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Title
Performance of piezoelectric MEMS resonators in liquids / von Georg Pfusterschmied
AuthorPfusterschmied, Georg
CensorSchmid, Ulrich
PublishedWien, 2018
Descriptionxii, 141 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Institutional NoteTechnische Universität Wien, Dissertation, 2018
Annotation
Zusammenfassung in deutscher Sprache
LanguageEnglish
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (EN)MEMS / piezoelectric / resonator
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-109212 Persistent Identifier (URN)
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Performance of piezoelectric MEMS resonators in liquids [68.79 mb]
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Abstract (German)

Im Rahmen dieser Arbeit wurden piezoelektrisch angeregte MEMS Resonatoren für Anwendungen in der Flüssigkeitssensorik in einem Bereich von 1 bis 700mPa·s (zum Vergleich: SAE 15W40 als typisches Motoröl hat 390mPa·s bei Raumtemperatur) optimiert. Das bevorzugte Resonatordesign ermöglicht sowohl eine Anregung der Grundschwingung als auch Schwingungen höherer Ordnung. Es kommt ein maßgeschneiderter Ansatz zur Auslegung der Elektrodenstruktur zum Einsatz, um beim Auslesen der elektrischen Sensorsignale eine möglichst hohe Sensitivität für jede Schwingungsmode zu gewährleisten. Zusätzlich wird die mechanische Aufhängung der Mikroresonatoren an die Knotenlinien der jeweiligen Schwingungsform angepasst, um Ankerverluste ins Substrat zu minimieren und einen minimal von der Aufhängung beeinflussten Schwingungszustand zu erreichen. Um diese Optimierungsansätze experimentell zu untersuchen, wurden MEMS Resonatoren mit Standard-Prozessen der Silizium-Mikromechanik hergestellt und in Luft sowie in verschiedenen Flüssigkeiten elektrisch und optisch charakterisiert. Die dabei zum Einsatz kommende piezoelektrische Aluminiumnitrid- Schicht ermöglicht sowohl die Anregung als auch das elektrische Auslesen wichtiger, bauelemente-bezogener Kenngrößen, wie die Resonanzfrequenz, den Gütefaktor und die Konduktanzsignalhöhe in Resonanz. Im Zuge der Resonatorcharakterisierung zeigte sich, dass höhere Schwingungsmoden deutlich weniger von der Viskosität der umgebenen Flüssigkeit gedämpft werden und dadurch höhere Gütefaktoren aufweisen. Das maßgeschneiderte Ausleseverfahren sorgt für eine Erhöhung des Signal-zu-Rauschabstandes (SNR) um ein 50-faches für die zehnte Schwingungsordnung im Verglich zur Grundschwingung. Des Weiteren konnte durch gezieltes Optimieren der Resonatoraufhängung der SNR-Wert um weitere 20% erhöht werden. Diese drei Optimierungsansätze sind nicht nur für Sensorikanwendungen in hochviskosen Flüssigkeiten mit einer dynamischen Viskosität grösser als500mPa·s, sondern grundsätzlich für hochgenaue Messungen von z.B. Massenänderungen des Sensors in Flüssigkeiten und in Gasen von großer Bedeutung. Im abschließenden Kapitel dieser Dissertation wird eine vielversprechende Anwendung dieser optimierten Sensorelemente vorgestellt. Die piezoelektrisch angeregten MEMS Resonatoren werden verwendet, um minimale Änderungen insbesondere in der Dichte während des Gärungsprozesses von Trinkwein zu detektieren und dadurch mögliche fehlgeleitete Gärungsprozesse frühzeitig zu erkennen.

Abstract (English)

Within this thesis, the optimization of piezoelectrically excited MEMS resonators for most precise sensing in liquid environment is targeted, ranging from 1 to 700mPa·s (for comparison: typical engine oil SAE 15W40 has 390mPa·s at room temperature). The advanced resonator design enables both, the actuation of the fundamental vibration as well as higher order modes. Additionally, a tailored electrode design for enhanced electrical read-out of specific modes facilitates high output signals. To further improve this sensing concept, the anchor structures of the resonators are optimized such that the nodal lines of the particular mode match the position of the mechanical fixtures, thus minimizing any losses to the silicon frame and enabling a quasi-free vibration. To quantify these concepts experimentally, MEMS resonators are fabricated using silicon micromachining technology including piezoelectric aluminium nitride as active material. The tailored read-out mechanism is utilized to excite and sense the first 10 orders of a special transversal bending mode named roof tile-shaped mode, which are electrically and optically characterized in air and several liquids by key device parameters such as the resonance frequency, the quality factor and the electrical conductance peak height in resonance. With this approach, a significantly enhanced performance is achieved for higher order modes, where a decrease in viscous damping of the fluid leads to increased values of the quality factor. Additionally, the signal to noise ratio (SNR) is enhanced by a factor of 50, when comparing the 10th with the 1st order mode. The implementation of an optimized support further increases the SNR by about 20% independent of the viscosity of the fluid. These three areas of optimization are of particular interest for sensing applications targeting either physical properties of high viscous liquids with dynamic viscosities >500mPa·s, or any mass changes on the resonator surface. In the last chapter of this thesis a potential application for this highly optimized sensor elements is introduced. Thereby, the piezoelectric excited resonators are used to monitor the minimal physical changes during grape must fermentation, enabling the distinction between ordinary and potential stuck fermentation processes.

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