Frequenzselektive Vibrationssensoren mit spannungsgesteuerter Resonanzabstimmung in Oberflächenmikromechanik

• Main Author: Wibbeler, Jürgen
• Other Authors: TU Chemnitz, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
• Format: Doctoral Thesis
• Language: deu
• Published: Universitätsbibliothek Chemnitz 2003
• Subjects: Frequenzabstimmung; MEMS; Spektrumanalyse; Verschleißüberwachung; capacitive sensor; frequency tuning; large signal response; nonlinear oscillation; resonance; spectrum analysis; stress-stiffening; vibration sensor; wear monitoring; ddc:620; Großsignalverhalten; Kapazitiver Sensor; Mikromechanik; Nichtlineare Schwingung; Resonanz; Vibrationssensor
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:swb:ch1-200301366; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:swb:ch1-200301366; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/4747/data/dissertation2002_jwibbeler.pdf; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/4747/20030136.txt

Basic resonator structures for frequency-selective capacitive vibration sensors which exploit their mechanical resonance peak for spectral selectivity are developed and analyzed. As an important capability, the stuctures offer voltage-controlled frequency tuning realized by electrostatic principles. Direct electrostatic tuning based on displacement-dependent electrostatic forces as well as tuning by stress-stiffening based on constant electrostatic forces are discussed. The sensor structures are designed for fabrication using common silicon surface microtechnologies. Experimental tests of both mentioned tuning principles are carried out at structures fabricated using a surface technology known as SCREAM. A considerable part of the work focusses on nonlinear oscillations of the mechanical resonator at large amplitudes arising in resonance. Dimensioning rules for minimum nonlinear disturbance are derived from a detailed analysis of the Duffing oscillator. Various capacitive principles for signal detection and electrostatic frequency tuning are evaluated in terms of nonlinearity. A novel type of specially shaped electrode systems offering linear properties within an amplitude range of 10 micrometers, so-called curved comb capacitors, is developed for fabrication in SCREAM technology. === In der vorliegenden Arbeit werden Grundstrukturen frequenzselektiver kapazitiver Vibrationssensoren entwickelt und analysiert, deren spektrale Selektionswirkung durch Ausnutzung ihrer mechanischen Resonanzüberhöhung entsteht. Wesentliches Merkmal der Strukturen ist ihre spannungsgesteuerte Abstimmbarkeit, die auf elektrostatischen Prinzipien beruht. Es werden die direkte elektrostatische Frequenzabstimmung, basierend auf positionsabhängigen Feldkräften, sowie das Prinzip des Stress-Stiffening, basierend auf einer konstanten elektrostatischen Kraft, diskutiert. Die Entwicklung konzentriert sich auf Sensorstrukturen, die in klassischen Oberflächentechnologien gefertigt werden können. Experimentelle Tests der beiden genannten Abstimmprinzipien werden anhand von Strukturen in oberflächennaher Silizium-bulk-Mikromechanik (SCREAM) durchgeführt. Schwerpunkt der Arbeit sind nichtlineare Schwingungen der mechanischen Resonatorkomponente bei großen Amplituden, die durch die Resonanzüberhöhung entstehen. Für den Sonderfall des Duffing-Schwingers werden Dimensionierungsregeln zur Minimierung der Nichtlinearitäten entwickelt. Kapazitive Prinzipien zur Detektion bzw. elektrostatischen Abstimmung werden hinsichtlich ihrer Linearität geprüft. Es werden neuartige Elektrodensysteme für die SCREAM-Technologie, sogenannte Kurvenkammsysteme entwickelt, die bei Schwingamplituden bis zu 10 Mikrometer linear arbeiten.