Einsatz der Mikromechanik
zur
Herstellung frequenzanaloger Sensoren
BIZERBA-Werke Wilhelm-Kraut GmbH & Co. KG, Balingen
4. Juli 1990
Dynamische FEM-Rechnungen
- Modalanalyse
- Kraft-Frequenz-Kennlinie
- resonante Anregung
Untersuchungen an Doppelstimmgabeln
- Strukturoptimierung (statisch, dynamisch)
- parametrisierte DETF (Double-Ended Tuning-Fork)
- Antwortspektrum infolge harmonischer Anregung
Alternative Sensorstrukturen
- ‘Single-Beam’ Strukturen
- ‘Multistring’-Anordnungen
Resonante Sensoren
Ein resonanter Sensor wird charakterisiert durch:
- mechanische Resonator-Eigenschaften
- Kopplung zwischen Meßgröße und Resonator
- Schwingungsanregung (Energie-Einkopplung)
- piezoelektrisch (elektromechanische Kopplung)
- elektrostatisch (Elektrodenform)
- thermisch (Verlustströme, Zeitkonstanten)
- Güte des Abfragesystems
- minimal nachweisbare Meßgrößen-Änderung (Frequenz-, Amplitudenauflösung)
- Schnelligkeit der Abfrage
- Störunempfindlichkeit (Modenkopplung, EMV)
Ergebnisse der FEM-Berechnungen
Design-Regeln
- Festlegen des Sensor-Arbeitspunktes durch geeignete Wahl der Länge l, Weite w, Dicke t
- resonante Struktur sollte entweder unter Zug- oder Druckspannung stehen
- Kraft-/Druckeinleitung muß senkrecht zur Schwingungsrichtung erfolgen
- statische Strukturoptimierung, zur Reduzierung intern auftretender Spannungen:
- strukturbegrenzende Winkel sollten größer gleich 90° sein
- Ecken durch Polygonzüge ‘entschärfen’
- dynamische Strukturoptimierung:
- Benutzung ‘antisymmetrischer’ Moden
- Erhöhung der Güte durch Entkopplung
- Vermeidung von Modenkopplung
- Unimodalität infolge Strukturparameterwahl
- einwandfreie Halterung des Resonators
- definierte, uniaxiale Krafteinleitung (Vermeidung von Schereffekten) zur gleichmäßigen Belastung der Stimmgabelstege
- gleichzeitige Erhöhung des Produktes aus Güte Q und Kraftempfindlichkeit:
- Verwendung niederfrequenter Moden
- Minimierung der äußeren Dämpfung (Evakuierung des schwingenden Bauteils)
- Unterdrückung höherer harmonischer durch geeignete Anregung (Elektrodenformen)
- Kompromiß zwischen Auflösung (Empfindlichkeit) und maximaler Belastung (Arbeitsbereich)
- Festlegung des maximalen Arbeitsbereiches durch Anforderungen an Überlast (Bruchsicherheit):
Bruchspannung Quarz : ca. 100 [N/mm²]
Bruchspannung Silizium : ca. 200 – 300 [N/mm²]
- Temperaturkompensation durch geeignete Wahl des Kristallschnitts (Quarz)
Zusammenfassung ‘Single-Beam’
Vorteile:
+ günstigere Patentlage (Quarz) als DETF
+ höchste Empfindlichkeit aller Geometrien
+ unproblematische Kraftbeaufschlagung
Nachteile:
– Schwingungsentkopplung problematisch, erfordert zusätzliche Isolationsstrukturen
– ‘spurious modes’ sind schwerer zu unterdrücken (Modenselektion)
– Bruchempfindlichkeit hoch (Verwendung von Verstärkungsstegen)
Zusammenfassung Doppelstimmgabeln
Vorteile:
+ hohe Güte bei antisymmetrischen Moden
+ höhere Kraftempfindlichkeit als bei ‘Multistring’-Anordnung
Nachteile:
– Patentlage (Quarz) fast aussichtslos
– Kraftbeaufschlagung kritisch, wegen der Gleichheit der Stimmgabelbelastung
Zusammenfassung ‘Multistring’
Vorteile:
+ günstig wegen Patentlage (Quarz)
+ hoher maximaler Arbeitsbereich
Nachteile:
– Kraftbeaufschlagung extrem kritisch (Gleichheit)
– erhöhte Gefahr von Modenkopplung durch komplexe Eigenformen
– niedrigere Empfindlichkeit
Ausblick
- Berechnung verschiedener Stegquerschnitte
- Piezoelektrische resonante Anregung
- Elektrodenformoptimierung
- thermische Anregung von Silizium-Strukturen
- Überlegungen zu neuartigen Sensorstrukturen
- Modellierung von Mehrschichtsystemen (Si-ZnO / SiO2, Si-Si3N4, Si-Cr/Ni)
- Modellierung temperaturabhängiger Effekte
- Variierung des Quarz-Kristallschnitts
- Optimierung der Überlasteigenschaften (Schock)
GitHub repositories
- github.com/ThomasFabula/piezoelectric_simulation
- github.com/ThomasFabula/Quartz-DETF
- github.com/ThomasFabula/ANSYS_MEMS
Weitere Informationen
BIZERBA-Werke Wilhelm-Kraut GmbH & Co. KG, Balingen
www.bizerba.com
Testimonial
Dr.-Ing. Klaus Peter Selig | Bizerba GmbH & Co. KG, Balingen