Volumenmikromechanische Inertialsensoren

Im Rahmen dieser Arbeit wurden volumenmikromechanische, kapazitive Inertialsensoren auf Siliziumbasis entwickelt. Ein neuartiger Beschleunigungssensor wurde zum Funktionsmuster entwickelt. Dieser Sensor basiert auf einer Schrägbalkentechnologie, die in [AND95] und [BUE00] beschrieben wird. Durch Nutzung derartiger schräger Balken lassen sich mit nur einem Sensorchip Beschleunigungen in allen drei Raumrichtungen messen. Im Rahmen der Herstellung des Beschleunigungssensors wurde eine neuartige Kompensationsstruktur für das anisotrope Ätzen von Silizium erstellt. Ferner wurde eine neuartige Passivierungsschicht entwickelt, die geeignet ist, das Festbonden bzw. Haften von beweglichen Siliziumstrukturen beim Fügen von Silizium- und Glassubstraten durch anodisches Bonden zu verhindern [BEI03]. Hierdurch kann der Sensor problemlos, zuverlässig und durch Batchfertigung in großen Stückzahlen hergestellt werden. Zur Charakterisierung des Beschleunigungssensors wurden Messungen seiner Teilkapazitäten im Beschleunigungsbereich von ±1g vorgenommen. Mit den Ergebnissen dieser Charakterisierung wurden drei unterschiedliche Auswertungsschaltungen entwickelt und auf ihre Eignung untersucht. Zwei dieser Schaltungen arbeiten nach dem Auslenkungsabtastprinzip (Open-Loop-Auswertung), bei dem die Auslenkung der seismischen Massen lediglich gemessen wird. Eine Schaltung arbeitet nach dem Kraftkompensationsprinzip (Closed-Loop-Auswertung), bei dem die seismischen Massen durch einen Regelkreis in der Mittellage gehalten werden, und bei dem die Stellgröße des Regelkreises als Ausgangsgröße der Schaltung dient. An diesen Schaltungen wurden statische Messungen der Ausgangsspannungen im Bereich von ±1g vorgenommen. Ferner wurde das dynamische Verhalten des Sensors durch Frequenzgangsmessungen charakterisiert. Der Sensor bietet ein großes Potential für die hochauflösende Messung von Beschleunigungen in Messbereichen bis zu mehreren g. Es wurden drei Konzepte für Drehratensensoren untersucht. Dabei handelte es sich um ein Gyroskop nach dem Vibrating-Ring-Prinzip, um ein Doppelstimmgabel-Gyroskop und ein Einmassenschwinger-Gyroskop. Es wurde untersucht, ob sich ein elektromagnetisch angeregtes und kapazitiv ausgewertetes Vibrating-Ring-Gyroskop auf Basis des Polymerwerkstoffs SU-8 mit den vorhandenen Mitteln herstellen lässt. Durch eine Simulation nach der Methode der Finiten Elemente wurde eine Struktur gefunden, mit der sich ein Vibrating-Ring-Gyroskop herstellten lässt, sobald eine Technologie zur Verfügung steht, mit der sich 2 mm dicke SU-8 Schichten zuverlässig strukturieren lassen. Da sich bisher nur Schichten von bis zu 400 μm zuverlässig bearbeiten ließen, musste von einer Fertigung dieses Gyroskops noch Abstand genommen werden. Es wurde ein Konzept für ein elektrostatisch angeregtes und kapazitiv ausgewertetes Doppelstimmgabel-Gyroskop erstellt, bei dem die Primärschwingung durch die Biegung von vier Balken erfolgt, während bei der Sekundärschwingung die Torsion einer Drehfeder auftritt. Die beiden Schwingungsmoden weisen ein Frequenzmatching von 99,6 % auf. Die Siliziumstruktur dieses Gyroskops ist so strukturiert, dass auch in der sekundären Schwingungsmode eine geringe Dämpfung auftritt. Berechnungen haben ergeben, dass sich die beim Auftreten einer Sekundärschwingung entstehenden Kapazitätsänderungen gut detektieren lassen. Es zeigte sich, dass sich die berechnete Struktur durch nasschemisches Ätzen nicht exakt herstellen lässt. Daher wurde von einer weiteren Untersuchung des Doppelstimmgabel-Gyroskops abgesehen. Es ist jedoch vorstellbar, die berechnete Struktur durch ein Trockenätzverfahren herzustellen, dass nicht, wie das anisotrope, nasschemische Ätzen auf bestimmte Kristallebenen als Ätzstopp angewiesen ist. Eine Siliziumstruktur für ein Einmassenschwinger-Gyroskop wurde mit Mitteln der Finiten- Element-Methode dimensioniert. Zur Herstellung dieser Struktur wurde eine spezielle Ätztechnik entwickelt, mit der sich rechteckige Balken herstellen lassen, die eine deutlich geringere Höhe als die Waferdicke aufweisen. Das Einmassenschwinger-Gyroskop wurde mikrotechnisch hergestellt. Hierfür wurden spezielle Kompensationsstruktur zum Schutz konvexer Ecken vor Ätzangriffen verwendet. Es wurde eine Auswertungsschaltung für dieses Gyroskop entwickelt, und der Sensor wurde messtechnisch charakterisiert. Aufgrund der einfachen Herstellung dieses Sensors verspricht er, eine kostengünstige Alternative zu bestehenden Drehratensensoren darstellen zu können, wenn die Dämpfung der Struktur durch hermetisches Versiegeln des Sensors unter verringertem Druck herabgesetzt wird

Low-cost, in-liquid measuring system using a novel compact oscillation circuit and quartz-crystal microbalances (QCMs) as a versatile biosensor platform

Quartz-crystal microbalances (QCMs) are commercially available mass sensors which mainly consist of a quartz resonator that oscillates at a characteristic frequency, which shifts when mass changes due to surface binding of molecules. In addition to mass changes, the viscosity of gases or liquids in contact with the sensor also shifts the resonance but also influences the quality factor (Q-factor). Typical biosensor applications demand operation in liquid environments leading to viscous damping strongly lowering Q-factors. For obtaining reliable measurements in liquid environments, excellent resonator control and signal processing are essential but standard resonator circuits like the Pierce and Colpitts oscillator fail to establish stable resonances. Here we present a lowcost, compact and robust oscillator circuit comprising of state-of-the-art commercially available surface-mount technology components which stimulates the QCMs oscillation, while it also establishes a control loop regulating the applied voltage. Thereby an increased energy dissipation by strong viscous damping in liquid solutions can be compensated and oscillations are stabilized. The presented circuit is suitable to be used in compact biosensor systems using custom-made miniaturized QCMs in microfluidic environments. As a proof of concept we used this circuit in combination with a customized microfabricated QCM in a microfluidic environment to measure the concentration of C-reactive protein (CRP) in buffer (PBS) down to concentrations as low as 5 μgmL -1