Profilometrie, Modalanalyse und Q-Faktor-Messung an PiezoMUMPS

Diese Arbeit stellt ein cantileverbasiertes piezoelektrisches MEMS-Resonatorarray vor, das mit dem PiezoMUMPs-Prozess entwickelt wurde und der passiven Frequenzzerlegung von Ultraschall-Schallemissionssignalen (AE-Signalen) im Bereich von 90–250 kHz dient. Das Array, bestehend aus 16 Silizium-Cantilevern mit unterschiedlichen Längen, zielt darauf ab, eine energiesparende sensorinterne Frequenzanalyse für AE-basierte zerstörungsfreie Prüfungen bereitzustellen. Experimentelle Ergebnisse zeigen hohe Gütefaktoren (Q = 350–900), Leerlauf-Spannungsempfindlichkeiten von 0,1–0,3 mV/Pa und Ladungsempfindlichkeiten von 7–25 fC/Pa und stützen damit die Machbarkeit einer integrierten MEMS-Frontend-Filterung zur Charakterisierung von AE-Quellen.

Rolle des PICOSCALE Vibrometers

1. Statische Profilometrie:
   • Das PICOSCALE Vibrometer wurde verwendet, um die Krümmung stationärer Cantilever zu messen.
   • Eine statische Aufwärtsauslenkung von ~300 nm wurde bei 300 µm langen Balken detektiert, zurückgeführt auf verbleibende Druckspannung im Dünnschichtstapel aus AlN/Al-Elektroden.
2. Bildgebung der modalen Antwort:
   • Das PICOSCALE System ermöglichte eine hochauflösende Modalanalyse der Cantilever-Resonanzen.
   • Es bestätigte Kopplungseffekte zwischen benachbarten Elementen aufgrund lateraler Aufweitung während des DRIE-Ätzens, sichtbar als überlappende modale Formen in benachbarten Balken (siehe Abb. 3c, Seite 3).
3. Frequenzdurchstimmte Auslenkungsmessungen:
   • Ein kalibrierter breitbandiger Shaker-Tisch, der ebenfalls über das PICOSCALE System angesteuert wurde, wurde verwendet, um den MEMS-Chip mit einem kontrollierten sinusförmigen Sweep anzuregen.
   • Auslenkungsamplituden wurden an jeder Cantileverspitze aufgezeichnet und zeigten ausgeprägte Resonanzspitzen über die ausgelegte Frequenzskala (90–250 kHz) hinweg für einzelne Array-Elemente (siehe Abb. 3d, Seite 3).
   • Diese Messungen validierten die ausgelegte Eigenfrequenzverteilung und zeigten leichte Abweichungen (bis zu ~22 kHz) von den FEM-Vorhersagen, zurückgeführt auf fertigungsbedingte Variationen.
4. Bewertung der Q-Faktoren:
   • Die mechanischen Q-Faktoren wurden aus den -3 dB-Bandbreiten der Resonanzspitzen extrahiert und lagen in Luft zwischen 350 und 900, was die Eignung der Resonatoren für die schmalbandige Frequenzauswahl hervorhebt.

Fazit

Diese Ergebnisse demonstrieren die Wirksamkeit des PICOSCALE Vibrometers bei der präzisen Charakterisierung des MEMS-Resonatorverhaltens und validieren das Design für die passive Ultraschall-Frequenzzerlegung. Die gewonnenen Erkenntnisse unterstützen die zukünftige Integration solcher MEMS-Arrays in energiesparende AE-Sensorsysteme.

Danksagung

Wir danken Dinko Oletić und seinem Team an der Universität Zagreb für ihre wertvolle Zusammenarbeit und dafür, dass sie Zugang zu ihrer Arbeit und ihren experimentellen Daten bereitgestellt haben.

Download-Link

Entwurf cantileverbasierter Resonatorarrays in PiezoMUMPs-Technologie für die sensorinterne Ultraschall-Frequenzzerlegung von Schallemissionen | IEEE Conference Publication | IEEE Xplore