Piezoelektrische MEMS Resonatoren zur Charakterisierung von gasförmigen und flüssigen Medien

Abstract

In der Mikrosystemtechnik werden resonant angeregte Balkenstrukturen ("Cantilever") sowohl für sensorische als auch aktorische Anwendungen eingesetzt. Typische Beispiele sind Strömungsmess- oder Dichtemesssensoren, hochpräzise Waagen oder miniaturisierte Schaltelemente im Hochfrequenzbereich. Ihre Verbreitung profitiert von der in den letzten Jahrzehnten gewonnenen Erfahrungen in der Silizium basierten Bulk- und Oberflächenmikromechanik. Als Folge der technologischen Entwicklung können sie kostengünstig und stark miniaturisiert hergestellt werden. Zur Anregung sowie Auswertung des Schwingungsverhaltens der Cantilever stehen elektro-mechanische, optische, thermische, kapazitive und elektro-magnetische Verfahren zur Verfügung.<br />In dieser Arbeit werden mikrotechnisch hergestellte Cantilever realisiert und bewertet, welche zur Schwingungsanregung und zur Resonanzanalyse den piezoelektrischen Effekt ausnutzen. Auf Grund der Piezoelektrizität der Aluminiumnitrid-Schicht (AlN) tritt eine Änderung der elektrischen Polarisation durch mechanische Verformung während des Schwingungsvorganges auf. In Kombination mit Elektroden, die an der Ober- und Unterseite der AlN-Schicht angebracht sind, werden die Polarisationsladungen als Änderung der komplexen Impedanz der piezoelektrischen AlN-Schicht messtechnisch erfasst und ausgewertet. Als Qualitätskriterium der Schwingung wird der sogenannte Güte-Faktor (Q-Faktor) verwendet.<br />Es werden zwei Modelle zur analytischen Berechnung des Q-Faktors vorgestellt. Das erste Modell geht von der Euler-Bernoulli Differentialgleichung aus und beschreibt das transversale (out-of-plane) Schwingungsverhalten. Der zweite Ansatz behandelt den lateralen (in-plane) Schwingungsvorgang einer Platte als harmonischen Oszillator.<br />Im Anschluss folgt die Herstellung von piezoelektrischen Cantilever-Strukturen mit unterschiedlichen Geometrien. Die Herstellung der piezoelektrischen Sensoren, sowie die bei der Prozessierung auftretenden Herausforderungen, werden im Detail beschrieben.<br />Abschließend wird der Einfluss der Cantilever-Geometrien, und damit verbunden auch der Einfluss ihrer Massen und der aktiven AlN Fläche auf das Resonanzverhalten vorgestellt. Um Messungen in hoch viskosen Medien durchführen zu können, ist es notwendig, die kinetische Energie des resonierenden Balkens zu erhöhen. Geeignete Anätze werden vorgestellt und experimentell gewonnen Ergebnisse mit Hilfe der theoretischen Überlegungen bewertet. Abschließend wird der Einfluss der geometrischen Abmessungen auf den Q-Faktor in verschiedenen Medien verglichen.<br />

Resonantly excited MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) based cantilevers are widely used as active element for sensor and actuator-related applications such as for the determination of the viscosity and the density of fluids, as ultra-precise scale or as micro machined switch in RF (radio frequency) systems. The application of these cantilever-type devices benefits from the evolution in silicon bulk and surface micromachining technology in the last decades. Due to the batch fabrication approach the production cost decreased significantly. In MEMS, different mechanisms based on electro-mechanical, optical, thermal, capacitive, and electro-magnetic principles are available to stimulate and measure the oscillation behaviour of resonantly excited devices.<br />This work makes most beneficially use of the piezoeletrical properties of AlN layers sputter deposited on silicon cantilevers. Such piezoelectric films show a change in electrical polarisation when a mechanical strain is applied. In combination with top and bottom gold electrodes sandwiching the AlN layer, a change in the complex impedance originating from the polarisation charges is observed. To evaluate the performance of the oscillating cantilever the quality factor is introduced. Moreover, two models to describe analytically the oscillating behaviour of the cantilevers are presented. The first model based on the Euler-Bernoulli equation gives the resonance frequencies and quality factors for the transversal (out-of-plane) oscillation. The second approach uses the harmonic oscillation equation and provides an estimation for the quality factor of the lateral (in-plane) oscillation.<br /> Before experimental evaluation the piezoelectric cantilevers have to be fabricated. A major part of this work is dedicated to the fabrication process of the AlN based devices. A detailed description of the fabrication process is given in this thesis.<br />Finally, the impact of the cantilever geometry on the oscillation behaviour is studied. In detail, the change of the quality factor and the impact of the oscillation behaviour for an increase of the cantilever mass and an increase of the active AlN area are measured and compared to the theoretical models introduced above. Of high interest is the impact of the cantilever design on the quality factor when operating the resonating devices in fluids with different density and viscosity values.