Investigation on a MEMS electric field sensor based on alternating charges

Abstract

This thesis is centered around measuring and quantifying static electric fields.There is an abundance of approaches for such a sensor but none of them is satisfying with respect to practicability, reliability and reproducibility. Through the usage of microsystem technology it is possible to build sensors with spatial resolutions in the region of milli- to micrometers. Therefore, meeting scientific and industrial demands which have been out of reach until now. Furthermore, these sensors are capable of measuring low-frequency and static electric fields with minimal external interference. In order to provide such a sensor, a method was developed to design such devices with a variety of geometries. Those devices have been manufactured in silicon and prepared fore further characterization. An appropriate setup has been built and used to measure the properties of several different types of sensor structures. The data of these measurements has been evaluated and the characteristics of the sensors were compared during this thesis. This lead and will lead to more insight into the behavior of this kind of sensor.

Diese Arbeit befasst sich im weitesten Sinne mit der Erfassung der Eigenschaften elektrischer Felder. Obwohl es bereits einige vielversprechende Ansätze gibt, erfüllt dennoch keiner alle Kriterien vieler Einsatzgebiete. Durch die Entwicklung eines Sensors auf MEMS-Basis soll es möglich werden, elektrische Feldsensoren mit örtlichen Auflösungen im Millimeter- oder sogar Mikrometerbereich herzustellen und damit wissenschaftliche aber auch industrielle Anforderungen an diese Messungen zu erfüllen. Weiters sollen die, in dieser Arbeit behandelten, Sensoren auch die Möglichkeit bieten niederfrequente elektrische Felder ohne zwischenzeitliche Eingriffe, wie zum Beispiel Kalibrierungen, zu messen. Zu diesem Zweck wurde eine Methode entwickelt, mehrere verschiedene Strukturen mit unterschiedlichsten geometrischen Parametern herzustellen. Mit Hilfe eines Silizium-Wafers und den geeigneten Ätzverfahren wurden die erstellten Strukturen verarbeitet und zur Anwendung vorbereitet. Ein geeigneter Aufbau zur Vermessung eines erzeugten elektrischen Feldes wurde erstellt und die Strukturen in weiterer Folge einzeln vermessen und charakterisiert. Diese Messdaten konnten in dieser Arbeit zum Teil ausgewertet werden und die Eigenschaften unterschiedlicher geometrischer Formen miteinander verglichen werden. Dies führte zu einigen Erkenntnissen, welche sich für die weitere Entwicklung als hoffentlich wertvoll und wegweisend herausstellen werden.