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Aktiver Hybridmikroresonator mit reduzierter Dämpfung für die Sensorik in viskoser Umgebung

Subject Area Microsystems
Term from 2010 to 2015
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 181050037
 
Final Report Year 2015

Final Report Abstract

Im Rahmen dieses Projektes wurden Hybrid-Mikroresonatoren mit integrierter Aktorik/Sensorik entwickelt, charakterisiert und angewendet. Dabei beruhte die Aktorik auf einer piezoelektrischen AlN-Schicht, die durch RF-Sputtern integriert im Prozesszyklus deponiert wurde. Es wurde ein neuartiges Elektrodendesign erfolgreich getestet, bei dem durch Influenz die elektrische Anregung auf die Gegenseite der AlN-Schicht überträgt und somit eine Kontaktierung der Gegenelektrode nicht erforderlich macht. In zwei verschiedenen Designstufen wurden aktive Resonatoren aufgebaut, nachdem zuvor planare AlN-Membranen auf ihre piezoelektrischen und invers-piezoelektrischen Eigenschaften untersucht wurden. Die Integration der Siliziumsäule auf der AlN-Membran in einer Wanne zur Etablierung der partiellen Benetzung bei Beaufschlagung einer wässrigen Phase stellte hohe Herausforderungen und Anforderungen an die Prozesstechnologie, da gleichzeitig die Kontaktierung der AlN-Schicht sichergestellt werden musste. Dazu wurde schließlich ein Sprühbelackungsprozess etabliert, der es erlaubte, auch strukturierte Oberflächen ausreichend mit Photoresist zu beschichten. In der Tat funktionierte die Prozessfolge erst, nachdem die Geometrie im Vergleich zum Antrag stark verändert wurde (Säule in die Wanne und Kontakte auf die planare Oberfläche). Zu Anfang wurde die Schwingungsamplitude rein optisch gemessen (beam deflection technique). Dabei zeigte sich, dass selbst geringste Laserlichtleistungen von ca. 10 µW beim Auslesen schon eine thermische Belastung für den Resonator bewirkte mit der Folge einer Frequenzverschiebung. Um diesen Effekt im Detail zu untersuchen, wurde eine neue Gating-Methode implementiert. Damit konnte die „wahre“ Resonanzfrequenz per Extrapolation aus gekoppelten Zeit-Frequenz-Messungen bestimmt werden. Die entsprechende nicht-lineare Theorie stimmte sehr gut mit den Messdaten überein. Zum Verständnis des mechanischen Verhaltens der Resonatoren wurde ein sehr umfangreiches Modell implementiert, das verschiedene Verlustmechanismen in einem semianalytischen Modell berücksichtigt. Hierbei wurde auch die Umgebung der Resonatoren mit einbezogen und nicht etwa nur die unrealistische „Feste-Einspann“-Bedingung, die üblicherweise in der Literatur verwendet wird. Das war insofern wichtig, da mit diesem Modell nachgewiesen wurde, welchen Einfluss das Mode-Coupling der lokalen und nicht-lokalen Moden aufweist. Dabei stellte sich schließlich auch heraus, dass die AlN-Membranen zu großflächig festgelegt wurden und damit neben den gewünschten lokalen Moden auch nichtlokale Moden angeregt wurden. Verschiedene Versuche wurden unternommen, um die AlN-Schicht auch für den sensorischen Teil nutzen zu können. Bei all diesen Messungen erwies sich der Netzwerkanalysator als sehr hilfreich. Allerdings stellte sich heraus, dass durch die starke und unerwünschte kapazitive Kopplung des aktorischen und sensorischen Anteils die Signale nicht getrennt werden konnten. Wichtig war allerdings, dass durch Rückkopplung die Resonanzkurve beeinflusst werden konnte: die Amplitude und der Gütefaktor stiegen entsprechend. Nachdem noch die Phasenanpassung im Frequenzbereich der Gain-Kurve (Resonanzspektrum) erfolgte, konnte der Oszillationsmodus zunächst an Luft erreicht werden. Schließlich wurde auf diese Oszillatoren Wasser geschichtet und es zeigte sich, dass die Oszillation selbst bei partieller Benetzung mit Wasser stabil bleib. Damit wurde ein zentrales Anliegen des Projektes, die Etablierung der partiellen Benetzung und ein Betrieb im Oszillationsmodus, erfolgreich demonstriert. Ein Massennachweis im Oszillationsmodus gelang allerdings nicht. Es wurde allerdings dabei festgestellt, dass die durch Plasmapolymerisierung hydrophobisierte Oberfläche ein Anlagern einer Latex-Kugel erschwerte oder sogar unmöglich machte. Gleichzeitig wurde dann sowohl theoretisch wie experimentell das Benetzungsverhalten des Resonators bei partieller Benetzung untersucht und eine Geometrie entwickelt, die eine Stabilisierung der Meniskusbildung bewirkt. In Zukunft muss untersucht werden, ob die neuartige Geometrie des Resonators/Oszillators ausreichend ist, um eine effektive Massendetektion zu gewährleisten. Sinnvoll ist sicherlich auch die Implementierung einer Mikrofluidik, die es erlaubt, die Flüssigkeit mit dem Analyten sehr gezielt den Resonatoren zuzuführen. Gleichzeitig vermeidet man damit, dass bei der bisherigen Variante des Tropfen-Aufsetzens der Innendruck des Tropfens durch Verdunsten variiert und sich das Benetzungs/Dämpfungsverhalten und gleichzeitig die Güte des Resonators möglicher Weise verändert. Mit der vorhandenen Geometrie ist eine wirtschaftliche Nutzung noch nicht denkbar.

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