Performance of cantilever-based piezoelectric MEMS resonators in liquid environment

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden piezoelektrisch angeregte MEMS (micro electromechanical systems) Resonatoren vorgestellt, mit deren Hilfe verschiedene mechanische Schwingungsmoden und deren spezifischen Eigenschaften in unterschiedlichen Fluessigkeiten untersucht, bewertet und optimiert werden. Aus diesem Grund wird auf die Theorie und die Herstellung verschiedenartiger balken- oder plattenartigen Messstrukturen in Siliziummikromechanik mit gesputtertem, piezoelektrischem Aluminiumnitrid ausfuehrlich eingegangen. Der funktionale Duennfilm dient sowohl als Aktuator, um die gewuenschte Schwingungsmode anzuregen, als auch als sensorische Schicht, um ueber eine Impedanzaenderung zentrale Kenngruessen, wie die Resonanzfrequenz und die Daempfung (Q-Faktor), rein elektrisch zu erfassen. Nach der Herstellung der Bauelemente unter Reinraumbedingungen wird insbesondere die sogenannte inplane Schwingung naeher betrachtet, da diese im Vergleich zu einer out-of-plane Schwingung zu einer hohen Scherung im umgebenden Medium fuehrt und deshalb fuer die Viskositaets-Dichtemessung zu bevorzugen ist. Von weiterem zentralen Interesse sind der Einfluss der jeweiligen Modenform und die damit verknuepfte lokale Verteilung der piezoelektrisch erzeugten Ladungstraeger, die als elektrisches Messsignal dienen. Grundsaetzlich ist dabei zu beachten, dass auf der resonierenden Mikrostruktur eine Mindestflaeche an mechanisch verformten Bereichen von der piezoelektrischen Schicht bedeckt wird, um ein verwertbares Messsignal, insbesondere in hochviskosen Medien, zu erzeugen. Im Zuge der Bauteilcharakterisierung zeigte sich eine bis dato kaum genutzte Klasse von Schwingungsmoden, die in Bezug auf den Q-Faktor und die elektrische Signalerzeugung allen gaengigen Schwingungsmoden (wie z.B. out-of-plane, in-plane oder den Torsionsschwingung) ueberlegen ist. Um die MEMS Resonatoren unter realitaetsnahen Bedingungen bewerten zu koennen, wurde ein spezifischer Messaufbau realisiert, der eine Regelung der Fluessigkeitstemperatur bis zu 100°C erlaubt. Ferner wurde eine elektrische Rueckkopplungsschaltung ausgelegt und vermessen, mit deren Hilfe der Q-Faktor bis zu einem Faktor von ca. 20 in Luft und ca. 9 in Ethanol erhoeht werden kann. Die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellten neuartigen Schwingungsmoden und Entwurfsrichtlinien erlauben es in Zukunft, piezoelektrisch angetriebene MEMS Resonatoren auf Basis einer balken- oder plattenartigen Messstruktur zur Messung der Viskositaet und Dichte fuer eine breite Palette von unterschiedlichsten Fluessigkeiten mit erhoehter Sensitivitat in einem weiten Temperaturbereich zu realisieren.

In this work, piezoelectric-actuated MEMS (micro electromechanical systems) resonators are presented to study and optimise different mechanical vibration modes and their specific properties for monitoring the viscosity and density of liquid media. For this purpose, the mechanics of cantilevers as well as plate-type devices is introduced. They are fabricated using silicon micromachining in combination with sputter-deposited aluminium nitride. The functional thinfilm material serves both for excitation of the specific vibration mode and for sensing purposes to determine the resonance frequency and the damping (Q-factor) by measuring the piezoelectrically generated charges as a change in the impedance spectrum. The MEMS resonators are characterised predominantly in their fundamental in-plane vibration mode, as, in contrast to any out-of-plane mode, shear forces are transferred to a higher extend to the surrounding liquid media, thus favouring this mode for viscosity and density sensing. Especially the knowledge about the mode shape and the corresponding local distribution of the generated Polarisation charges are of utmost importance for an optimised device operation. Basically, it turned out that a minimal mechanically strained surface area of the vibrating structure has to be covered with the piezoelectric layer to generate a technically exploitable measurement signal. In addition, a new class of vibration modes is investigated, showing a superior performance in the Q-factor and the level of the electrical output signal compared to commonly used vibration modes (e.g. out-of-plane, in-plane or torsional modes). To evaluate the MEMS resonators under close to real life operation conditions a specific test setup is realised to control the liquid temperature up to 100°C. Furthermore, an electronic feedback circuit is realised allowing to enhance the Q-factor up to about a factor of 20 in air and up to about a factor of nine in ethanol, respectively. The novel vibration modes and the design guidelines presented within the scope of this doctoral thesis will allow in the future to realise piezoelectric-actuated MEMS resonators based on cantilever or plate-type structures for measuring the viscosity and density in a widespread range of liquid media with a high sensitivity.