Stabilization of MEMS-based electric field sensor

Abstract

Die zuverlässige und reproduzierbare Messung des elektrostatischen Feldes hat schon immer eine Herausforderung dargestellt, besonders für tiefere Frequenzen kleiner als 1 Hz. Während heute viele physikalische Größen mit Mikro- und Nanosensoren gemessen werden können, existiert kein Sensor für tieffrequente und statische elektrische Feldern am Markt. Die Forschung ist vor allem auf MEMS-basierte Sensoren fokussiert, meistens MEMS Feldmühlen aber auch kraftbasierten MEMS Sensoren. Diese Arbeit behandelt die Stabilisierung der Messungen des Gleichfeldes mit einem aktiven kraftbasierten Sensor durch Untersuchung zweier Stabilisierungs-Ansätze. In der ersten Konfiguration wird die Drift über die Bias-Elektroden, die über einen Regelkreis gesteuert werden, kompensiert. Die zweite Konfiguration hat eine fixe Bias-Spannung verwendet, um den Wandler von der elektrostatischen Aufladung abzuschirmen, die von Ionen stammt, die sich auf das Dielektrikum in der Nähe des Wandlers anlagern. In der ersten Konfiguration konnte die elektrostatische Drift nicht vollständig mit der Regelung kompensiert werden. Das System wurde daher rekonfiguriert, mit dem Ziel, so wenige Dielektrika wie möglich in der Nähe des Wandlers zu positionieren. Das rekonfigurierte System wies keine elektrostatische Drift mehr auf, daher war keine aktive Stabilisierung mehr nötig. Allerdings musste immer noch gegen die Effekte der Ionen vorgegangen werden. Dies wurde mit einer fixen Spannung an den Biaselektroden erzielt, die den Wandler von den Ionen abschirmt. Der Einfluss verschiedener Materialien des Substrats wurde auch untersucht und berichtet.

The reliable and reproducible measurement of electrostatic fields has always represented a challenge, especially for lower frequencies smaller than 1 Hz. While today many physical quantities can be measured with micro- and nanosensors, no such sensor for DC and low-frequency electric fields exists on the market. Research mainly centers around MEMS-based sensors, typically MEMS field mills, but also force-based MEMS sensors.This thesis deals with the stabilization of the DC field measurements with an activeforce sensor, by exploring two different stabilization approaches. In the first configuration, the drift was compensated by bias electrodes that were controlled through a control loop mechanism. The second configuration used a fixed bias voltage on the electrodes to shield the transducer from the charge build-up stemming from the ions accumulation on the dielectric materials in its proximity.In the first configuration, the electrostatic drift could not be entirely compensated with the control loop. The system was then reconfigured with the goal of minimizing the amount of dielectric materials around the transducer and shielding all optical components. The reconfigured system was not showing the signs of electrostatic drift, so no stabilization was needed. However, the mitigation of ionic interference was still needed. This was achieved with a fixed voltage on the bias electrodes that shielded the transducer from the ions. The influence of different substrate materials is also interrogated and reported.