Einsatz der Mikromechanik
zur Herstellung frequenzanaloger Sensoren
Villingen-Schwenningen
31. März 1993
Final report
Application of micromechanics for the manufacturing of frequency-analogous sensors
Abstract
“The most important types of micromechanical resonance sensors are bulk acoustic wave sensors, surface acoustic wave sensors and flexural plate wave sensors. In this report technologies for the preparation of micro-mechanical piezoelectrically or elecrothermally driven eigen resonance sensors on the basis of quartz and silicon are described. The project report is divided into the following topics: Technologies for miniaturized resonance made of quartz and silicon (microstructuring by etching, piezoelectrical layers on silicon, resistance layers on silicon for heating elements and expension strips), modelling of resonant sensors using the finite element method, preparation of micromechanical resonators and characterization of their applicability as frequency-analogous sensors for power, pressure and mass flow.”
- Förderung des Verbundprojektes durch das BMFT (heute: BMBF), Projektlaufzeit 1989-1992
- Förderkennzeichen: BMFT 13AS161A; 13AS0118; 13AS0117; 13AS0116; 13AS0115; 13AS0114
- Referenz: Einsatz_der_Mikromechanik_zur_Herstellung_frequenzanaloger_Sensoren
Abschluß-Präsentation
- Begrüßung
- Dr.rer.nat. Werner Kulcke (IBM Fellow 1983), HSG-IMIT, Villingen-Schwenningen
- Dr. Helmut Sturm, VDI/VDE-Informationstechnik GmbH, Berlin
- Prof. Dr.rer.nat. Stephanus Büttgenbach, Institut für Mikrotechnik, TU Braunschweig
- Finite-Elemente-Modellierung resonanter Sensoren
- Dipl.-Phys. Thomas Fabula, HSG-IMIT, Villingen-Schwenningen
- Silizium-Drucksensoren mit piezoelektrischem Antrieb
- Dr.rer.nat. Gottfried Flik, Robert Bosch GmbH, Stuttgart
- Resonante Quarz-Drucksensoren
- Dr.-Ing. Stefan Dagenbach, MotoMeter GmbH, Leonberg
- Silizium-Kraftsensoren mit piezoelektrischem Antrieb
- Einfachbalken-Resonatoren
- Dr.rer.nat. Franz Lärmer, Robert Bosch GmbH, Stuttgart
- Mehrfachbalken-Resonatoren
- Dipl.-Phys. Hans-Joachim Wagner, HSG-IMIT, Villingen-Schwenningen
- Einfachbalken-Resonatoren
- Thermisch angeregte resonante Silizium-Sensoren mit DMS
- Dr.rer.nat. Herbert Bartuch, GMS mbH, Sankt Georgen
- Anwendung frequenzanaloger Sensoren in der Wägetechnik
- Dr.-Ing. Klaus Peter Selig, Bizerba GmbH, Balingen
- Transferleistungen für die Industrie
- Dr.rer.nat. Bertram Schmidt, HSG-IMIT, Villingen-Schwenningen
- Diskussion
- Dr. Helmut Sturm, VDI/VDE-Informationstechnik GmbH, Berlin
Testimonial
“My appreciation for the excellent work and the research results achieved in the BMFT joint project Frequency Analog Sensors,” ~ Dr. Peter Egelhaaf, Forschungsleiter Robert Bosch GmbH, Gerlingen
Sensor Layout 
Finite-Elemente-Modellierung resonanter Sensoren
Die Anforderungen beim Entwurf von resonanten Sensoren, sich überlagernde nichtlineare Effekte, anisotrope Materialeigenschaften und die piezoelektrische Wechselwirkungen bei Mehrschichtsystemen zu berücksichtigen, bedingen den Einsatz rechnergestützter, numerischer Berechnungsmethoden.
Eine Optimierung mikromechanischer Resonatoren kann nur unter gleichzeitiger Betrachtung der statischen und dynamischen Eigenschaften unter Einschluß des physikalischen Anregungsprinzips erreicht werden. Die durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, daß die Methode der Finiten Elemente geeignet ist, das Verhalten mikromechanischer Sensoren zu beschreiben. Bei der Berechnung der Resonanzfrequenzen und Schwingungsmoden und der lastabhängigen Resonanzfrequenzänderung konnte eine gute Übereinstimmung mit den Meßergebnissen erzielt werden.
Die Möglichkeiten des Programm-Systems ANSYS, gekoppelte Feldberechnungen (Multiphysics) durchzuführen, erlauben eine Modellierung des Verhaltens piezoelektrisch angetriebener Sensoren. Damit ließen sich bereits in der Entwurfsphase wichtige Vorgaben, wie z.B. die günstigste Elektrodenanordnung und das optimale Schichtdickenverhältnis, für die nachfolgenden technologischen Prozeßschritte ableiten. Eine Stärke der FE-Methode ist es, komplexe Geometrien unter vielfältigen Randbedingungen modellieren, Parameterstudien durchführen und Geometrie- und Materialeinflüsse separat betrachten zu können.
Use of micromechanics for the fabrication of frequency-analog sensors
Finite element modeling of resonant sensors
The requirements for the design of resonant sensors, superimposed nonlinear effects, anisotropic material properties and piezoelectric interactions in multilayer systems require the use of computer-aided numerical calculation methods, i.e. finite element method.
An optimization of micromechanical resonators can only be achieved by simultaneous consideration of the static and dynamic properties including the physical excitation principle. The investigations carried out have shown that the finite element method is suitable for describing the behaviour of micromechanical sensors. When calculating the resonance frequencies and oscillation modes and the load-dependent resonance frequency change, a good agreement with the measurement results could be achieved.
The possibilities of the program system ANSYS to perform coupled field calculations (multiphysics) allow a modelling of the behaviour of piezoelectrically driven sensors. Thus, already in the design phase, important specifications, such as the most favorable electrode arrangement and the optimal layer thickness ratio, could be derived for the subsequent technological process steps. One strength of the FE method is the ability to model complex geometries under various boundary conditions, to carry out parameter studies and to consider geometry and material influences separately.
Zeitungsartikel
Badische Zeitung vom 02.04.1993:
Abschluß-Bericht
- Gebundene Ausgabe: 222 Seiten
- Verlag: VDI (1994)
- ISBN-10: 389750006X
- ISBN-13: 978-3897500068
Berichte der Verbundpartner
Transferleistungen
Die aus dem BMFT-Forschungsprojekt resultierenden individuell angebotenen Transferleistungen sind den Berichten der Projektpartner zu entnehmen (siehe obige LINK-Sammlung).
GitHub repositories
- github.com/ThomasFabula/Modeling-of-Resonant-Silicon-Microsensors
- github.com/ThomasFabula/ANSYS_MEMS
- github.com/ThomasFabula/BMFT_FASENS
Project-Flyer
Flyer BMFT “Verbundforschung Frequenzanaloge Sensoren”