Schematische Darstellung des Sensors: Die bewegliche und die fixierte Schicht.
TU Wien
Auf den Eigenschaften des elektrischen Felds beruhen die Hoffnungen vieler Forscher. Gelingt es, die elektrische Feldstärke sehr genau bestimmen zu können, so lassen sich die Ergebnisse nicht nur für die Wettervorhersage nutzen. Auch für die Kontrolle von Industriemaschinen oder Arbeiten an und die Auslegung von Hochspannungsleitungen sind präzise Messungen der elektrischen Feldstärke notwendig. Vor allem für "den Bau und Betrieb ist die Kenntnis ihrer elektrischen Eigenschaften von großer Bedeutung“, schreibt Springer-Autor Jakob Schindler in Kapitel "Elektrische Kopplungen zwischen Leitern und Systemen von Freileitungen“.
In seinem Buch "Elektromagnetische Kopplungen hybrider AC-DC-Leitungen“ erklärt er dazu, warum die physikalischen Materialeigenschaften und die räumliche Anordnung der einzelnen Teile der Leitung über die Leitung verteilt Kopplungen zwischen benachbarten Leitern zur Folge haben. Angesichts der Energiewende und er daraus erforderlichen Trassenplanung eine wichtige Herausforderung, um Kopplungen zwischen verschiedenen Stromkreisen zu vermeiden.
Einflussfrei das elektrische Feld messen
Viele der Effekte lassen sich zwar mit herkömmlichen Feldstärkesensoren bestimmen. Allerdings haben die Geräte, die man heute verwendet, gravierende Nachteile. Welche das sind und warum das so ist, erklärt Andreas Kainz vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme (Fakultät für Elektrotechnik, TU Wien). Die Sensoren nämlich enthalten Teile, "die beim Messen elektrisch geladen werden. Leitende Metallkomponenten können das Feld, das man messen will, deutlich verändern. Diese Störungen werden noch schlimmer, wenn das Gerät noch dazu geerdet werden muss, um einen Referenzpunkt für die Messung zu haben."
Solche Messgeräte sind darüber hinaus oftmals noch relativ unhandlich und schwer transportabel. Kainz' Forschungsteam an der TU Wien ist es nun gemeinsam mit dem Department für integrierte Sensorsysteme von der Donau-Universität Krems gelungen, einen Sensor aus Silizium zu entwickeln, der auf einer ganz anderen Konstruktionsidee beruht als bisherige Messgeräte. Bei dem Sensor handelt es sich um ein mikroelektromechanisches System (MEMS). Es hat den Forschern zufolge den großen Vorteil, dass der Sensor das elektrische Feld, dessen Stärke er messen soll, nicht stört.
Bewegliche Silizium-Gitterstruktur reagiert empfindlich auf das elektrische Feld
Der Sensor, den die Forscher im neuen Fachjournal "Nature Electronics" aus der SpringerNature-Verlagsgruppe vorgestellt haben, ist aus Silizium und beruht auf einem recht einfachen Konzept: "Kleine gitterartige Siliziumstrukturen mit Abmessungen im Mikrometerbereich werden an einer kleinen Feder fixiert. Wenn man das Silizium in ein elektrisches Feld einbringt, wirkt eine Kraft auf die Siliziumkristalle und die Feder wird minimal gedehnt oder gestaucht“. Diese winzigen Verschiebungen gilt es nun, sichtbar zu machen. "Das geschieht auf optischem Weg", so Kainz und erklärt das Prinzip: "Über der beweglichen Silizium-Gitterstruktur an der Feder befindet sich ein weiteres Gitter, sodass die Gitteröffnungen einander exakt verdecken.
Bei Anwesenheit eines elektrischen Feldes verschiebt sich die bewegliche Struktur ein kleines Stück, die Gitteröffnungen werden nicht mehr perfekt abgedeckt und Licht kann durch die entstehenden Öffnungen fallen. "Dieses Licht wird gemessen, und bei passender Kalibrierung lässt sich daraus leicht ablesen, wie groß das elektrische Feld ist". Messen kann man so zwar nicht die Richtung, aber die Stärke des elektrischen Feldes – und zwar bei Feldern mit einer relativ niedrigen Frequenz von bis zu einem Kilohertz und mit einer beachtlichen Genauigkeit.
Beachtliche Messgenauigkeit
"Mit unserem Prototyp konnten wir bereits schwache Felder von weniger als 200 Volt pro Meter zuverlässig messen", sagt Andreas Kainz. "Damit erreicht unser System bereits jetzt ungefähr das Niveau bisheriger Produkte, und das obwohl es deutlich einfacher und kleiner ist." Allerdings gibt es hier noch viel Verbesserungspotenzial: "Andere Messmethoden sind bereits ausgereift – wir fangen gerade erst an. In Zukunft werden mit unserem mikroelektromechanischen Sensor sicher noch deutlich bessere Ergebnisse zu erzielen sein", so Kainz.