In the course of this work, cantilever-based MEMS resonators are investigated to detect latex particles in the picogram range within liquids. The underlying idea originates from applications in both medicine and the condition monitoring of technical systems. In medicine, the detection of proteins in liquids can be used for diagnostic purposes. In machines, abrasion particles are generated due to friction between the individual moving components and disperse in the lubricant oil. MEMS resonators offer a promising approach for detecting selected particles or proteins and determining their mass.The focus of this work is on analyzing the effects of different cantilever designs (by varying the dimensions) as well as different vibration modes on sensitivity, the Q-factor and the resonance frequency. Only so-called "roof-tile-shaped" modes are considered, as they offer advantages over other modes, such as standard out-of-plane modes, when measuring in liquids because of their lower damping. The excitation of the modes is carried out piezoelectrically using an sputter-deposited aluminum nitride layer that is sandwiched between the bottom and top electrodes, all integrated on the cantilever. The measurement setup is improved with new excitation electronics and the existing housing for mounting the individual samples is replaced by a newly developed custom-designed enclosure. The aim is to eliminate the packaging process, including the associated bonding step, while simultaneously enabling the parallel measurement of multiple cantilevers. To capture the resonance behavior of the samples, the resonance frequency is measured optically using a laser Doppler vibrometer, and further parameters are subsequently determined using software. The experimental results are analyzed and compared with findings from relevant scientific literature.
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Im Zuge dieser Arbeit werden Cantilever basierte MEMS-Resonatoren untersucht, um Latex-Partikel im Pikogramm-Bereich in Flüssigkeiten zu detektieren. Die zugrunde liegende Idee für diese Arbeit liegt in der Medizin sowie der Zustandsüberwachung von technischen Systemen. In der Medizin kann die Detektion von Proteinen in Flüssigkeiten zur Diagnostik herangezogen werden. In Maschinen entsteht durch die vorhandene Reibung der einzelnen beweglichen Komponenten Abriebpartikel, die im Schmieröl dispergieren. MEMS-Resonatoren bieten hierfür eine gute Möglichkeit, um je nach Anwendungsgebiet ausgewählte Partikel oder Proteine zu detektieren und deren Masse zu bestimmen. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Analyse der Auswirkungen verschiedener Cantilever-Designs (Variation der Abmessungen) sowie unterschiedlicher Schwingungsmoden auf die Sensitivität, den Q-Faktor und die Resonanzfrequenz. Es werden ausschließlich sogenannte „Wellpappen“-Moden betrachtet, da diese aufgrund ihrer geringeren Dämpfung Vorteile gegenüber anderen Moden, wie den standard out-of-plane Moden, bei Messungen in Flüssigkeiten bieten. Die Anregung der Moden erfolgt piezoelektrisch, durch eine zwischen Bottom- und Top-Elektrode aufgesputterte Aluminiumnitrid-Schicht, die direkt auf dem Cantilever integriert ist. Die Messvorrichtung wird durch eine neue Ansteuerungselektronik erweitert, und das bestehende Gehäuse zur Montage der einzelnen Samples wird durch ein neu entwickeltes, eigens designtes Gehäuse ersetzt. Das Ziel ist es, den Verpackungsprozess einschließlich des damit verbundenen Bonding-Schrittes zu eliminieren und gleichzeitig die parallele Messung mehrerer Cantilever zu ermöglichen. Zur Erfassung des Resonanzverhaltens der Samples wird die Resonanzfrequenz optisch mit Hilfe eines Laser Doppler Vibrometers erfasst und anschließend softwaretechnisch weitere Parameter ermittelt. Die experimentellen Ergebnisse werden analysiert und mit Ergebnissen der Fachlichteratur verglichen.
