Untersuchung intrinsischer Dämpfungseffekte und Ableitung von Regeln für ein robustes Design von Mikrosystemen bei hoher Güte

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jan Mehner; Dr.-Ing. Danny Reuter
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545127749

Die Güte ist ein zentraler Parameter für hochresonante mikromechanische Systeme, der sowohl die Dynamik als auch die Sensitivität der Funktionselemente entscheidend bestimmt. Die Effekte der Fluid-Struktur-Interaktionen im Zusammenhang mit MEMS sind in der Vergangenheit umfassend untersucht worden. Die ständig steigenden Anforderungen an mikromechanische Systeme bezüglich erreichbarer Sensitivität bei zugleich fortschreitender Miniaturisierung führen jedoch zu einer zunehmenden Bedeutung materialintrinsischer Verlustprozesse für resonante MEMS Sensoren und Aktoren. Dies wiederum erfordert ein tieferes Verständnis der damit zusammenhängenden Effekte und Wechselwirkungen, da materialintrinsische Dämpfungen bisher nicht in einem gewünschten Zielkorridor optimiert bzw. ausgelegt werden können. Das Ziel des Projektes ist es, materialintrinsischen mechanischen Verlustprozesse, die bei Wegfall der Fluid-Struktur-Interaktionen dominant werden, zu analysieren, deren Ursachen und mögliche Einflussfaktoren zu untersuchen sowie deren Auswirkungen auf Funktion und Robustheit von Mikrosystemen zu bewerten. Im Fokus stehen die Einspannverluste und die damit verbundenen Kopplungseffekte bei niederfrequenten kapazitiven MEMS (Eigenfrequenz kleiner als 200 kHz), sowie defektinduzierte Verluste, die im Wesentlichen durch die Herstellungsverfahren und Prozessparameter hervorgerufen werden. Darüber hinaus muss der thermoelastische Effekt im Projekt berücksichtigt und genau quantifiziert werden, da er als weiterer intrinsischer Verlustmechanismus die beiden genannten Effekte überlagert. Im Projekt ist geplant, durch eine Kombination von numerischen Simulationen und messtechnischer Charakterisierungen an Teststrukturen eine Bewertung des Vorhandenseins, der Dominanz und der Varianz verschiedener Dämpfungseffekte durchzuführen. Dazu werden die Einflüsse verschiedener Designs von Teststrukturen, geometrische Fertigungstoleranzen, Materialkombinationen sowie unterschiedliche Herstellungstechnologien auf die Intensität und Variation der Verlusteffekte untersucht. Experimentelle Messdaten und numerischer Simulationsergebnisse ermöglichen eine Bewertung wichtiger Einflussfaktoren auf die erreichbare Güte und die Wirkungen kleinster Asymmetrien auf das dynamische Verhalten resonanter Mikrostrukturen. Abschließend sollen die gewonnenen Erkenntnisse zur Ableitung von Modellierungs-, Design- und Fertigungsstrategien für Systeme mit hohen Güten (High-Q) verwendet werden. Die Projektergebnisse ermöglichen eine gezielte Auslegung von resonanten Mikrosystemen, bei denen materialintrinsische Dämpfungsmechanismen dominieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen