Title: Resonant MEMS structures for displacement sensing ( a sensor in a nutshell)
Language: English
Authors: Dabsch, Alexander Andreas 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Keplinger, Franz 
Assisting Advisor: Stifter, Michael 
Issue Date: 2021
Number of Pages: 150
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Möglichkeiten, einfache MEMS Sensor-Strukturen möglichst umfangreich zu nutzen und deren mögliche Einsatzzwecke zu erweitern. Der Ausgangspunkt der Entwicklung sind die Arbeiten von Franz Keplinger und Michael Stifter, welche sich zunächst mit der Herstellung und Vermessung von einfachen Silizium Kragbalken für den Einsatz als eindimensionales Magnetometer beschäftigen und im Weiteren durch die Weiterentwicklung zu U-förmigen Balken auch zwei Feldkomponenten des Magnetfeldes vermessen können. Eingesetzte werden für diese Sensor-Strukturen Standard CMOS Prozesse sowie Referenzmessungen unter dem Einsatz eines Laser-Doppler-Vibrometes, welches als Referenz für alle weitern Strukturen herangezogen wird wodurch eine hohe Vergleichbarkeit der Strukturen gegeben ist. Diese vom Prinzip nicht neue Technologie wurde jedoch durch deren Arbeit so fein abgestimmt, dass die erzielbare Sensitivität im Bereich jener der Hall-Sensoren liegt und mit Messbedingungen im Vakuum noch verbessert werden kann.Alle erwähnten Sensoren sind Lorentz Kraft angeregt und haben zu diesem Zweck Leiterbahnen, meist aus Gold, auf Ihrer Oberfläche mittels dieser bei den Sensoren durch geeignete Positionierung gezielt zwischen mehreren Feldkomponenten unterschieden werden kann. Dieses Prinzip wird übernommen und findet auch bei der weiteren Entwicklung der Sensorstrukturen in dieser Arbeit Anwendung. Die Entwicklung geht dabei mit dem Vorbild der U-Struktur, mit welcher ein bis zwei Magnetfeldkomponenten vermessen werden können, hinzu einer Magnetfeldgradienten Struktur welche eine örtliche Auflösung des Feldgradienten abbilden soll. Dies wird durch zwei gegenübergestellte und mechanisch gekoppelte Strukturen realisiert. Von dieser Sensor-Struktur wurden im Zuge der Entwicklung zwei unterschiedliche Strukturen realisiert welche durch geschickte Geometrieauswahl unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten der Resonanzfrequenz aufweisen. Bei ansonsten gleichbleibenden Werkstoff- und Geometrieparametern konnte auf diese Weise die Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur um 75% verbessert werden . Im letzten Abschnitt wird auf die Entwicklung des PikoSens „Displacement Sensors“ eingegangen welcher als Weiterentwicklung der Magnetfeldgradientenstruktur gesehen werden kann. Eine Kreuzförmige Basis-Struktur dient als vorgespannte Saite und wird durch die Verschiebung des Sensorrahmens, welcher in vier Bereits unterteilt ist „verspannt“ diese Verspannung bewirkt eine unterschiedliche Änderung aller Resonanzmoden, je nach Belastungsrichtung und –Stärke. Durch dieses Modell können mehrere Kraftkomponenten gleichzeitig bestimmt werden, was sowohl durch Simulation als auch durch Messungen gezeigt wird. Die Vorteile der Temperatur-effekt Kompensation aus den Gradienten Strukturen wurde für diese Entwicklung übernommen wobei der Effekt auch hier deutlich nachweisbar ist.

This thesis deals with the possibilities of using simple MEMS sensor structures as extensively as possible and expanding their possible uses. The starting point of the development is the work of Franz Keplinger and Michael Stifter, who initially deal with the production and measurement of simple silicon cantilever beams for use as a one-dimensional magnetometer and can then also measure two field components of the magnetic field through the further development of U-shaped beams . Standard CMOS processes as well as reference measurements using a laser Doppler vibrometer, which is used as a reference for all other structures, are used for these sensor structures, thus ensuring a high degree of comparability of the structures. This technology, which is not new in principle, has been so finely tuned through their work that the achievable sensitivity is in the range of that of the Hall sensors and can be further improved with measurement conditions in a vacuum.All of the sensors mentioned are excited by Lorentz force and for this purpose have conductor tracks, mostly made of gold, on their surface by means of which, by means of suitable positioning, the sensors can be used to differentiate between several field components. This principle is adopted and is also used in the further development of the sensor structures in this work. The development is based on the model of the U-structure, with which one or two magnetic field components can be measured, plus a magnetic field gradient structure which is intended to map a local resolution of the field gradient. This is realized by two opposing and mechanically coupled structures. From this sensor structure, two different structures were realized in the course of the development, which have different temperature dependencies of the resonance frequency due to clever geometry selection. With otherwise constant material and geometry parameters, the dependency on the ambient temperature could be improved by 75% in this way.The last section deals with the development of the PikoSens "Displacement Sensor" which can be seen as a further development of the magnetic field gradient structure. A cross-shaped basic structure serves as a pre-tensioned string and is "tensioned" by shifting the sensor frame, which is already divided into four. This tension causes a different change in all resonance modes, depending on the direction and strength of the load. With this model, several force components can be determined at the same time, which is shown both by simulation and by measurements. The advantages of the temperature effect compensation from the gradient structures were adopted for this development, whereby the effect can also be clearly demonstrated here.
Keywords: MEMS; displacement sensing; multiaxial sensor; force sensor
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2021.36311
http://hdl.handle.net/20.500.12708/17509
DOI: 10.34726/hss.2021.36311
Library ID: AC16208899
Organisation: E366 - Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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