Fundamentale Untersuchungen zu Nichtlinearitäts- und Rauschverhalten in ko-resonant gekoppelten Cantilever-Sensoren mit piezoelektrischer Schwingungsanregung und -detektion

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Julia Körner
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413437742

Dynamische Cantilever-Sensoren werden in vielen verschiedenen Bereichen als sensitive Massen- oder Kraftsensoren eingesetzt, z.B. in der Materialcharakterisierung oder in der Gassensorik. Ein Hauptanliegen ist dabei die Steigerung der Empfindlichkeit bei gleichzeitig zuverlässiger Anregung und Detektion des Schwingungszustandes. Hierfür wurde in den letzten Jahren ein ko-resonanter Ansatz entwickelt, der auf der Kopplung von einem höchst empfindlichen Nanocantilever mit einem Mikrocantilever für die Schwingungsdetektion basiert. Um die hohe Empfindlichkeit des Nanocantilevers zugänglich zu machen, müssen die Eigenfrequenzen der beiden Schwinger aneinander angepasst werden. Eine große Herausforderung für dieses Sensorkonzept besteht in der Herstellung, da die beiden Cantilever sich zum einen sehr stark in ihren Abmessungen unterscheiden und zum anderen die Eigenfrequenzanpassung über die Geometrie sehr genau eingestellt werden muss. Hierzu wurde im Rahmen des bisherigen Projektes ein Batch-Prozess zur Herstellung monolithischer ko-resonanter Cantilever-Sensoren mit definierter Frequenzanpassung entwickelt. Zudem wurden die effektiven Sensorparameter auf Modellebene anhand eines gekoppelten harmonischen Oszillators untersucht, um das fundamentale Grundlagenwissen für den ko-resonant gekoppelten Zustand zu erweitern. Sowohl in theoretischen als auch in experimentellen Untersuchungen ergaben sich eine Vielzahl von neuen Fragestellungen, die insbesondere das Linearitäts-, Stabilitäts- und Rauschverhalten derartiger Sensoren betreffen. Der ko-resonante Zustand sorgt für eine komplexe Interaktion der beiden Schwinger, was insbesondere die Untersuchung des grundlegenden Empfindlichkeits- und Detektionslimits wissenschaftlich herausfordernd und auf fundamentaler theoretischer Ebene sehr interessant macht. Erkenntnisse in diesem Bereich sind zudem nicht auf gekoppelte Cantilever beschränkt, sondern lassen sich auf die Grundlagenphysikalische Betrachtung der gekoppelten harmonischen Oszillatoren erweitern. Im vorgeschlagenen Folgeprojekt soll deshalb als ein Schwerpunkt die theoretische Modellbildung und -analyse insbesondere im Hinblick auf Rauschverhalten und Linearität bzw. Nichtlinearität im Schwingungsverhalten vorangetrieben werden. Der zweite Projektschwerpunkt betrifft die Erweiterung des Anwendungsspektrums von ko-resonanten Cantilever-Sensoren, indem ein Herstellungsprozess entwickelt werden soll, um piezoelektrische Strukturen in den Mikrocantilever zu integrieren. Hierfür bietet das ko-resonanten Konzept einen entscheidenden Vorteil, da die Gesamtempfindlichkeit hauptsächlich durch den Nanocantilever bestimmt wird. Aus der Kombination von experimentellen Untersuchungen und theoretischen Modellen erwarten wir neue wissenschaftliche Erkenntnisse für die Grundlagen der ko-resonanten Sensoren im Bereich nichtlineares Schwingungsverhalten und Detektionsgrenzen und eine Bewertung der Eignung des self-sensing/self-actuating Ansatzes für dieses Konzept.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen