Promotion Anhang
Experimenteller Aufbau
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden experimentelle Meßaufbauten zur meßtechnischen Charakterisierung des statischen und dynamischen Verhaltens mikromechanischer Strukturen konzipiert und aufgebaut. Um den Entwicklungsprozeß mikromechanisch gefertigter Mikroresonatoren im Rahmen des BMFT-Verbundprojektes auch meßtechnisch unterstützen zu können, mußten insbesondere neben den passiven Eigenschaften (Resonanzfrequenz, Amplituden, Schwingungsgüten) der Mikroresonatoren aus Silizium, die Sensoreffekte und die Störeinflüsse, wie temperatur- oder technologisch bedingte Verspannungen, die bei Multilayerstrukturen auftreten, untersucht werden. Die experimentellen Daten dienten hierbei einerseits dazu um Rückschlüsse auf technologische Prozeßschritte ziehen zu können, andererseits der Entwicklung geeigneter FE-Modelle und der meßtechnischen Verifikation der
numerischen Berechnungsergebnisse.
Meßplatz
In Abbildung A ist der gesamte experimentelle Meßaufbau zur Charakterisierung mikromechanischer Strukturen schematisch skizziert. Der gesamte Meßplatz ist modular aufgebaut und im Rahmen verschiedener Praktikums- und Diplomarbeiten den Meßaufgaben angepaßt und erweitert worden. Der Meßplatz besteht aus dem optischen Nachweisverfahren mittels eines Laservibrometers, der mechanischen Druck- bzw. hier nicht dargestellten Kraftbeaufschlagung, einem ansteuerbaren Temperaturtisch und einem PC-Meßwerterfassungssystem, das eine rechnergestützte Datenaufnahme und -speicherung über standardisierte (HP-IB-Schnittstellen IEEE488) ermöglicht {Mue92}.
Abbildung A: Meßplatz zur experimentellen Charakterisierung mikromechanischer Strukturen
Fremdanregung
Es mußten experimentelle Möglichkeiten geschaffen werden, die Mikrostrukturen ohne Dünnschichtsystem mit Hilfe von externen Energiequellen zum Schwingen anzuregen. Für den niederen Frequenzbereich bis etwa 20 kHz können kommerzielle elektromagnetische Schwingungserzeuger, wie beispielsweise der Miniatur-Schwingtisch von Brüel & Kjaer (Typ B&K-4809) verwendet werden. Mit Hilfe eines elektrischen Leistungsverstärkers (Typ B&K-2706) war es möglich bei Membranstrukturen auch relativ große dynamische Schwingungsamplituden von einigen Mikrometern zu erzeugen. Zur Anregung hochfrequenter Schwingungsmoden, insbesondere auch Resonatoren geringer Abmessungen (l = 2-3 mm), wurden Piezokeramiken (PZT) extern angebracht, um die Mikrostrukturen über Körperschall akustisch zum Schwingen anzuregen. Hierbei war zu beachten, daß sowohl die Art der Sensorhalterung, als auch das Schwingungsverhalten der Piezokeramik selbst das Modenspektrum der mikromechanischen Resonatoren stark beeinflussen können. Es wurden schwingungsfähige Balken- und Membranstrukturen untersucht, die sowohl im Gesamtwafer als auch einzeln eingespannt waren. Hierbei zeigte sich, daß Messungen auf dem Gesamtwafer ungeeignet sind mikromechanische Strukturen quantitativ zu charakterisieren, da Schwingungsanteile der Piezokeramik, benachbarter Resonatoren und niederfrequente Wafer-Resonanzen sich im Spektrum überlagern und über nichtlineare Effekte Modenkopplungen hervorrufen. Im Rahmen der durchgeführten Vorversuche wurde festgestellt, daß mit Hilfe von handelsüblichen PZT-Keramiken eine breitbandige akustische Anregung der Mikrostrukturen bis einige hundert Kilohertz gewährleistet ist. Auf diese Weise konnten Resonanzfrequenzen und Schwingungsamplituden, sowie Oberwellenspektren mikromechanischer Strukturen vermessen werden.
Diplomarbeiten
Im Rahmen einer Diplomarbeit {Bra92a} wurden die Auswirkungen der Anregung und der Resonatorhalterung auf das dynamische Verhalten von mikromechanischen Membranresonatoren weiter untersucht. Die Siliziumsensoren wurden einerseits direkt auf die Piezokeramik geklebt, so daß eine ideal starre Kopplung realisiert wurde und damit eine optimale Energieübertragung gegeben war. Diese Methode wies allerdings den Nachteil auf, daß die Siliziumsensoren anschließend nicht mehr zerstörungsfrei von der Keramik gelöst werden konnten. Durch Konstruktion einer universellen Einspannhalterung für Balkenresonatoren {Bra92b} konnten verschiedene Kraftsensoren vermessen und der Einfluß der Einspannbedingung auf die Schwingungsgüte und getestet werden. Allerdings war bei dieser Art der Resonatorfixierung darauf zu achten, daß die Massen- und Steifigkeitsverhältnisse der mechanischen Halterung und des Siliziumbalkens entsprechend groß gewählt sind, damit eine Überlagerung der Schwingungsmoden im Amplitudenspektrum nicht auftritt und eine genügend große Separation der Modenbeiträge erreicht wird.
Optisches Abtastsystem
Die Abtastung der Eigenfrequenzen und Schwingungsformen erfolgte interferometrisch mit einem kommerziellen Laservibrometer (POLYTEC OFV1102HR) unter Verwendung der Laser-Doppler-Technik {Pol91}. Das Laservibrometers besteht aus einem Mach-Zehnder-Interferometer und einer elektronischen Signalverarbeitung, wie in Abbildung A schematisch dargestellt. Mit diesem Gerät ist es möglich Biegeschwingungen aus der Strukturebene heraus zu detektiert und unter Ausnutzung des Dopplereffektes die Geschwindigkeitsschnelle v(t) oder interferometrisch die Schwingungsamplitude A(t) zu vermessen. Der Arbeitsfrequenzbereich des eingesetzten Laservibrometers erstreckt sich von 0,1 Hz bis maximal 1 MHz. Die Meßbereiche betragen bei der Vermessung von Geschwindigkeiten 10^{-6}-10 m/s bei einer Auflösung von 0,5 um/s und bei Amplituden 10^{-9} -10^{-2} m. Die Auflösung bei der Amplitudenmessung beträgt minimal 8 nm bedingt durch den Einsatz eines hochauflösenden Interferenzstreifenzählers. Eine genaue Funktionsbeschreibung des Laservibrometers und seiner Betriebsmodi ist in {Sel88} und {Lew90} zu finden.
Das Ausgangssignal der Signalverarbeitung des Laservibrometers wird wahlweise in ein Speicheroszilloskop oder in einen Spektrumanalysator (HP3588A) eingespeißt. Zur Ermittlung der Absolutamplituden wird das Zeitsignal A(t) auf dem Oszilloskop herangezogen, während das in den Frequenzbereich transformierte Signal A(Ω) direkt vom Spektrumanalysator ausgelesen und weiter verarbeitet werden kann. Hierzu wurde eine Meß- und Steuerprogramm (HPMESS.EXE}) unter Turbo-Pascal 6.0 geschrieben und ein Konvertier- (TRANS.EXE), sowie ein Batchprogramm (HPLO.BAT) zur Dokumentation der aufgenommenen Spektren erstellt {Mue92}.
Die Justierung der Mikrostrukturen unter dem Laserstrahl kann mit Hilfe einer xy-Schrittmotorsteuerung erfolgen. Desweiteren wird der LWL-Meßkopf mit Hilfe mechanischer Mikrometerschrauben. Zusätzlich besteht die Möglichkeit über mehrere Probernadeln die zu vermessenden Strukturen elektrisch zu kontaktieren {Sch93a}. Der Gesamtaufbau des optischen Meßplatzes erfolgte auf einem schwingungsgedämpften Tisch, um äußere Störeinflüsse, wie Lüftervibrationen, Trittgeräusche, usw. möglichst zu eliminieren.
Meßgrößeneinleitung
Zur Druckbeaufschlagung von Membranen ist ein spezieller Druckchuck konstruiert worden, der sowohl Überdrücke (bis etwa 5 bar) mit Hilfe einer N_2-Druckflasche, als auch Unterdrücke durch eine Vorvakuumpumpe (bis etwa 1 bar) ermöglicht. Die Druckmessung erfolgt mit einem kommerziellen Digitaldruckmanometer (RUSKA, Serie 6200) mit einer Auflösung besser als 1 mbar. Der Druckchuck ist aus Messing gefertigt, um eine hohe Wärmekapazität aufzuweisen und bei thermischen Messungen eine zeitliches Driften möglichst zu vermeiden.
Unter dem Druckchuck befindet sich ein heizbarer Temperaturtisch, der in einem Temperaturbereich von 0-150 C extern geregelt werden kann. Die Halterungen für die Drucksensor-Membranen (DUT = Device-Under-Test) wurden aus Aluminium, Messing und Edelstahl gefertigt, um auch unterschiedliche Temperaturausdehnung untersuchen zu können. Die Abdichtung der membranträger erfolgt mit Hilfe eines O-Rings aus Gummi.
Für die Kraftbeaufschlagung von Siliziumstrukturen stand neben der im Rahmen der Diplomarbeit von Müller erstellten Konstruktion {Mue92} zum Abschluß des BMFT-Verbundprojektes ein kommerzieller Kraftmeßstand der Fa. MICOS zur Verfügung. Dieser ist mit einer Präzisionsreferenzkraftmeßdose (Typ Q11, Fa. Hottinger Baldwin Meßtechnik) ausgestattet und ermöglichte durch eine Motorsteuerung die automatisierte Aufnahme von Frequenz-Kraft-Kennlinien {Wag94}.
Experimentellen Charakterisierung
Messung zur experimentellen Charakterisierung mikromechanischer Strukturen (hier Si-Membran)
GitHub Repositories
Retrospective