Energieautarke, drahtlose piezoelektrische MEMS Sensoren und Aktoren in der Medizintechnik und Industrie 4.0 – E-PISA

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS)sind bis zum heutigen Tage elementare Bestandteile in unserem Alltag geworden: Als Sensoren in Unterhaltungselektronik und der Medizintechnik sowie als Sensoren und Aktoren in der Industrie reicht ihr Einfluss von der Detektion von akustischen und mechanischen Schwingungen über die Erfassung von Bewegung, Temperatur und Feuchtemessung, über Gasanalytik bis hin zu mikro-optischen, medizintechnischen Produkten. Industrie-Roadmaps prognostizieren ein exponentielles Wachstum auf bis zu einer Billion Sensoren pro Jahr bis 2021, getrieben von der IoT (Internet-of-Things)-Entwicklung. Insbesondere für Anwendungen in der medizinischen Diagnostik werden zukünftig „smart systems“ benötigt, welche energieautark, drahtlos und stark miniaturisiert hergestellt werden können. Beispiele hierfür sind kathetherbasierte Druckmessungen bzw. endoskopbasierte bildgebende Verfahren zur direkten (in-vivo) Anwendung im menschlichen Körper. Die Zielstellung der Arbeiten dieser Forschergruppe besteht darin, für diese Aufgabenstellungen Lösungsansätze zu erarbeiten und anhand von zwei Demonstratoren zu verifizieren, welche im Vergleich zum Stand der Technik eine stark miniaturisierte, nichtinvasive bzw. minimalinvasive Diagnostik und damit stark verringerte Belastung für den Patienten ermöglichen.
Der In-Vivo Druckwandler ist ein Demonstrator für einen rein optisch betriebenen MEMS-Drucksensor. Mit Hilfe einer Membran mit AlN Aktuator wird demonstriert, dass es möglich ist, eine Nullpunktregelung mit optischer Energieversorgung und mit optischer Lagedetektion zu implementieren. Perspektivisch kann ein solches System kleiner als 500 µm werden und damit den Zugang zu feinsten Blutgefäßen ermöglichen. Im Gegensatz zu bisherigen Technologien entfallen für die Katheterleitung die elektrischen Anschlüsse), wodurch eine starke Miniaturisierung des Sensors und eine MRT- Tauglichkeit realisiert werden kann.
Ein optisches MEMS (MOEMS) ist entstanden, dass es ermöglicht, endoskopische optisch kohärente Tomographie durchzuführen. Die Methode eignet sich, um Gewebeschichten in ihrer Tiefe nichtinvasiv zu analysieren und Diagnostiken auf Basis von endoskopischen Biopsien teilweise abzulösen. Das stark miniaturisierte System benötigt eine konstante Regelung der bildgebenden mechanisch-beweglichen Elemente. Um diese Regelung rauscharm umzusetzen, ist es notwendig, eine hochempfindliche Lagedetektion direkt mit dem MEMS zu integrieren.
Ein großer Bedarf an energieautarken Sensoren besteht auch für industrielle Anwendungen, beispielsweise in der Zustandsüberwachung von Anlagen, aber auch neuen Funktionswerkstoffen wie z.B. Faserverbundwerkstoffe. Die Aufgabenstellung besteht dabei darin, Bewegungen, Schwingungen und Schädigungen z.B. durch Risse im Material, verbunden mit der Generierung von Schwingungssignalen (sog. Akustik Emission (AE)) zu detektieren, ohne ständig Energie zu verbrauchen. Hierfür entstand ein dritter Demonstrator:
Inertialsensor für Industrieüberwachung zur Schock- und Schwingungsdetektion. Dieser generiert eine intrinsische Ladung bei Auftreten eines mechanischen Ereignisses und kann somit äußerst energiesparend für autarke Sensorknoten eingesetzt werden. Im Gegensatz zu bestehenden Systemen benötigt der piezoelektrische Inertialsensor ausschließlich Energie, wenn eine Messung erfolgt. Der Ruhestrom des Systems wird minimiert. Die Batterielebensdauer und damit die Wartungsintervalle eines autarken Sensorknotens können so maximiert werden.
Allen drei Demonstratoren liegt als Lösungsansatz die Nutzung des piezoelektrischen Wandlerprinzips zugrunde. Damit können sowohl sensorische als auch aktuatorische Funktionalitäten, erzeugt werden. Im Vergleich zu den etablierten kapazitiven MEMS zeichnen sie sich durch eine kompaktere Baugröße und die Möglichkeit der intrinsischen Ladungsgeneration der sensorischen Komponente aus. Die Verwendung von AlN als piezoelektrisch aktives Wandlermaterial stellt im Gegensatz zur Verwendung von etablierten Materialien wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) und Polyvinylfluorid (PVDF) eine CMOS-kompatible, umweltfreundliche Alternative dar. Eine zusätzliche Steigerung der Empfindlichkeit der sensorischen Komponente entsteht durch die Kombination (monolithische Integration) von carbon nanotube (CNT)-basierten Transistoren als Verstärkerelemente in unmittelbarer Nähe (sehr kurze Signalwege) der elektromechanischen Wandlerelemente.Abschlussbericht des Projektes E-PISA (PDF)