Micro Resonators For Applications In Liquids And Gases
Final Report Abstract
Wesentliches Ziel dieses Projektes war die Untersuchung des Dämpfungsverhaltens mikromechanischer Oszillatoren in verschieden Gasatmosphären. Aus diesen Dämpfungsuntersuchungen sollten die verschiedenen physikalischen und thermischen Eigenschaften hervorgehen und damit die Basis für neuartige physikalische Gassensoren bilden. Zunächst gelang es, den Einfluss molekularer Freiheitsgrade (Translation, Rotation, und Vibration) auf die Dämpfung im molekularen Strömungsbereich nachzuweisen. Aus diesen Untersuchungen konnte die zeitliche Dynamik des Aktivierungsverhaltens höherer Freiheitsgrade von mehratomigen Molekülen in Abhängigkeit des vorhandenen Spaltes bzw. der Flugzeit abgeleitet werden. Damit konnten die Relaxationszeiten dieser Freiheitsgrade bestimmt werden, welche in Übereinstimmung mit Werten der Literatur stehen. Abschließend konnte eine Theorie zur Beschreibung dieses Effektes gefunden werden. Weiter gelang es, den bislang kaum erfassten Übergangsbereich vollständig mittels eines adaptierten Modells zu beschreiben. Aufgrund der Komplexität dieses Bereiches, da weder eine molekulare Betrachtung noch ein Kontinuumsansatz anwendbar ist, stellt dies den ersten Ansatz zu einer zufriedenstellenden Beschreibung dar. Dazu wurde ein thermisches Resonanzmodell eingeführt, was in sehr guter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten ist. Physikalisch ließ sich das Modell mittels FEM Simulationen stützen und die abgeleiteten Parameter zeigten die erwarteten Abhängigkeiten zu den thermischen Eigenschaften der Gasmoleküle. Ferner gelang es, eine verallgemeinerte Beschreibung für diverse Oszillatorstrukturen zu finden. Die Ergebnisse zeigten eine eindeutige Korrelation der Interaktionsreichweite mit einer geometrischen Begrenzung in der Größenordnung des vielfachen der jeweiligen Grenzschicht (viskos und thermisch). Damit lässt sich der Einfluss des Packages auf die Dämpfung des Mikro-Oszillators deutlich einfacher quantifizieren. Zusammenfassend wurde ein Ersatzschaltbild entworfen, das alle Dämpfungsphänomene in einer simplifizierten Form zusammenträgt. Die verwendeten piezoelektrischen Schichten wurden mittels optischer Messmethoden charakterisiert und Indikatoren für die piezoelektrischen Eigenschaften gefunden. Weiter konnten alle relevanten physikalischen und optischen Eigenschaften ermittelt werden. Damit wurde eine einfache und nichtdestruktive Messmethodik zur Bestimmung piezoelektrischer Eigenschaften gesputterter Schichten vorgestellt. Abschließend wurden zwei Konzepte für die Anwendungen von Mikro-Oszillatoren als Gas- bzw. als Drucksensoren, basierend auf den Dämpfungseffekten vorgestellt. Unter Nutzung des nichtlinearen Effekts piezoelektrischer Mikro-Oszillatoren konnte eine Mehrbereichsdrucksensor vorgestellt werden, der bis zu fünf Druckdekaden umfasst und dessen Messbereich und Sensitivität über die Ansteuerspannung einstellbar ist. Darüber hinaus konnten die Mikro-Oszillatoren zur Detektion des Sauerstoffkonzentration eingesetzt werden. Dabei konnte über den Gütefaktor und die Resonanzfrequenz die Zunahme der Dichte und Viskosität aufgrund eines höheren Sauerstoffgehaltes nachgewiesen werden. Die besten Resultate wurden dabei mit der Resonanzfrequenz erzielt was zu einer Sensitivität von 34 ppm/Prozent Sauerstoff und einer Auflösung von 1.2 % führte. Der Nachweis des paramagnetischen Effektes von Sauerstoff konnte nicht erbracht werden. Grund hierfür war die überlagerte Verdrängung des diamagnetischen Stickstoffes was eine Erhöhung der Resonanzfrequenz und des Gütefaktors zur Folge hatte.
Publications
- „Polyatomic degrees of freedom and their temporal evolution extracted from the damping of micro-oscillators”, Sensors and Actuators A: Physical, vol. 297, 111460, 2019
T. Zengerle, J. Joppich, P. Schwarz, A. Ababneh, and H. Seidel
(See online at https://doi.org/10.1016/j.sna.2019.06.040) - „A lumped element model for the damping mechanism of micro-oscillators in the transitional flow regime”, Proceedings of 32nd International Conference on Microelectronics (ICM), pp. 1 - 4, 2020
T. Zengerle, J. Joppich, H. Lensch, A. Ababneh, and H. Seidel
(See online at https://doi.org/10.1109/ICM50269.2020.9331778) - „Modeling the damping mechanism of MEMS oscillators in the transitional flow regime with thermal waves”, Sensors and Actuators A: Physical, vol. 311, 112068, 2020
T. Zengerle, J. Joppich, P. Schwarz, A. Ababneh, and H. Seidel
(See online at https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112068) - „Optical characterization of sputtered aluminum nitride thin films – correlating refractive index with degree of c-axis orientation”, Thin Solid Films, vol. 693, 137701, 2020
A. Ababneh, Z. Albataineh, A. Dagamseh, I. Al-Kofahi, B. Schäfer, T. Zengerle, K. Bauer, and H. Seidel
(See online at https://doi.org/10.1016/j.tsf.2019.137701) - Equivalent circuit model for the damping of micro-oscillators from molecular to viscous flow regime, Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 31, 095010, 2021
T. Zengerle, J. Joppich, H. Lensch, A. Ababneh, and H. Seidel
(See online at https://doi.org/10.1088/1361-6439/ac1a51) - “Investigations on nonlinearities of roof tile-shape modes for pressure measurement applications”, Proceedings of Transducers 2021 Virtual Conference, pp. 1343 - 1346, 2021
T. Zengerle, M. Stopp, A. Ababneh, and H. Seidel
(See online at https://doi.org/10.1109/Transducers50396.2021.9495604) - „Optical and structural properties of aluminium nitride thin-films synthesized by DC-magnetron sputtering technique at different sputtering pressures”, Microsystem Technologies, vol. 27, pp. 3149 - 3159, 2021
A. Ababneh, A. Dagamseh, Z. Albataineh, M. Tantawi, Q. Al-Bataineh, M. Telfah, T. Zengerle, and H. Seidel
(See online at https://doi.org/10.1007/s00542-020-05081-4) - „Using the nonlinear Duffing effect of piezoelectric micro-oscillators for wide-range pressure sensing”, Actuators, vol. 10, no. 8, 2021
T. Zengerle, M. Stopp, A. Ababneh, and H. Seidel
(See online at https://doi.org/10.3390/act10080172)
