Simulation and measurement of a MEMS resonant displacement sensor

Abstract

Der Markt der MEMS Technologien ist immer noch stark im Wachstum. Einer der Gründe dafür ist die Möglichkeit komplexe Sensorik in immer kompakterer Bauform entwickeln zu können. Ein resonanter Sensor ist ein spezieller Typ, welcher sich gut mit MEMS Technologien umsetzten lässt. Aufgrund der kleinen Dimension und hoher Güte dieser Sensoren wirken sich äußere Einwirkungen auf die Sensorstruktur und Änderungen auf die Umgebung stark aus, wodurch sich auch die Resonanzfrequenz des Sensors relativ stark verändert. Im Fall dieser Diplomarbeit sollte sich die Resonanzfrequenz aufgrund einer Verschiebung in der Achse, welche normal zur Sensorebene steht, soweit verändern, dass man daraus auf die Verschiebung schließen kann. Hierfür wurde ein neues Design entwickelt und simuliert. Zum Vergleich wurde ein zweites, fertiges Design ebenfalls in einem ähnlichem Umfeld analysiert. Zur Bestätigung der Simulation, wurde dieser alternative Sensor in einem speziellen Messaufbau vermessen. Die Arbeit teilt sich daher in den großen Hauptteil Simulation, sowie Aufbau, Anregung und Vermessung des alternativen Sensors.

MEMS technology is still a growing economy, as it has many advantages in building complex sensors due to its small and compact dimensions. A resonator is a special type of structure which is used in the MEMS world very often. Because of the small design the resonance frequency depends a lot on the external influence on the sensor structure or the change of its environment. For this master thesis a resonator is expected to be sensitive to displacement from its out-of-plane axis. For this purpose a new design was developed and simulated and compared to a fabricated, second design, working under similar conditions. For the confirmation of this thesis the alternative design had to be constructed and measured. This thesis is therefore subdivided to the major part simulation and then the fabrication, excitation and measurement of a second sensor.