Verbundforschung Mikrosystemtechnik

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 micromechanical 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

Abschlußpräsentation

• Begrüßung
  • Herr Dr.rer.nat. Werner Kulcke (IBM Fellow 1983), HSG-IMIT, Villingen-Schwenningen
  • Herr Dr. Helmut Sturm, VDI/VDE-Informationstechnik GmbH, Berlin
  • Herr Prof. Dr.rer.nat. Stephanus Büttgenbach, Institut für Mikrotechnik, TU Braunschweig

• Finite-Elemente-Modellierung resonanter Sensoren
  • Herr Dipl.-Phys. Thomas Fabula, HSG-IMIT, Villingen-Schwenningen

• Silizium-Drucksensoren mit piezoelektrischem Antrieb
  • Herr Dr.rer.nat. Gottfried Flik, Robert Bosch GmbH, Stuttgart

• Resonante Quarz-Drucksenoren
  • Herr Dr.-Ing. Stefan Dagenbach, MotoMeter GmbH, Leonberg

• Silizium-Kraftsensoren mit piezoelektrischem Antrieb
  • Einfachbalken-Resonatoren
    • Herr Dr.rer.nat. Franz Lärmer, Robert Bosch GmbH, Stuttgart
  • Mehrfachbalken-Resonatoren
    • Herr Dipl.-Phys. Hans-Joachim Wagner, HSG-IMIT, Villingen-Schwenningen

• Thermisch angeregte resonante Silizium-Sensoren mit DMS
  • Herr Dr.rer.nat. Herbert Bartuch, GMS mbH, Sankt Georgen

• Anwendung frequenzanaloger Sensoren in der Wägetechnik
  • Herr Dr.rer.nat. Klaus Peter Selig, Bizerba GmbH, Balingen

• Transferleistungen für die Industrie
  • Herr Dr.rer.nat. Bertram Schmidt, HSG-IMIT, Villingen-Schwenningen

• Diskussion
  • Herr Dr. Helmut Sturm, VDI/VDE-Informationstechnik GmbH, Berlin

 

Testimonial

„Meine Anerkennung für die ausgezeichnete Arbeit und die erzielten Forschungsergebnisse im BMFT-Verbundprojekt Frequenz-analoge Sensoren,” Dr. Peter Egelhaaf, Forschungsleiter Robert Bosch GmbH, Gerlingen

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 Programm­systems ANSYS, gekoppelte Feld­be­rech­­nungen 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.

 

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.

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 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:

Abschlußbericht

• Gebundene Ausgabe: 222 Seiten
• Verlag: VDI (1994)
• ISBN-10: 389750006X
• ISBN-13: 978-3897500068

 

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