Analoge Q-Control zur Güteverstärkung von piezoelektrischen MEMS Resonatoren

Abstract

Der Gütefaktor ist eine wesentliche Kenngröße für die Sensitivität von resonant betriebenen MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) Bauelementen. Sie ist insbesondere bei der Bestimmung von sich zeitlich verändernden Resonanzeigenschaften, hervorgerufen durch z.B.<br />Dichte- oder Viskositätsänderungen eines gasförmigen oder flüssigen Analyten, von zentraler Bedeutung. Daher ist eine Maximierung des Gütefaktors, der speziell in Flüssigkeiten zufolge der viskosen Reibung des Sensors mit dem umgebenden Medium deutlich reduziert ist, von äußerst hohem Interesse. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Aufbau einer analogen Feedback-Schleife zur Güteverstärkung resonanter piezoelektrischer Mikrostrukturen. Das Konzept sieht die positive Rückkopplung eines zur resonanten Änderung der Konduktanz proportionalen, vom Lock-In Verstärker detektierten und schmalbandig gefilterten Spannungssignals vor. Alternativ zur realisierten, softwarebasierten Implementierung wird die Verknüpfung des verstärkten Feedbacksignals mit der periodischen Grundanregung durch einen analogen Multiplizier-Baustein ausgeführt.<br />Dadurch kann eine erhebliche Zeitersparnis bei Aufnahme der Resonanzkurven durch Reduktion des Datenverkehrs zwischen den Peripheriegeräten erzielt werden. Zur Verbesserung der Auflösung des Messsignals, Verringerung von Messfehlern sowie Erhöhung des Dynamikbereichs der Ansteuerung mit geschlossener Rückkoppelschleife sind auf der Schaltung Zweige zur Kompensation parasitärer Effekte enthalten.<br />Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Layout der Leiterplatte für die analoge Schaltung entwickelt und nach Auswahl und Evaluierung hinsichtlich geforderter Betriebsparameter sowie minimaler Phasenverschiebung und Stabilität bei kapazitiver Beschaltung mit geeigneten Bauelementen bestückt. Die eigens konzipierte LabView Software übernimmt die Steuerung des gesamten Messablaufs, die Aufnahme der ausgewerteten Messsignale sowie die komponentenspezifische Korrektur von Phasenverschiebungen.<br />Die an Sensoren mit unterschiedlichen Dimensionen und Resonanzmoden durchgeführten Messungen mit geschlossener Rückkoppelschleife führten zu einer Steigerung des effektiven Gütefaktors bis zu einem Faktor 21 in Luft und um das Fünffache in Ethanol. Einschränkungen in der maximal erreichbaren Güteverstärkung ergaben sich durch das dynamische Verhalten des analogen Multiplizierers, die durch die Ansteuerung mit nicht-stationären Spannungswerten hervorgerufen wurden.<br />

The quality factor is of utmost importance for the sensitivity of resonantly driven MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) devices, especially when targeting the temporal characteristics of this parameter caused by the interaction with a gaseous or liquid analyte for e.g.<br />density or viscosity determination. Therefore, an enhancement of the quality factor, which is substantially reduced in fluids due to viscous damping, is of great significance.<br />This diploma thesis presents the implementation of an analogue control loop to enhance the quality factor of piezoelectric driven, resonantly excited microstructures. The concept is based on the positive feedback of a signal proportional to the conductance in resonance, which is detected and filtered by a lock-in amplifier. In contrast to the previously realised software-based operation, the combination of the scaled feedback signal with the periodic initial stimulus is accomplished with an analogue multiplier. This leads to a substantial saving in measurement time due to the reduced data exchange between the peripheral measurement components. The circuit comprises branches to compensate for parasitic effects, which affect the resolution of the measurement signal, the magnitude of the measurement error and the dynamic range of the feedback loop.<br />Within the scope of this thesis, the layout of a printed circuit board has been developed and equipped with electronic components, which were selected for the required operating parameters, minimum phase shift and stable operation with capacitive elements. The specifically developed LabView software controls the measurement procedure and data recording and corrects the phase shifts of the electronic components.<br />Feedback measurements performed with sensors of different dimensions and resonant modes lead to an enhancement of the effective quality factor up to a factor of 21 in air and up to a factor of five in ethanol.<br />Limitations for the maximum achievable amplification were set by the dynamic response of the analogue multiplier due to the operation with non-stationary signals.<br />