Piezoelectric MEMS devices for sensing and harvesting applications

Abstract

In den letzten Jahren wurden MEMS-Cantilever immer häufiger in Sensor- und Aktuator-Anwendungen eingesetzt. Der Q-Faktor beeinflusst dabei die Empfindlichkeit und die Performance derartiger Mikrostrukturen enorm und ist aus diesem Grund von außerordentlicher Bedeutung. Die folgende Diplomarbeit gliedert sich in zwei Abschnitte. Der erste Abschnitt beschreibt die Entwicklung und die Bewertung eines Cantilever-basierenden Energie Harvesters, welche durch eine radioaktive Quelle in Schwingung versetzt wird. Es wird aufgezeigt, dass die Verwendung einer radioaktiven Quelle eine interessante Möglichkeit bietet, Cantilever-Strukturen in Resonanz zu versetzen und die dabei entstehende Schwingungsenergie mittels einer piezoelektrischen Schicht zu ernten (harvesten). Ein derartiger Aufbau ermöglicht die Realisierung einer miniaturisierten Spannungsversorgung mit einer Lebensdauer von Jahrzehnten, welche zum Beispiel als Mikrobatterie in Herzschrittmachern eingesetzt werden kann. Im zweiten Abschnitt werden ähnliche Cantilever zur Messung der Viskosität und Dichte in Flüssigkeiten herangezogen. Der Cantilever wird in einer hochviskosen Flüssigkeit zur ersten lateralen Schwingungsmode angeregt. Dabei wird, anhand unterschiedlicher Cantilevergrößen in unterschiedlichen Flüssigkeiten, der enorme Dämpfungseinfluss der hochviskosen Flüssigkeit auf das Messsignal analysiert. Es wird gezeigt, dass die Cantilevergröße, und die damit verbundene Vergrößerung der aktiven piezoelektrischen Schicht, den Q-Faktor kaum beeinflusst. Hingegen führt eine derartige Skalierung zu einer signifikanten Vergrößerung des Messsignals, dem sogenannten Konduktanz-Peaks.

Over the last couple of years piezoelectric MEMS -cantilevers are widely used for sensor- and actuator-applications. The Q-factor is of great significance for the sensitivity and performance of such devices and is therefore the key point of the following investigations. This master thesis is divided into 2 parts. The first part illustrates the design, fabrication and testing of a resonant cantilever-based energy harvester stimulated by ß-radioisotopes. It is shown that using a radioactive source is a sophisticated way to generate vibrations on the corresponding resonance frequency. With this setup it is enabled to realize long-term low-power supplies in the micro-scale e.g. well suited for integration into pacemakers without the need of battery changes. In the second part a similar cantilever is used for measuring the viscosity and density of fluids. For this purpose, the sensor is fully immersed into the viscous liquid and excited at its first in-plane mode resonance frequency. In this particular case the influence of the high damping on the sensor signal is investigated. Therefore different cantilever geometries in different liquids are studied. It is shown that the cantilever size does not have a huge influence on the Q-factor, however the conductance peak can be significantly enhanced by increasing the active piezoelectric area size.