Studentische Arbeiten

Quarz-Stimmgabeln (QTF) wurden ursprünglich als Quarzkristall-Oszillatoren in elektronischen Uhren entwickelt, sind aber inzwischen in einer Vielzahl von Anwendungen als Sensorelemente eingesetzt worden. Sie wurden als Kraftsensor in der Raster-Sonden-Mikroskopie eingesetzt, um die Wechselwirkungskräfte zwischen der Sonde und der Probenoberfläche zu messen, in der Gas Sensorik wie der quarzverstärkten photoakustischen Spektroskopie als akustischer Resonanzwandler zum Nachweis verschiedener Gasspezies und in der Flüssigkeitssensorik zur Messung der dynamischen Eigenschaften von Flüssigkeiten. Ihre signifikanten Eigenschaften machen sie zu vielversprechenden Kandidaten als Kraftsensorelement, wie z.B. hohe Empfindlichkeit, hoher Q-Faktor und Resonanzfrequenz, Selbstabtastung und Betätigung aufgrund ihrer Piezoelektrizität, Stabilität und Vielseitigkeit. Aufgrund ihrer hohen Steifigkeit (k=103-104 Nm-1) können sie beispielsweise kleine Schwingungsamplituden und kleine Entfernungen abtasten, ohne dass die Spitze in Kontakt springt, oder aufgrund ihres hohen Q-Faktors (>10.000) können sie kleine Frequenzverschiebungen erkennen. Diese bedeutenden Eigenschaften ergeben sich aus ihrer symmetrischen und ausgewogenen Geometrie. Um als Kraftsensor verwendet zu werden, muss eine scharfe Spitze an der Spitze eines der Zinken des QTF angebracht werden. Das Spitzenmaterial muss mit leitfähigem Epoxidharz befestigt werden, um den elektrischen Kontakt zwischen der Spitze und der Elektrodenstruktur auf dem QTF herzustellen. Das zusätzliche Gewicht des Klebers und des Spitzenmaterials, das durch das Verfahren zur Befestigung der Spitze verursacht wird, stört die ausgewogene Geometrie des QTF. Dies beeinträchtigt die Leistung des QTF, indem es den Q-Faktor und die Resonanzfrequenz senkt. Es ist von entscheidender Bedeutung, sein dynamisches Verhalten zu verstehen und die verschiedenen Spitzenkonfigurationen zu charakterisieren, um die ideale Spitzenkonfiguration für die beabsichtigte Anwendung zu entwickeln und auszuwählen. Ziel dieser Studie ist es, verschiedene QTF-Spitzendesigns herzustellen und sie mit Hilfe verschiedener Techniken zu charakterisieren, darunter elektrische Anregung, Laser-Doppler-Vibrometer und numerische Simulationen. Quarz-Stimmgabel-Sonden wurden durch Anbringen verschiedener Spitzenmaterialien hergestellt, um verschiedene Spitzenkonfigurationen zu charakterisieren. Als Spitzenmaterialien wurden Wolframdraht, Platin-Iridium-Draht und Diamantpartikel verwendet, und die Befestigung erfolgte mit Silberepoxid oder Silberlackkleber. Nach der Befestigung der Spitzen wurden diese mittels REM-Bildgebung charakterisiert und die Resonanzfrequenzen gemessen. Für eine genaue Charakterisierung sind die Position und die Menge des Spitzenmaterials und des Klebstoffs entscheidend, und der Prozess der Spitzenbefestigung muss optimiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Resonanzfrequenz und der Qualitätsfaktor von QTF mit der Entfernung der evakuierten Metallkappe sinken. Auf die gleiche Weise wird die Resonanzfrequenz durch das Hinzufügen von Spitzenmaterial und Epoxidkleber gesenkt. Dies lässt sich durch die unausgewogene Geometrie des QTF erklären, die durch die zusätzliche Masse des Spitzenmaterials entsteht. Das dynamische Verhalten verschiedener Spitzenkonfigurationen wurde ebenfalls entwickelt und mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen untersucht. Die Eigenfrequenzanalyse und die Frequenzbereichsanalyse wurden verwendet, um die Schwingungsmoden und das Frequenzverhalten von QTFs zu simulieren. Während der Simulationen wurden verschiedene Parameter untersucht, darunter die Menge und Position des Epoxidklebers, das Spitzenmaterial (Wolfram und Platin-Iridium), die Geometrie des Spitzenmaterials (z.B. die Länge) und ihre Auswirkungen auf die dynamischen Eigenschaften der QTF. Wie die Simulationen zeigen, nimmt die Resonanzfrequenz mit der Zugabe von Klebstoff und Spitzenmaterial ab, was mit experimentellen Beobachtungen übereinstimmt. Es wurde festgestellt, dass auch die Position des Klebstoffs und die Länge des Materials die QTF-Dynamik beeinflussen. Auf der Grundlage dieser Charakterisierungsergebnisse sollen geeignete QTF-Sonden für den Einsatz in der Feldemissionslithographie hergestellt und eingesetzt werden. Stichworte: Quarz-Stimmgabel, Rasterkraftmikroskopie, Rastersonde

In einer MEMS-basierenden Wägezelle mit flexiblen Gelenken und Balken kann für eine Kraftkompensationswaage verwendet werden. Die Auflösung der Wägezelle hängt linear mit der Steifigkeit der Wägezelle zusammen, somit kann die Auflösung erhöht werden, indem die Steifigkeit reduziert wird. Das Funktionsprinzip eines elektromagnetischen kraftkompensierten Makrosystems (EMFC) bietet einen monolithischen, nachgiebigen Mechanismus zur Steifigkeitskompensation, der die Präzision und Genauigkeit erhöht. Daher kann ein solches Arbeitsprinzip auch bei der Herstellung eines Mikrosystems von Bedeutung sein, um neben der Steifigkeitskompensation auch die Genauigkeit und Präzision zu erreichen. Ziel der Arbeit ist es, das Funktionsprinzip von EMFC-Makrosystemen in einem Mikrosystem zur Steifigkeitskompensation zu übertragen. Für den mikroskopischen Bereich gibt es bestehende Mechanismen wie T-förmige Biegezapfen oder TIVOT- oder Variable Static Aktor (VSA)-basierte Mikrosysteme, die sich für eine Steifigkeitskompensation im System eignen. Die Mängel solcher bestehenden Systeme bestehen darin, dass sie nicht in der Lage sind, eine Steifigkeit nahezu Null zu erreichen. Das monolithische Prinzip der Steifigkeitskompensation eines EMFC-Mikrosystems scheint jedoch am vielversprechendsten zu sein, da die Steifigkeit nahezu null erreichen werden kann. Einschließlich der Feineinstellung im Mechanismus kann die Steifigkeit nahezu Null erreichen, was das System zu einem neuartigen Design macht. Die Steifigkeit variiert in einer Skala, die dem 1,2- bis 0,8-fachen der Steifigkeit der reinen Wägezelle (28 N/m) entspricht. Bei einer weiteren parametrischen Analyse (l1, l2, l3) nach der Entwurfssimulation des Systems anhand der Steifigkeit des Systems wurde festgestellt, dass der Parameter l1 eine wichtige Rolle bei der Steifigkeitskompensation spielt, da er beim Mindestwert von nahezu die ideale Steifigkeit erreicht 50 mm. Darüber hinaus sorgt die Einführung eines elektrostatischen Aktuators für eine Kraft von 1,6E-06 N, was viel größer ist als die Balkensteifigkeit von etwa 5,4E-14 N/m. Dadurch kann der Aktor das System aus der ursprünglichen Position zurückziehen und das Gleichgewicht herstellen. Schlüsselwörter: MEMS, EMFC, Steifigkeitskompensation, Balance, TIVOT, VSA, Balkenlänge, Feinjustage, elektrostatischer Aktor.

Ziel dieser Arbeit ist es, die pH-Sensitivität von Hämatit in Bezug auf die zugehörigen Ramanspektren zu diskutieren. So könnte zukünftig eine neue Methode der optischen pH-Wert Messung entstehen. Dafür wird mittels Ramanspektroskopie innerhalb der Ramanspektren nach Veränderungen gesucht, welche durch eine pH-Wert Änderung induziert werden. Zuerst wurden vollflächige Hämatitproben in pH-Pufferlösungen vermessen, um zu bestimmen, ob eine pH-Sensitivität vorliegt. Im Anschluss daran wurden zwei strukturierte Hämatitsonden hinsichtlich ihrer Raman-Aktivität sowie verwendbarer Strukturgrößen charakterisiert. Die vollflächigen Hämatitproben wurden in einem pH-Bereich von pH 5 bis pH 8 anhand ihrer Spektren untersucht. Dabei konnten keine relativen Intensitätsänderungen, die einen Rückschluss auf eine pH-Sensitivität zulassen, gefunden werden. Auch die Entstehung neuer Intensitätsmaxima innerhalb des Spektrums, die eine Verbindung zu den verwendeten pH-Werten aufweisen, konnte nicht festgestellt werden. Aus diesem Grund wurden die vollflächigen Hämatitproben als nicht pH-sensitiv eingestuft. Darauf hin wurden die strukturierten Hämatitsonden spektroskopiert, um die Signalintensität verschiedener Strukurgrößen zu charakterisieren. Diese Untersuchung ergab, dass eine ähnliche Ramanaktivität wie bei den vollflächigen Proben vorliegt, welche jedoch von den gemessenen Strukturgrößen abhängig ist. Abschließend lässt sich keine pH-Sensitivität der Hämatitproben erkennen, was eine Nutzung dieses Materials für die Entwicklung zukünftiger Methoden zur optischen pH-Wert Messung unattraktiv macht.

Die Systemmodellierung ist der übliche erste Ansatz in jedem Produktentwicklungszyklus. Er beginnt mit der Auswahl des Konzepts und der Überprüfung des Konzepts durch Simulationen. Das eigentliche Produkt wird auf der Grundlage des Konzepts entworfen. Das Produkt, in diesem Fall der Sensor, wird dann anhand von Simulationen validiert. Theoretisch muss sich das Produkt genauso verhalten wie das Modell. Mit der zunehmenden Komplexität und Leistung von Sensoren werden jedoch selbst nach der Verifizierung und Validierung des Sensorsystemmodells anhand aller möglichen Anwendungsfälle und Eingaben einige Messergebnisse mit dem tatsächlichen Produkt fragwürdig. Der Grund dafür könnte eine unzureichende Systemvalidierung oder ein Mangel an Simulationsdaten sein, mit denen die Messungen verglichen werden können, oder der Sensor könnte problematisch sein. Außerdem sind die meisten Labormessungen teuer und zeitaufwändig, da sie wiederholt werden müssen. Die Handhabung der Sensoren ist mit zunehmender Miniaturisierung der Sensoren extrem mühsam. Darüber hinaus wird ein erheblicher Teil der Zeit für die Charakterisierung und Auswertung der Testergebnisse aufgewendet, um die Leistungsparameter des Sensors zu ermitteln. Daher ist es hilfreich, Informationen darüber zu haben, ob das Ergebnis eines Tests eine Analyse wert ist. Diese Arbeit befasst sich erstens mit der Validierung des Systemmodells und zweitens mit der Verbesserung der Arbeitsmethodik durch den Vergleich der Simulations- und Messdaten, die beide Zeitreihen sind. Es wird eine Einführung in die Modellierung von MEMS (mikroelektromechanische Struktur) und Sensorausleseschaltungen gegeben. Zunächst wurde das Modell des Sensorsystems untersucht und modifiziert, um verschiedene Rauschquellen zu berücksichtigen. Anschließend wurden die Änderungen anhand von Messungen validiert. Zweitens wurde ein MATLAB-Skript zum Vergleich von Messung und Simulation durch Merkmalsextraktion implementiert. Ein Vergleich konnte für verschiedene Leistungsparameter durchgeführt werden. Als Beispiel wurde für den Nachweis des Konzepts der Diplomarbeit das Rauschverhalten des Sensors gewählt. Das Validierungsergebnis zeigte, dass das Modell im Hinblick auf das Rauschen noch verbessert werden kann. Einige der aus beiden Daten extrahierten Merkmale wiesen Ähnlichkeiten auf.

Piezoelektrizität ist ein physikalisches Phänomen, das das elektrische und mechanische Verhalten bestimmter Materialien wie Quarz oder Langasit miteinander verbindet. Dieses Phänomen wird genutzt, um ein passives elektrisches Bauteil, einen so genannten Resonator, zu konstruieren, der bei elektrischer Anregung mit einer sehr genauen Frequenz schwingt. Diese Resonanzfrequenz wird für die Zeitmessung in elektronischen Geräten verwendet. Quarz ist dank seiner sehr guten piezoelektrischen Eigenschaften eines der am häufigsten verwendeten Materialien für die Herstellung von Resonatoren. Sein intrinsischer Qualitätsfaktor ist hoch, seine Empfindlichkeit gegenüber externen Parametern wie der Temperatur ist gering und er lässt sich leicht synthetisieren, was ihn für die Herstellung interessant macht.Die Konzeption eines hochfrequenten Quarzresonators, der sowohl leistungsfähig als auch von geringer Größe ist, stellt ein wichtiges Thema in der Mikroelektronik dar. Gegenwärtige MEMS-Oszillatoren (mikroelektromechanische Systeme) verwenden häufig Siliziumresonatoren, die leichter zu miniaturisieren, aber weniger leistungsfähig sind als Quarzresonatoren. Die Miniaturisierung von Quarzresonatoren würde es ermöglichen, die Leistung von MEMS-Oszillatoren zu verbessern und sie gleichzeitig zu verkleinern. Der Ausgangspunkt für die Konzeption unseres Quarz-MEMS-Resonators ist ein kreisförmiger Resonator mit einem Schermodus bei 100 MHz. Sein derzeitiges Volumen beträgt etwa 30 mm3 und soll durch etwa 10 geteilt werden. Eine Modellierung dieses Resonators wurde mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt, um sein Verhalten zu beschreiben. Gleichzeitig wurde eine Forschungsarbeit über den Herstellungsprozess durchgeführt, da die in der Entwurfsphase erreichten Dicken sehr gering sind. Da es unmöglich ist Standardwafer zu verwenden, wurden "hybride" Wafer eingesetzt. Schließlich konnte eine Charakterisierungsarbeit durchgeführt werden, die erste Ergebnisse zeigte, die Grundschwingung, aber auch die fünfte Harmonische konnten gemessen werden.