Nichtlinear form- und einstellbare parametrische Resonanzen in resonanten Mikrosensoren zur Eigenschaftsverbesserung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Sattel
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 556709080

Mikroelektromechanische Resonatoren (MEMS-Resonatoren) haben in vielen Präzisionsanwendungen als Sensoren inzwischen eine erhebliche Bedeutung erlangt, ob als Gyroskope im Automobilbereich zur Gierratenmessung, als Gassensoren zur Detektion kleinster Gasmengen, in der Kommunikationstechnik als Konstantfrequenzquellen und Zeitgeber, oder in der Rasterkraftmikroskopie. Für all diese Anwendungen sind aus Sicht der Schwingungstechnik zwei Kenngrößen von zentraler Wichtigkeit: Die Sensitivität und die Abklingzeit. Mit der Abklingzeit eng verbunden ist die Messzeit. Bei linearen Systemen und erzwungener Anregung nimmt hingegen mit zunehmender Sensitivität die Abklingzeit und damit die Messzeit zu. An dieser Stelle setzt das Projektvorhaben zur Klärung offener wissenschaftlicher Fragen an, um zu ergründen, ob und wie der Zielkonflikt zwischen beiden Kenngrößen abgeschwächt oder sogar aufgelöst werden kann. Das Forschungsvorhaben hat zum Ziel, Mechanismen und Konzepte der nichtlinearen Schwingungen auf resonante MEMS-Sensoren anzuwenden und diese zu untersuchen. Damit sollen neue Betriebsmodi entwickelt werden, welche sowohl die Sensitivität steigern als auch die Abklingzeiten verkürzen. Der hier vorgeschlagene Weg soll parametrische Resonanzen in Verbindung mit verschiedenen form- und einstellbaren Nichtlinearitäten nutzen, da die Parameteranregung bereits die Sensitivität im Vergleich zur erzwungenen Anregung verbessert. Als Anwendungsbeispiel werden im Antrag resonante MEMS-Sensoren für die dynamische Rasterkraftmikroskopie herangezogen. Die MEMS-Sensoren sind zuerst experimentell zu charakterisieren und danach als Balkenmodell mit integriertem elektro-thermomechanischem Verhalten abzubilden. Nach der modalen Diskretisierung erfolgt der Abgleich von Modellsimulationen mit experimentellen Ergebnissen. Im Hauptteil des Vorhabens dienen Methoden und Verfahren für nichtlineare dynamische Systeme dazu, verschiedene parametrische Resonanzen und Nichtlinearitäten hinsichtlich der Zielstellung zu untersuchen, sowohl für lokale und globale Parameterbereiche als auch für stationäre und transiente Analysen. Die Betrachtungen umfassen Zeitsimulationen, Stabilitätsanalysen, Floquet-Analysen, Pfadverfolgungen und die Analyse von Einzugsgebieten. Die potenziell am besten geeigneten Nichtlinearitäten werden in einem Experimentalaufbau implementiert und einer Gesamtsystemanalyse unterzogen. Die Idee der freien Formbarkeit und Einstellbarkeit von Nichtlinearitäten wird durch eine Rückkopplung zwischen Sensor und Aktor der MEMS-Sensoren realisiert. Aufgrund der notwendigen hohen Rechengeschwindigkeit wird dies elektronisch über einen FPGA in einer Rückkopplungsschleife umgesetzt. Abschließend werden die erreichbaren Verbesserungen im Vergleich zum derzeit vorherrschenden erzwungenen Betriebsmodus vergleichend untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen