MEMS e-field sensor with stabilized optical readout

Abstract

In this thesis different methods have been developed and tested to stabilize an opticalreadout for a micro-electrical-mechanical-system (MEMS) electric field sensor. The opticalreadout is used because it does not interfere with the electric field the system measures.Due to its inherent high resolution of 10 −10 m a Michelson interferometer is used.For the stabilization an piezoelectric mirror is placed in the reference arm of the interfer-ometer. With the piezoelectric actuator an oscillating signal is introduced with a knownfrequency and modulation index. Via a feedback mechanism the signal is detected andthe instantaneous working point of the interferometer is calculated. A controller, that isconnected to the piezoelectric mirror, adjusts the mirror position.We implemented two types of stabilization mechanisms with different level of complexityand functional flexibility. They both showed similar performance and established a verystable working point for the Michelson interferometer.Three tests were executed. The first one was done without a stabilization which deliveredonly useless, noisy measurements. The second test was done on a piezoelectric buzzer, todetermine its transfer function. In the third test we used the electric field transducer, todetermine the maximum sensitivity that could be achieve.

In dieser Arbeit wurden verschiedene Methoden für ein optisches Readout eines Sensors für die elektrische Feldstärke entwickelt und getestet. Der Sensor basiert auf mikro-elektro-mechanischen Strukturen (MEMS), die im elektrischen Feld geringfügig ausgelenkt werden.Diese kleinen Auslenkungen einerseits und die leichte Störbarkeit des elektrischen Feldesandererseits erfordern ein Readout, das nicht auf die Struktur zurückwirkt. Dies unddie hohe erforderliche Auflösung von 10 −10 m erklärt die Wahl des optischen Prinzipsim Allgemeinen und des Michelson-Interferometers im Speziellen. Das Interferometerkann allerdings leicht durch Vibrationen und thermische Ausdehnungen gestört werden.Dem wird mit einer Stabilisierung begegnet, in den Referenzarm des Interferometerswird ein piezoelektrisch verstellbarer Spiegel platziert. Mit dem Piezoaktuator wird einSchwingungssignal mit bekannter Frequenz und bekannten Modulationsindex erzeugt. Übereinen Rückkopplungsmechanismus wird das Signal erfasst und der aktuelle Arbeitspunktdes Interferometers berechnet. Über eine Steuerung, die mit dem piezoelektrischen Spiegelverbunden ist, wird die Spiegelposition eingestellt. Zwei unterschiedliche Arten von Sta-bilisierungsmechanismen mit unterschiedlicher Komplexität und funktionaler Flexibilitätwurden implementiert. Beide zeigten, ähnliche Funktionalität und es gelang mit ihnen, einenhinreichend stabilen Arbeitspunkt des Interferometers zu erzeugen. Es wurden drei prinzip-ielle Messungen durchgeführt. Die erste, ohne Stabilisierung zeigte das Grundproblem undlieferte die Vergleichsbasis. Die zweite Messung wurde an einem piezoelektrischen Buzzerdurchgeführt, um dessen Übertragungsfunktion zu bestimmen. Für die dritte Messunghaben wir den elektrischen Feld-Sensor verwendet, um die maximale Empfindlichkeit zubestimmen, die wir so erreichen konnten.