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Micro Resonators For Applications In Liquids And Gases

Subject Area Microsystems
Term from 2018 to 2022
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 398351153
 
Final Report Year 2022

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.

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