Optimisation of an optomechanical transducer and its application as electric field sensor

Abstract

Diese Dissertation behandelt die physikalischen Eigenschaften eines hochgradig positionsempfindlichen optomechanischen Wandlers, der auf MEMS Technologie basiert. Abhängig vom konkreten Design können diese Wandler als Sensoren für unterschiedliche Größen, wie etwa Beschleunigungen, Vibrationen, Magnetfelder oder elektrische Felder, eingesetzt werden. Ein Ziel diser Arbeit war es, die physikalischen Eigenschaften der mechanischen Komponenten und optischen Empfindlichkeit besser zu verstehen und zu optimieren. Eine der wichtigsten Resultate dieses Teils war ein akkurates analytischel Modell, das die Dämpfung der mechanischen Struktur beschreibt. Die Genauigkeit dieses Modells kann mit aufwändigen und langwierigen numerischen Simulationen mithalten. Es kann daher dazu verwendet werden die Charakteristik des Sensors schon in der Designphase maßzuschneidern und zu optimieren. Weiters wurden mehrere Ansätze zur Verbesserung der optomechanischen Empfindlichkeit und Effizienz des Wandlers untersucht. Dabei hat sich die Kollimierung des einfallenden Lichtes als am effizientesten herausgestellt. Ein anderes Ziel der Arbeit war es, basierend auf dem optomechanischen Wandler einen Sensor für niederfrequente und statische elektrische Felder zu implementieren. Nachdem die elektromechanische Wandlung, die auf dem Phänomen der Influenz beruht, komplett neu ist, mussten ihre physikalischen Eigenschaften, z.B. die quadratische Abhängigkeit der Kraft vom elektrischen Feld, hergeleitet werden. Das dynamische Verhalten des Sensors wurde numerisch und zum Teil auch analytisch analysiert. Messungen, die mit gefertigten Sensoren durchgeführt wurden, stimmten sehr gut mit diesen Analysen überein. Außerdem wurde gezeigt, dass die experimentellen Ergebnisse reproduzierbar sind und dass mit den präsentierten Sensoren eine Auflösungsgrenze von 173 V/m/sqrt(Hz) erreicht werden kann. Weiters wurde skizziert, wie das Layout der Sensoren ausgelegt werden kann um Auflösungsgrenzen in der Größenordnung von 1 V/m/sqrt(Hz) zu erreichen. Da mechanische Vibration und akustische Einflüsse eine Störquelle für diese E-Feldsensoren darstellen, wurde auch ein anderes, widerstandsfähigeres Design untersucht. In diesem Design ist die mechanische Bewegung, die durch die elektrostatische Kraft hervorgerufen wird, eine Rotation statt einer Translation. Zwei verschiedene Arten von Aufhängungen (eine basierend auf geraden Balken, eine basierend auf U-förmigen Balken) wurden im Hinblick auf ihre Empfindlichkeit auf E-Felder und auf ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber der Störquellen untersucht. Es wurde gezeigt, dass die mechanischen Interferenzen zwar beide Typen weniger stark einkoppeln, aber dass nur die Sensoren mit U-förmigen Balken eine befriedigende Empfindlichkeit aufweisen.

This thesis focuses on the physical properties of a highly displacement-sensitive optomechanical transducer based on MEMS technology. Depending on the concrete design, these transducers can be used as sensors for various quantities, e.g. acceleration, vibration, magnetic field or even electric field. One aim of this work was to better understand and optimise the physical properties of the mechanical components and the optical sensitivity. One of the major findings of this part was an accurate analytical model describing the damping of the mechanical structure. The accuracy of this model can compete with computationally expensive and lengthy numerical calculations. Therefore, it can be used to tailor and optimise the characteristic of device already in the design step. In addition, several approaches to improve the optomechanical sensitivity and efficiency of the transducer were explored. Thereby, the collimation of the incident light proved to be the most effective approach. Another aim was to implement an electric field sensor for low-frequency and constant electric fields based on the optomechanical readout. Since the electromechanical transduction of this sensor, based on electrostatic induction, is completely new, the physical properties, e.g. that the force depends on the square of the electric field, had to be established. The dynamic behaviour of the sensor was analysed numerically and - to a certain extent - analytically. Measurements conducted with actual MEMS devices agree very well with these analyses. Furthermore, it was shown that the experimental results are reproducible and that with the presented sensors, an electric field resolution limit as low as 173 V/m/sqrt(Hz) can be achieved. In addition, it was outlined how the layout of future sensors can be designed in order to achieve resolutions in the order of 1 V/m/sqrt(Hz). Since mechanical vibrations or acoustic interferences pose a source of disturbance for these E-field sensors, another, more resilient sensor design was explored. In this design, the mechanical motion induced by the electrostatic force is a rotation rather than a translation. Two different kinds of suspensions (one based on straight beams, one based on U-shaped beams) were investigated with respect to their E-field sensitivity and resilience to interferences. It was shown that, while for both types the mechanical interferences couple less to the sensors, only the sensors with U-shaped beam suspension exhibit a satisfying sensitivity.