Gschirtz, M. (2020). Optical readout for micromechanical electric field sensors [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/78827
-
Number of Pages:
65
-
Abstract:
In this master’s thesis several approaches were tested to realize an optical readout, for micro-electrical-mechanical-system (MEMS) electric field sensors. Using an optical readout, the sensor can in principle be operated without conducting cables which could interfere with the measurement, provided that the transducer being deflected by the electric field is passive (does not require a separate power supply). If the transducer is active, the optical readout obviates crosstalk. A piezo buzzer was used as surrogate for an electric field sensor to produce arbitrarily small and well-defined deflections. It was characterized using a laser-Doppler vibrometer, a fiber-bundle reflective sensor, a photocell reflective sensor, a Fabry-Pérot interferometer and a Michelson interferometer. The photocell reflective sensor was able to reliably resolve deflections in the magnitude of 10 nm, the fiberbundle reflective sensor resolved 1 nm and the Michelson Interferometer achieved a resolution in the magnitude of 0.1 nm. The resolutions achieved by the Fabry-Pérot Interferometer and the vibrometer could not be determined in the terms of magnitude. The Michelson interferometer measurement required a stabilization mechanism to allow measurement over longer timeperiods. This was realized using thermal insulation as well as a custom-built circuit and algorithm. Finally, an E-field prototype transducer was measured to confirm the viability of the Michelson interferometer for this application.
In dieser Diplomarbeit werden mehrere Möglichkeiten getestet, um ein optisches Readout für micro-electric-mechanical (MEMS) E-Feld (Stärke des elektrischen Feldes) Sensoren zu realisieren. Ein optisches Readout ermöglicht passive Sensoren (benötigen keine Stromversorgung) ohne leitende Kabel, welche die Messung beeinflussen könnten. Wird ein aktiver Wandler verwendet, verhindert das optische Readout Übersprechen. Für die Messungen wurde anstelle eines E-Feld Sensors ein Piezo Buzzer als Referenz Objekt verwendet um reproduzierbare beliebig kleine Auslenkungen zu erzeugen. Dieser wurde mit einem Laser-Doppler Vibrometer, einem Lichtschranken-Reflexionssensor, einem Glasfaser-Reflexionssensor, einem Fabry-Pérot Interferometer und schließlich mit einem Michelson Interferometer vermessen. Mit der Lichtschranke konnten Auslenkungen in der Größenordnung von 10 nm aufgelöst werden, mit dem Glasfaser Reflexions Sensor 1 nm und dem Michelson Interferometer 0.1 nm. Die Auflösung des Fabry-Pérot Interferometers und des Laser-Doppler-Vibrometers konnte nicht in der Form einer Größenordnung angegeben werden. Das Michelson Interferometer benötigte eine Stabilisierung um Messungen über längere Zeitraume zu ermöglichen. Diese wurde durch thermische Isolation, einer eigens angefertigten Schaltung und dazugehörendem Stabilisierungsalgorithmus realisiert. Um die Eignung des Michelson-Interferometers für diese Anwendung zu zeigen wurde damit schließlich ein E-Feld-Prototyp-Wandler vermessen.