Piezoelektrische MEMS Sensoren zur Dichte- und Viskositätsbestimmung von Fluiden

Abstract

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, einen bestehenden piezoelektrischen MEMS (micro electromechanical systems) Sensor zur Dichte- und Viskositätsmessung zu optimieren. Dazu wurde im Zuge einer vorhergehenden Dissertation ein entsprechendes Sensorkonzept entwickelt und dessen Funktionalität geprüft. Zur Optimierung werden in dieser Arbeit neue Sensordesigns präsentiert, die mittels Simulationen dahingehend ausgelegt werden, dass die Sensoren bei definierten Frequenzen ein gewünschtes Schwingverhalten aufweisen. Die Verbesserungen an der Geometrie des Sensors werden mit Hilfe der Finiten Elemente Methode vorgenommen. In weiterer Folge wird der Fertigungsprozess dahingehend optimiert, dass eine größere Ausbeute an funktionstüchtigen Bauteilen gewährleistet werden kann. Außerdem wird die Bauteilfertigung vereinfacht, sodass weniger Prozessschritte notwendig sind. Dadurch wird die Fehlerquote gesenkt und Fertigungszeit gespart. Die mikrotechnologisch hergestellten Bauelemente werden im Anschluss für die Bestimmung der Dichte als auch Viskosität von unterschiedlichsten Fluiden herangezogen. Dazu bedarf es einem physikalischen Modell, um die gefertigten Sensoren mit den Eigenschaften der Fluide zu verknüpfen. Deshalb werden bekannte Modelle aus der Literatur auf die gegebene Problemstellung angewendet. Des Weiteren werden wichtige Eigenschaften des Sensors z.B. Temperaturstabilität, Langzeitstabilität, etc. präsentiert. Dadurch ist es möglich einen Vergleich mit anderen Sensorprinzipien zu ziehen. Um den Fortschritt zu Dokumentieren werden Vergleichsmessungen mit früheren Sensordesigns durchgeführt.

The aim of this thesis is to optimise an existing piezoelectric MEMS (micro electromechanical systems) sensor for density and viscosity measurement. In a previous thesis first prototypes were fabricated and evaluated experimentally. For the optimization new sensor designs are presented in this work. Based on simulations, the sensor performance is computed so that they show the desired vibration behaviours at defined frequencies. The improvements in the geometry of the sensor are carried out with the help of the Finite Element Method. Subsequently, the fabrication process is optimized so that a larger device yield can be guaranteed in functional components. Moreover the component manufacturing is simplified, which requires fewer process steps. Thus, the failure rate is lowered and the fabrication time gets minimized. Basically, standard MEMS technologies are used for hardware realization. For an accurate determination of viscosity and density of fluids a physical model is requested to link the sensors output signal, such as Q-factor and resonance frequency, with the properties of the fluids. Therefore known models from the literature, such as the Butterworth-Van Dyke model, are applied to the given problem. Furthermore, important properties of the sensor for instance temperature stability, long-term stability, etc. are presented. All this data are necessary to compare the sensor performance with other sensor principles. To demonstrate the high quality of the new designs the measurement results are compared to those from the previous sensor design.