertvoller Kunstwerke, um feststellen zu können, welchen Erschütterungen dieselben während ihrer Reise ausgesetzt waren.
Computermäuse, die überall funktionieren: Der Bewegungssensor kann Mausbewegungen auch ohne optische Abtastung des Untergrunds registrieren - sogar in alle drei Richtungen. Bosch fertigt MEMS-Sensoren für den Einsatz im Automobil seit 1988 - bis heute über 400 Millionen Stück. Diese Sensoren müssen ein ganzes Autoleben lang unter unwirtlichen Bedingungen, wie extrem schwankenden Temperaturen und Vibrationen zuverlässig funktionieren. Die Erfahrung aus der Entwicklung und Massenfertigung von Sensoren im kraftfahrzeugtechnischen Bereich unterstützt die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der neuesten diesbezüglichen Sensor-Innovation. Diese Eigenschaften kommen auch den Sensoren zugute, die in den Geräten des Alltags, also bei Consumergeräten, eingesetzt werden. Der Beschleunigungssensor hält beispielsweise Beschleunigungsbelastungen bis zum 10.000fachen der Erdanziehungskraft stand.
Was Nachteile bei dem heutigen Stand der Technik entsprechenden Beschleunigungssensoren betrifft, so ist hierzu folgendes auszuführen:
Verglichen wird hier nur mit miniaturisierten Sensoren, da andere eine deutlich schlechtere Performance aufweisen. Nachteile von herkömmlichen miniaturisierten Beschleunigungssensoren sind folgende:
Piezo-Sensoren: Konstante Beschleunigungen, wie z.B. Erdbeschleunigung, können mit piezoelektrischen Beschleunigungssensoren nicht erfasst werden.
MEMS: Die MEMS-Technologie ist zwar zuverlässig und günstig, insbesondere in Folge der großen Stückzahlen, erfordert aber dennoch hohe Präzision und einen teuren Maschinenpark. MEMS haben oft eine getrennte Elektronik auf einem separaten Chip. Eine Integration von Elektronik und Nano-Beschleunigungssensor ist zwar möglich, aber aufwendig.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die technologisch aufwendigen MEMS- Strukturen durch kostengünstige und einfache Sensorstrukturen zu ersetzen. Es sind daher zum einen selbstorganisierende Nanodrähte als träge Masse und schwingendes System, zum anderen magnetische Teilchen und weiters magnetoresistive Schichtsysteme als Detektoreinheiten in Erwägung gezogen worden.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein neuer Miniatur-Sensor zur Erfassung und Ermittlung von Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen von Massen, Objekten od. dgl., wobei derselbe zumindest eine auf einem Federelement angeordnete, ein Feld aussendende träge Masse, zumindest einen auf Feldstärkeänderungen sensiblen Detektor sowie eine Indikationseinheit umfasst und mit der Masse, dem Objekt od. dgl. mitbewegbar ist gemäß dem O b e r b e g r i f f des A n s p r u c h s 1 , welcher die im K e n n z e i c h e n dieses Anspruches genannten M e r k m a l e aufweist. Die vorliegende Erfindung beruht insbesondere auf der Kombination von Nanodrähten und MR-Detektoren für die Sensoraufgabe. Bei der vorliegenden Erfindung besteht die träge Masse aus magnetischem Material, die Feder aus einem Nanodraht. Diese Erfindung nutzt zur Bestimmung der Lage der trägen Masse die Änderung des Widerstandes in einem magnetoresistiven (MR)-Detektor, der auf magnetische Streufelder der trägen Masse reagiert.
Was den konkreten Stand der Technik auf dem Gebiet der Beschleunigungs- Sensoren und den Unterschied zur vorliegenden Erfindung betrifft, so sei hierzu die US 6131457 A genannt, welche die klassische Anordnung eines Beschleunigungssensors gemäß der herkömmlichen MEMS-Technologie zum Gegenstand hat, wie sie schon oben als Stand der Technik erörtert worden ist.
Die ganz wesentlichen und unübersehbaren zwischen dieser gemäß der US-A eingesetzten Technologie und der Unterschiede zur vorliegenden Erfindung bestehen in Folgendem: a) Gemäß der genannten US-A muss das dortige Federelement explizit eine dreidimensionale Bewegungsfreiheit haben. Hingegen hat das Federelement, also der Nanodraht bzw. das auf dessen freiem Ende sitzende Massenelement gemäß der Erfindung eine nur sphärische und somit keine radiale und somit nur eine zweidimensionale Bewegungsfreiheit, begründet durch die erfindungsgemäße neue Anordnung der Messelemente. b) Während gemäß der US-A völlig klar und explizit mindestens vier voneinander getrennte Detektorelemente von Nöten sind, ist gemäß der Erfindung nur eine einzige Detektoreinheit in Form einer dünnen magnetoresistiven Schicht auf dem Substrat vorgesehen. c) Der Weg, auf welchem die gemäß der US-A zum Einsatz kommende
Detektoreinheit hergestellt ist, ist grundsätzlich anders, als dies bei der Erfindung der Fall ist. Es kommt gemäß der US-A die besonders aufwendige MEMS-Technologie zur Anwendung, bei welcher mindestens vier Detektoren auf einer separaten Ebene vorgesehen sein müssen, während auf der im Abstand zu derselben sich befindlichen anderen, praktisch über der ersten Ebene schwebenden und in Z-Richtung verbiegbaren Ebene mehrere Zungen od. dgl. in x- und y-Richtung von der jeweils beschleunigenden bzw. verzögerten Masse bewegt werden müssen, diese Bewegung der Zungen also in die x-, y- und in die z-Richtung, also in alle drei Richtungen des Raumes erfolgt.
Die genannten vier Zungen 2c gemäß der US-A entsprechen funktionsmäßig etwa dem Nanodraht bzw. Einkristall der vorliegenden Erfindung, während der dortige Stift 4 im Wesentlichen der Masse 3 des am Ende des Nanodrahtes gemäß der Erfindung befindlichen Masseteilchen entspricht. Bei der gemäß der US-A zur Anwendung kommenden MEMS-Technologie sind, wie oben erwähnt, die Zungen auf eine im Wesentlichen schwebenden Ebene angeordnet.
Darüber hinaus ist zu betonen, dass bei der MEMS-Technologie keine, wie jedoch erfindungsgemäß angewandte Selbstorganisation von Einkristallen bzw. Nanodrähten, also kein Eigenwachstum derselben zur Anwendung kommt. Gerade diese Selbstorganisation erlaubt jedoch das völlig neuartige Konzept gemäß der Erfindung, woraus sich letztlich die unter a) und b) genannten wesentlichen Unterschiede zwischen dem durch die US 6131457 A gegebenen Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung ergeben. Keinesfalls zuletzt soll darauf hingewiesen sein, dass die Sensoren gemäß der hier in Rede stehenden US-A nur im Mikro-Maßstab produzierbar sind, während sich die Technologie der vorliegenden Erfindung im Nano-Bereich realisiert.
Weiters ist hier die WO 03/053851 A2 zu nennen, welche insbesondere gemäß dem dortigen Anspruch 1 und der dortigen Fig. 12 eine Anordnung zur Messung von Biegekräften mittels Nanodraht beschreibt, der jedoch zwingend aus einem piezoelektrischen Material bestehen muss. Das Messsignal ist dort eine Spannung, welche durch den Piezoeffekt des Nanodrahtes selbst verursacht ist.
Die ganz wesentlichen und unübersehbaren Unterschiede zur vorliegenden Erfindung bestehen in Folgendem: Während gemäß dieser W0-A2 explizit piezoelektrische Nanodrähte, bestehend aus Übergangsmetalloxiden adressiert sind, müssen solche Materialien für die selbstgewachsenen Nanodrähte bzw. Einkristalle gemäß der Erfindung gezielt vermieden werden, denn die Erfindung ist auf Nanodrähte bzw. Einkristalle aus einem ausdrücklich elektroneutralen Material gerichtet. Der piezoelektrische Effekt der gemäß der W0-A2 einzusetzenden piezoelektrischen Nanodrähte würde sich auf die Messmethode mit der Einrichtung gemäß der Erfindung derart störend auswirken, dass praktisch keine Ergebnisse zu erwarten sind. d) Es wird also in der genannten W0-A2 explizit piezoelektrisch detektiert, gemäß der Erfindung erfolgt die Messung einer magnetischen Wechselwirkung. e) Während in der genannten W0-A2, also explizit der Nanodraht selbst, als Detektoreinheit funktioniert, arbeitet das Gerät der gemäß der Erfindung mit einer separaten Detektoreinheit eines einzigen magnetresistenten Schichtsystems und der Nanodraht fungiert gemäß der Erfindung in diesem Sinne als bloß passives, die zu messende Beschleunigung bzw. Verzögerung vermittelndes Element. Zu erwähnen ist weiters die WO 2005/038468 A1 , welche eine grundsätzlich andere Variante eines Beschleunigungssensors beschreibt, welcher über die Detektion eines Immissionsstromes arbeitet.
Die schließlich auch noch zu nennende EP 1203749 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Kraftmessung in einem Rasterkraft-Mikroskop bzw. eventuell auf einem
Massenspektrometer. Der dort beschriebene Aufbau ist eigenständig absolut nicht in der
Lage, eine Beschleunigung oder Kraft zu messen. Es ist kort ein integrierter Aufbau, wie er gemäß der Erfindung vorliegt, nicht vorgesehen. Als mögliche zusätzliche
Detektoreinheiten sind dort optische Messung, Elektronenbestrahlung mit Strommessung und akustische Oberflächenwellen genannt.
Die Geräte und die mit denselben ausgeübten Messverfahren gemäß den beiden vorgenannten Dokumenten, unterscheiden sich also in grundlegender Art von der vorliegenden Erfindung und haben auch eine andere Zielrichtung, wie eben z.B. als Sensorelemente für Rasterkraftmikroskopie im Nicht-Kontakt-Betriebsmodus. Gemäß A n s p r u c h 2 ist vorgesehen, dass der Nanodraht aus dem Detektor-
Substrat emporgewachsen ist. Selbstorganisation ist definiert als ein grundlegendes physikalisches Prinzip zur Strukturbildung. Es ist definiert als reversibler Prozess, in dem bereits existierende Teile (zum Beispiel Moleküle) sich von selbst zu einer komplexeren Struktur oder Muster zusammenlagern [10]. Ein typisches Beispiel ist die Selbstorganisation von Nanodrähten aus entsprechenden Molekülen in der Gasphasenabscheidung bei Anwesenheit eines Katalyten oder katalytisch wirkenden Teilchens.
Der A n s p r u c h 3 zeigt eine bevorzugte Art der Bildung des Nanodrahtes unterhalb eines Wachstumskeimes auf, der letztlich selbst die Streufeld-Magnetmasse am Ende des Einkristalls bildet.
Der A n s p r u c h 4 gibt bevorzugte Stellen des Nanodrahtes an, an welchen die magnetische Beschichtung bzw. das magnetische Nanoteilchen angeordnet ist, sowie weiters im Sinne der Erreichung möglichst hoher Signalstärken bevorzugte Materialien dafür. Dem A n s p r u c h 5 ist ein für die Bildung der Magnetfeld-Detektionsschicht vorteilhafterweise vorgesehenes Material zu entnehmen.
Hinsichtlich günstiger Methoden für die Bildung des Nanodrahtes ist auf den A n s p r u c h 6 zu verweisen.
Was die Bindung des magnetischen Nanoteilchens an den Einkristall bzw. Nanodraht betrifft, so gibt der A n s p r u c h 7 hierüber näher Auskunft.
Bevorzugte Techniken zur Aufbringung einer magnetischen Beschichtung auf den Nanodraht nennt der A n s p r u c h 8. Der A n s p r u c h 9 gibt im Rahmen der Erfindung bevorzugte Materialien für den Nanodraht an.
Dem A n s p r u c h 10 ist eine vorteilhafte Anordnung der Magnetfeld- Detektionsschicht im Bezug auf die Anordnung des Nanodrahtes zu entnehmen. Auch der A n s p r u c h 11 betrifft eine günstige Geometrie des neuen
Beschleunigungssensors, und zwar die Ausbildung und Winkelstellung des Nanodrahtes in Relation zur Magnetfeld-Detektionsschicht.
Den A n s p r ü c h e n 12 und 13 ist jeweils eine besonders effektive Art der Ausbildung des Detektions-Substrates bzw. der auf dasselbe aufgetragenen Magπetfeld- Detektionsschicht sowie der Anordnung der "federnden" Nanodrähte mit den magnetischen Nanoteilchen zu entnehmen.
Erwünschterweise möglichst hohe Signalstärken und hohe Präzision, und zwar bei Beschleunigung oder Verzögerung in alle Raumrichtungen lassen sich mit einem Sensor gemäß A n s p r u c h 14 erzielen. Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert:
Es zeigen die Fig. 1a bis 1c drei unterschiedliche, jedoch im wesentlichen gleichartige, signal-generierende Beschleunigungssensoren einfacher Bauart gemäß der Erfindung und veranschaulichen zudem in einfacher Weise das zugrunde liegende Sensorprinzip der Wechselwirkung von magnetischen Komponenten mit der Detektorschicht via magnetischer Streufelder, die Fig. 2a bis 2e verschiedene Anordnungen von Einkristallen bzw. Nanodrähten mit magnetischen Nanoteilchen und Magnetfeld-Detektionsschicht relativ zueinander und die Fig. 3a bis 3c kompliziertere Ausführungsformen von für ein-, zwei-, und dreidimensionale Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge empfindliche Sensoren der neuen Art. Die wesentlichen Komponenten der Erfindung und das ihr zu Grunde liegende
Prinzip sind in den Figuren 1a bis 1d schematisch dargestellt. Ein Nanodraht 2 fungiert als biegbare Feder, die sich unter der Last der trägen Masse von Nanodraht 2 und angedocktem magnetischem Nanoteilchen 3 biegen lässt. Dabei ist das magnetische Nanoteilchen 3 günstigerweise am oberen, freien Ende 22 des Nanodrahtes 2 befestigt, kann aber auch an jeder anderen Position entlang des Nanodrahtes 2 befestigt sein. Der Nanodraht 2 und das magnetische Teilchen 3 bilden zusammen die träge Masse tm. Die Änderung der Position der trägen Masse tm wird über ein von ihm abgestrahltes magnetisches Streufeld mf erfasst. Dieses Streufeld wird von magnetischen Materialien erzeugt, die für die Herstellung des Nanodrahtes 2 und/oder des Nanoteilchens 3 benutzt werden. Die magnetischen Streufelder ms werden von magnetoresistiven Detektoren bzw. von einem solchen Detektor 4 erfasst, die bzw. der sich in unmittelbarer Nähe der Nanodrähte 2 befinden bzw. befindet. Günstigerweise sind diese magnetoresistiven Detektoren 4 mittels Dünnschichtverfahren auf dem Substrat 5 hergestellt.
Ändert sich die Lage der trägen Masse tm, also des Verbundes von Nanodraht 2 plus Nanoteilchen 3, ändert sich auch die Stärke des Streufeldsignals im Detektor 4. Die Stärke der Änderung hängt von der relativen Bewegungsrichtung von träger Masse tm und Detektor 4 ab. Eine Abstandsänderung entlang der direkten Verbindungsgeraden erzeugt die größte Signaländerung und ändert sich nach einem Potenzgesetz mit einer Potenz zwischen 2 und 3. Daraus lassen sich optimierte Designregeln für den konkreten Aufbau des neuen Sensors 1 ableiten.
Die Fig. 1a zeigt, wie aus einem mit einem Objekt mitbewegten, mit der Magnetfeld-Detektionsschicht 4 beschichteten Detektor-Substrat 5 in einem spitzen Winkel α der mit einem Ende 21 an das Substrat 5 bzw. an die Detektionsschicht 4 gebundene und aus dem selben schräg nach oben gewachsene Einkristall bzw. Nanodraht 2 emporragt, der an seinem freien Ende 22 das das permanente magnetische Streufeld ms generierende Nanoteilchen 3 trägt. Kommt es z.B. zu einer Beschleunigung des Objektes und somit des Substrates 5 und der Detektorschicht 4 nach links, so wird unter geringer Krümmung des Nanodrahtes 2 nach rechts und somit auch Bewegung des magnetischen Nanoteilchens 3 nach rechts unten das magnetische Streufeld ms dieses Systems verschoben, und diese geringe, aber hoch reproduzierbare Bewegung bewirkt in der magnetoresistiven Beschichtung 4 eine Änderung von deren elektrischen Widerstand. Diese Widerstandsänderung wird von der Detektionseinheit 7 registriert und eventuell verstärkt und schließlich an eine Speicher-, Anzeige- und/oder Ausgabeeinheit 8 weitergegeben.
Der besondere Vorteil der neuen Beschleunigungssensoren 1 besteht darin, dass sie in höchst miniaturisierter Form vorliegen und bevorzugt eben selbst mit ihrer magnetoresistiven Schicht 4 integraler Bestandteil einer Detektionselektronik, insbesondere eines Chips, sein können, was deren Nano-Bauweise ermöglicht.
In der Fig. 1b sind ein Beschleunigungssensor 1 mit schräg dem Substrat 5 entwachsendem und dann zur Senkrechten hin sich nach oben krümmendem Nanodraht 2 mit magnetischem Nanoteilchen 3 und seine Bewegung bei Beschleunigung oder Verzögerung durch Doppelpfeil dargestellt, von welchem bei Beschleunigung relativ kleine Signale zu erwarten sind, und gemäß Fig. 1c ist ein steil dem Substrat 5 entwachsender Nanodraht 2 vorgesehen, welcher jedoch zur magnetoresistiven Schicht 4 hin abwärts gekrümmt ist und bei Beschleunigung ein relativ größeres bzw. großes Signal generieren kann. Die Fig. 1d zeigt einen schrägen Einkristall oder Nanodraht 2 ohne gesonderte
Masse an seinem Ende, allerdings ist dort derselbe mit einer magnetischen Beschichtung 3' ausgestattet. Bei sonst gleichbleibenden Bezugszeichenbedeutungen zeigen die Fig. 2a bis 2e Messprinzip und Position an Hand eines der Magnetfeld-Beschichtung 4 etwa "mittig" und im rechen Winkel entwachsenden Nanodrahtes 2, eines der genannten Beschichtung 4 an deren Rand rechtwinkelig entwachsenden Nanodrahts 2 und eines ebenfalls rechtwinkelig emporragenden Nanodrahts 2, welcher unter Wahrung eines Äbstandes a von der Magnetoresistiv-Schicht 4 umgeben ist, sowie weiters einen im spitzen Winkel α aus dem Substrat 5 emporragenden Nanodraht 2 in einem Abstand b neben der und schließlich in der Magnetfeld-Detektionschicht 4.
Bei sonst gleichbleibenden Bezugszeichenbedeutungen zeigt die Fig. 3a ein etwa mit Furchen 51 gestaltetes Substrat 5, wobei eine Flanke 52 der Furche 51 mit der Magnetfeld-Detektionsschicht 4 beschichtet ist, und aus der anderen Flanke 52, hier ohne Detektionsschicht, - hier senkrecht und etwa parallel zur Flanke 51 - der Nanodraht 2 mit dem Nanoteilchen 3 emporragt, wodurch ein hochsensitiver, zumindest 1-dimensionalen Beschleunigungssensor 1 gegeben ist. Beim Sensor 1 gemäß Fig. 3b ragen mehrere stehende Nanodrähte 2 in einer beispielsweise regelmäßigen Anordnung senkrecht aus dem Substrat 5 bzw. aus dessen Magnetfeld-Detektionsschicht 4 empor, womit ein sehr sensitiver 2-dimensionaler Beschleunigungssensor geschaffen ist.
Bei dem Sensor 1 gemäß Fig. 3c, ist das Substrat 5 mit einer Mehrzahl von hier, z.B. drei linear strukturiert angeordneten "Hügeln" 55 ausgebildet, vor deren höchsten Stellen 551 aus jeweils ein Nanodraht 2 senkrecht wegragt. Nun ist beim ersten Hügel 55 links kein weiterer Nanodraht vorgesehen, beim Hügel 55 in der Mitte sind beide Hügelflanken 552, 553 mit jeweils senkrecht von demselben aufragenden Nanodrähte 2 ausgebildet, und schließlich trägt der rechte Hügel 55 nur noch einer aus einer rechten Flanke 553 von demselben aufragenden Nanodraht 2 mit dem Nanoteilchen 3.
Dieser in Fig. 3c gezeigte Sensor eignet sich insbesondere für eine sehr effektive Erfassung und Bestimmung von Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen in allen 3 Raum-Dimensionen.
Ergänzend zu den obigen Ausführungen noch folgende Bemerkungen: Fig. 1 und 2 demonstrieren also die Wirkung von senkrecht und schräg stehenden
Nanodrähten 2 unter der Annahme, dass der Detektor 4 parallel zur Oberfläche des Substrats 5 als Dünnschicht verläuft. Schräg stehende Nanodrähte 2 haben eine Oszillationskomponente senkrecht zum Detektor 4, und generieren damit eine deutliche Änderung der Streufeldkomponenten unter einer Oszillationsperiode. Die Fig. 2a bis 2e zeigen eine Reihe von Positionierungsmöglichkeiten des Nanodrahtes 2 samt magnetischen Teilchen 3 relativ zum Detektor 4.
Das magnetische Teilchen 3 kann aus ferro- oder paramagnetischem Material bestehen. Aufmagnetisierte ferromagnetische Nano-Teilchen 3 erzeugen eigenständig ein magnetisches Streufeld ms. Zu dessen Verstärkung kann ein externes konstantes und homogenes Magnetfeld hinzugezogen werden. Ein solches ist für paramagnetische oder superparamag netische Teilchen sicher günstig bzw. notwendig. Für die Anbringung des magnetischen Nanoteilchens 3 sind gemäß der Erfindung drei bevorzugte Möglichkeiten zu nennen, wobei zu betonen ist, dass durchaus weitere Möglichkeiten bestehen:
Für das Wachstum des Nanodrahtes 2 findet ein Keimling aus ferro- oder paramagnetischem Material Verwendung, der letztlich an der Spitze des Nanodrahtes 2 sitzt und selbst ein magnetisches Streufeld ms erzeugen kann. Magnetisches Material kann mittels herkömmlicher Lithographie und
Beschichtungsprozesse an dem Nanodraht 2 nachträglich und gezielt angebracht werden. Der Nachteil hierbei besteht in den zusätzlichen Prozessschritten, die nötig werden.
Magnetische Teilchen können über geeignete Bindestellen an den Nanodraht oder den Keimling angedockt werden. Dies kann zum Beispiel in Lösung passieren: Gelöste magnetische Nanoteilchen 3, die spezifische Bindestellen an der Außenhaut besitzen, binden bei Kontakt an die Oberflächen des Nanodrahtes 2 oder Keimlings. Eine typische Bindung des magnetischen Teilchens 3 wäre zum Beispiel über eine Thiol-Bindung zu einer Goldoberfläche des Keimlings.
Die Herstellung der magnetoresistiven Detektoren auf der Substratoberfläche erfolgt bevorzugt mittels der Methoden der Schichtherstellung und Lithographie. Dabei werden neuere magnetoresistive Effekte, wie z.B. der Riesenmagnetowiderstand GMR und der Tunnelmagnetowiderstand TMR bevorzugt, weil sie wesentlich höhere Signalamplituden liefern.
Je nach Positionierung und Orientierung von Nanodrähten 2 und magnetoresistiven Detektoren 4 ergeben sich unterschiedliche Dimensionalitäten des neuen Beschleunigungssensors 1. Es können durch geschickte Einstellung von Wachstumsbedingungen der Nanodrähte 2 und der vorgegebenen Substrattopographien 5 sowohl 1-dimensionale als auch 2- und 3-dimensional sensitive Beschleunigungssensoren 1 gefertigt werden. Die gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehene Kombination von Nanodrähten
2 und magnetischer Detektion erlaubt einen einzigartigen Zugang zu diesen sehr erwünschten Sensorkonzepten. Beispiele für Ausführungen von 1-, 2- und 3- dimensionalen Sensoren 1 sind in den Figuren 3a bis 3c dargestellt.
Die Konstellation in Fig. 3a zeigt ein Beispiel einer möglichen Anordnung für einen 1- dimensionalen Sensor 1. Kräfte parallel zum Nanodraht 2 wirken nicht, da der Nanodraht 2 zu steif ist. Kräfte parallel zur Sensorschicht 4, also in die Papierebene, liefern keine Signaländerung, da die Streufeldwirkung auf den Sensor 4 unverändert bleibt. Allein Bewegung und Kräfte senkrecht zur Sensorschicht 4 werden mit maximaler Signalamplitude detektiert.
Von der Detektorschicht 4 senkrecht wegragende Nanodrähte 2, wie in Fig. 3b gezeigt, können sich in 2 Dimensionen bewegen. Das bedeutet, dass nur Kräfte in einer Ebene bestimmbar sind. Ein solcher Sensor gemäß Fig. 3b ist isotrop zweidimensional.
Figur 3c zeigt eine der möglichen, und zwar eine sehr einfache Variante eines 3- dimensionalen Sensors 1. Hier führen alle Kräfte in allen drei Raumrichtungen zu einer
Detektorreaktion. Dieser Sensor 1 ist unspezifisch für die jeweilige Richtung. Jede
Beschleunigung in eine beliebige Richtung findet jedoch einen passenden Nanodraht 2, den sie vertikal zur Sensorschicht 4 bewegen und somit ein Signal auslösen kann.
Was die Vorteile der Erfindung betrifft, ist hierzu abschließend folgendes zu bemerken:
Kostenfaktor: Die Fertigung der neuen Beschleunigungssensoren beinhaltet einfache Prozessschritte, die im Vergleich zur Herstellung traditioneller derartiger Sensoren deutlich kostengünstiger sind. Es hat somit das neue Produkt einen entscheidenden Kostenvorteil.
Sensorvariabilität: Durch einfache Änderung der Geometrien der Nanodrähte können ohne Änderung der Herstellungsprozeduren die Eigenschaften der Sensoren genau an die jeweiligen Aufgaben angepasst und gezielt eingestellt werden. Das prinzipielle Layout bleibt unverändert. Insbesondere können Resonanzfrequenzen und
Frequenzgänge voreingestellt werden, und auch miteinander kombiniert werden.
Kombination: Die erfindungsgemäßen Sensoren können einfach mit anderen elektronischen oder sensorischen Komponenten kombiniert werden.
Mobilität: Die Erfindung ist für einen breiten Einsatz geeignet. Die technische Ausführung ist besonders klein, leicht und braucht wenig Energie und ist damit insbesondere für den Einbau in batteriebetriebene Geräte prädestiniert.
Strahlungshärte: Die einzelnen Komponenten sind resistent gegen Teilchen- und elektromagnetische Strahlung.
Flexibilität: Die neuen Sensoren sind für eine Anwendung in anderen Einsatzbereichen als Drucksensoren und Rotationssensoren geeignet und erschließen somit neue Anwendungsfelder. Literatur zu:
Magnetowiderstand:
[1] S. A. Wolf et al.. Science 294. 1488 (2001) [2] H. Brückl, M. Brzeska, D. Brinkmann, J. Schotter, G. Reiss, W. Schepper, P.B. Kamp, A.
Becker, "Magnetoresistive logic and biochip", J. Magn. Magn. Mater. 282, pp. 219, 2004. [3] H. Brückl, M. Panhorst, J. Schotter, P.B. Kamp, A. Becker, „Magnetic particles as markers and carriers of biomolecules", lEErfindung Proc.-Nanobiotechnol. 152, 41 (2005) Nanodraht:
[4] R.S. Wagner, W.C. EfMs, Appl.Phys.Lett. 4(5), 89 (1964) [5] I. Givargizov, J.CrystGrowth 31 , 20 (1975)
[6] J. R. Health, F. K. LeGoues, Chem. Phys. Lett. 208, 263 (1993); T. J. Trentler, K. H. Hickmann, S. C. Goel, A. M. Viano, P. C. Gibbons, W. Erfindung Buhro, Science 270, 1791 (1995)
[7] J. Westwater, D. P. Gosain, S. Tomiya, S. Usui, H. Ruda, J. Vac. Sei. Techn. B 15 554 (1997) [8] A. M. Morales, C. M. Lieber, Science 279, 208 (1998); D. P. Yu, C. S: Lee, I. BeIIo, X. S. Sun, Y. H. Tang, G. W. Zhou, Z. G. Bai, Z. Zhang, S. Q. Feng, Solid State Commun. 105, 403 (1998) [9] X. T. Zhou, N. Wang, H. L. Lai, H. Y. Peng, I. BeIIo, N. B. Wong, C. S. Lee, Appl. Phys. Lett.
74, 3942 (1999)
[10] G. M. Whitesides, J. P. Mathias, CT. Seto, "Molecular self-assembly and nanochemistry - a Chemical strategy for the synthesis of nanostruetures", Science 254, 1312 (1991)

Claims

Patentansprüche:
1. Miniatur-Sensor zur Erfassung und Ermittlung von Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen von Massen, Objekten od. dgl., wobei derselbe zumindest eine auf einem Federelement angeordnete, ein Feld aussendende, träge Masse, zumindest einen auf Feldstärkeänderungen sensiblen Detektor sowie eine Indikationseinheit umfasst und mit der Masse, dem Objekt od. dgl. mitbewegbar ist, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Miniatur-Sensor (1) mindestens ein im Wesentlichen stabartiges, insbesondere durch Selbstorganisation gebildetes Federelement umfasst, welches durch einen mit einem Ende (21) mit dem mit der Masse, dem Objekt od. dgl., mitbewegten Detektor- Substrat (5) verbundenen und demselben entragenden, Einkristall bzw. Nanodraht (2), aus einem elektroneutralen Material, gebildet ist, welcher zumindest in einem begrenzten Bereich entlang seiner Erstreckung (E), vorzugsweise an bzw. im Nahbereich von seinem freien Ende (22), eine ein permanentes, konstantes Streu-Magnetfeld (ms) aussendende - nur entlang der Oberfläche einer Kugel, deren Mittelpunkt sich jeweils am Ausgangspunkt bzw. am gebundenen Ende (21) des Einkristalls bzw. Nanodrahtes (2) befindet, bewegbare - Beschichtung (3'), eine derartige Masse, ein derartiges Nanoteilchen (3) od. dgl. trägt, wobei Einkristall bzw. Nanodraht (2) und Streu-Magnetfeld-Beschichtung, bzw. - Masse (3', 3) gemeinsam die träge Masse bilden, und
- dass zumindest im Nahbereich des gebundenen Endes (21) des Einkristalls bzw. Nanodrahts (2) jeweils eine einzige durchgehende Magnetfeld-Detektionsschicht (4), insbesondere eine einzige derartige Schicht (4) aus einem magnetoresistiven Material, angeordnet ist, - dass jedoch bevorzugter Weise, das mitbewegte Substrat (5) mit einer solchen Schicht (4) versehen ist, welche bevorzugter Weise ihrerseits als Sensor-Komponente selbst einen Bestandteil, Bauteil od. dgl. einer Miniatur-Magnetfeld-Detektionseinheit (7) bildet.
2. Miniatur-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkristall bzw. Nanodraht (2) durch selbstorganisiertes Wachsen direkt aus dem Detektor-Substrat (5) gebildet ist.
3. Miniatur-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Nanoteilchen (3) selbst den Keim für die Bildung bzw. für das Wachstum des Einkristalls bzw. Nanodrahts (2) bildet und mit dessen freiem Ende (22) vom Substrat (5) bzw. von dessen Magnetfeld-Detektionsschicht (4) hochgehoben ist.
4. Miniatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Beschichtung (31) am Nanodraht bzw. im Nahbereich von dessen freiem Ende (22) bzw. das dort angeordnete Nanoteilchen (3) mit bzw. aus einem paramagnetischen oder ferromagnetischen Material, vorzugsweise mit bzw. aus reinen Ferromagneten, wie Fe, Co, Ni, oder Oxiden der genannten Elemente, zum Beispiel Fe3O4 (Magnetit), gebildet ist.
5. Miniatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeld-Detektionsschicht (5) durch Dünnschichtsysteme, insbesondere durch Vielfachschichten, die einen Riesenmagnetowiderstand, RMR, wie z.B. Cu/NiFe- System oder Tunnelmagnetowiderstand, TMR aufweisen, gebildet ist.
6. Miniatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkristall bzw. Nanodraht (2) durch Emporwachsen auf dem Detektor-Substrat (5) unterhalb eines dort angeordneten Keimteilchens, vorzugsweise Nanoteilchens (3) aus einem magnetischen Material (3), in einer das Einkristall- bzw. Nanodrahtmaterial enthaltenden Gas- oder Flüssigphase gebildet ist.
7. Miniatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Nanoteilchen (3) durch chemische Bindung an den Einkristall bzw. Nanodraht (2), insbesondere an dessen freies Ende (22), gebunden ist.
8. Miniatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Beschichtung (31) des Einkristalls bzw. Nanodrahts (2) mittels eines Aufdampf- oder Lithografieprozesses auf denselben aufgebracht ist.
9. Miniatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkristall bzw. Nanodraht (2) mit bzw. aus Silizium oder Galliumarsenid oder selbst aus einem magnetischen Material gebildet ist.
10. Miniatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeld-Detektionsschicht (4) auf dem Detektor-Substrat (5) ohne oder mit Abstand (a) rund um den von demselben aufragenden Einkristall bzw. Nanodraht (2) aufgebracht ist, oder aber dass derselbe am Rand der genannten Schicht (4) angeordnet ist.
11. Miniatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der, gegebenenfalls gekrümmt ausgebildete, Einkristall bzw. Nanodraht (2) in einem von 90° verschiedenen Winkel (α) zur Oberfläche des Detektor-Substrats (5) bzw. zu dessen Magnetfeld-Detektionsschicht (4) angeordnet ist.
12. Miniatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Detektor-Substrat (5) mit einer Mehrzahl von, insbesondere zueinander parallel verlaufenden, Furchen, Tälern (51) od. dgl. ausgebildet ist, deren einer Flanke (52) der Einkristall bzw. Nanodraht (2) entragt und deren andere Flanke (53) jeweils die Magnetfeld-Detektionsschicht (4) trägt (Fig.3a).
13. Miniatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass er eine Mehrzahl von, gegebenenfalls in einer regelmäßigen Rasterordnung, dem Detektor-Substrat (5) bzw. der Magnetfeld-Detektionsschicht (4) im, gegebenenfalls rechten, Winkel (α) zu dessen bzw. deren Oberfläche zueinander parallel ausgerichtet entragenden Einkristallen bzw. Nanodrähten (2) aufweist. (Fig.3b)
14. Miniatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektor-Substrat (5) eine Mehrzahl von, bevorzugt in einem Raster angeordneten, mit der Magnetfeld-Detektionsschicht (4) versehenen Erhebungen (55), Hügeln, Noppen od. dgl. aufweist, von deren höchsten Punkten bzw. Gipfeln (551) und von deren Flanken (552, 553) jeweils bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zur dortigen Oberfläche die Einkristalle bzw. Nanodrähte (2) mit der magnetischen Beschichtung (31) bzw. mit den magnetischen Nanoteilchen (3) wegragen.
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