TU Wien: Der kleinste Kraftrichtungssensor der Welt

An der TU Wien wurde ein weniger als 100 μm kleiner Kraftsensor entwickelt, der nicht nur Kräfte, z.B. Vibrationen im Nanometerbereich, sondern auch ihre Richtung messen kann. Daraus ergeben sich spannende Anwendungsszenarien.

Kraftsensor Bildquelle: © TU Wien

Der neuartige Kraftsensor (die auf ihrer Kante stehende viereckige Struktur in der Bildmitte) kann Kraftrichtungen in allen drei Dimensionen sowie die Torsion messen.

»Die meisten Kraftsensoren können Kräfte nur in einer Richtung messen«, sagt Alexander Dabsch, Dissertant im Team von Prof. Franz Keplinger am Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien. »Für viele Anwendungen reicht das aber nicht aus – zum Beispiel, wenn man in einem Rasterkraftmikroskop eine dünne Spitze Atom für Atom über eine raue Oberfläche gleiten lässt. Dann treten Kräfte in unterschiedliche Richtungen auf, aus denen man wertvolle Information gewinnen kann.«

Neben der Richtung der Kraft in allen drei Raumdimensionen misst der bereits zum Patent angemeldete Kraftsensor auch die räumliche Verdrehung, die Torsion, höchst präzise. Ein quadratischer Rahmen, in dem sich der Chip befindet, wird durch Krafteinwirkung von außen leicht verbogen. In der Mitte sitzt eine kreuzförmige Sliziumdrahtstruktur.

Kraftsensor Bildquelle: © TU Wien

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»Genau wie eine Gitarrensaite kann auch diese Silizium-Struktur vibrieren«, erklärt Alexander Dabsch. »Wir können diese Vibrationen gezielt anregen, indem wir ein äußeres Magnetfeld anlegen und dann Strom durch die Struktur fließen lassen. Dabei entsteht eine Kraft, die Schwingungen auslöst.« 

Die Schwingungsfrequenzen der Silizium-Struktur ändern sich, wenn eine äußere Kraft den Sensor verbiegt. »Die Schwingungsfrequenz lässt sich auf wenige Hertz genau messen, das ermöglicht uns, die Verbiegungen am Chip mit einer Präzision im Nanometerbereich anzugeben«, erklärt Dabsch.

»Nachdem unser Sensor extrem kompakt ist, liegt es nahe über einen Einsatz in Rasterkraftmikroskopen nachzudenken«, sagt Alexander Dabsch. »Aber es gibt natürlich auch noch viele andere Möglichkeiten – von der Überwachung mechanischer Verbiegungen in Bauwerken bis hin zur Präzisions-Robotik, etwa wenn eine Maschine mit besonders empfindlichen Objekten hantieren soll, auf die nur eine ganz bestimmte Maximalkraft ausgeübt werden darf.«