Dynamic analysis of MEMS structures

Abstract

In vielen modernen elektronischen Geräten werden MEMS-Systeme als Messelemente eingesetzt. Das Potential der MEMS-Technologie ist jedoch noch lange nicht ausgeschöpft und Forschung sowie Entwicklung sind nach wie vor gefragt. Besonders Resonanzstrukturen wie Biegebalken oder Brücken haben in den letzten zwei Jahrzehnten die Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Ihre herausragende Eigenschaft zeichnet sich durch einen hohen Qualitätsfaktor der mechanischen Resonanz aus, welcher über 10 000 hinausgehen kann. Die Strukturen sind jedoch sehr anfällig auf mechanische Spannungen, die unter anderem durch Temperaturänderungen hervorgerufen werden. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird untersucht welchen Einfluss die Temperatur auf Resonanzfrequenzen hat und wie man diesen kompensieren könnte. Die Arbeit beschäftigt sich daher mit dem Strukturdesign, der Einstellung der Resonanzfrequenzen und ihrer Temperaturabhängigkeit. Im Speziellen werden H-förmige Strukturen untersucht und die Gestalt der dazugehörigen Schwingungsmoden betrachtet. Des Weiteren wird die Änderung der Resonanzfrequenzen aufgrund von Parameter-Modifikation analysiert. Diese Analyse wird durchgeführt um Effekte aufzudecken, die verwendet werden können, um Balkenstrukturen mit speziellen, gewünschten Resonanzfrequenzen in Abhängigkeit der Temperatur zu konstruieren. Im Zuge der Untersuchungen präsentieren wir zwei verschiedene Strukturen. Eine Struktur, deren Resonanzfrequenz stark mit der Temperatur variiert und eine andere, die eine nahezu temperaturunabhängige Resonanz aufweist.

In many modern electronic devices MEMS systems are utilized as sensing elements. MEMS technology doesn't tap its full potential and research as well as development are still demanded. Especially resonating structures such as cantilevers or bridges have attracted the attention over the last two decades. One of the most outstanding feature of them is the high quality factor of the mechanical resonance that can exceed 10 000. However, the structures are vulnerable to mechanical stress which is also influenced by the temperature. It is in the scope of this thesis to investigate its influence on the resonant frequency and how the consequences can be compensated. Therefore, the thesis deals with the design of the resonant frequencies and their dependence on the temperature. In particular, H-shaped structures are investigated and the corresponding mode shapes are examined. Furthermore, an analysis of the change of the resonant frequencies caused by parameter alteration of the beam structures is performed. This was done to reveal effects which can be utilized to construct beam structures featuring special desired resonant frequency dependencies with the temperature. Within the investigations we present two different structures. One structure where the resonant frequency strongly varies with the temperature and another where the resonant frequency is almost independent of the temperature.