Untersuchung der gasart- und spaltabhängigen Dämpfungseigenschaften mikromechanischer Resonatoren von der Molekular- bis zur Kontinuumsströmung

Abstract

Beim Konzept resonanter mikromechanischer Sensoren spielt die Dämpfung durch das umliegende Medium (Gas) eine wesentliche Rolle. Wichtige Einflussgrößen sind neben der Art des Gases und dessen Druck auch der Spaltabstand zwischen der schwingenden Struktur und einer gegenüberliegenden Fläche. In dieser Arbeit wurden daher mikromechanische Resonatoren unterschiedlicher Geometrie auf Basis kapazitiver und piezoelektrischer Prinzipien entwickelt und hinsichtlich ihres Resonanz- und Güteverhaltens untersucht. Es wurde das Verhalten sowohl von engspaltigen Squeeze-Film-dominierten als auch von weitgehend frei schwingenden Resonatoren über einen weiten Druckbereich (Hochvakuum bis Atmosphärendruck) für fünf verschiedene Gase untersucht. Dabei entwickelt sich, spalt- und gasartbedingt, ein hoch interessantes Zusammenspiel der unterschiedlichen Gasdämpfungseffekte im molekularen und viskosen Strömungsbereich sowie im Übergangsbereich. Dieses kann durch die Überlagerung der unterschiedlichen Dämpfungsmechanismen sehr gut quantitativ nachgebildet und verstanden werden. Neue Erkenntnisse ergaben sich bezüglich des Einflusses von Freiheitsgraden der Gase im molekularen Strömungsbereich sowie bezüglich eines thermisch-mechanischen Resonanzmodells, das den Übergangsbereich sehr gut abbilden kann. Auf Basis dieser Ergebnisse eröffnet sich die Möglichkeit, wichtige gasspezifische Parameter wie molekulare Masse, Viskosität, Wärmekapazität und Freiheitsgrade mit rein physikalischen Messungen zu ermitteln.

Fluid damping is a key factor in the concept of resonant micromechanical sensors. The most important parameters are the type of gas and the ambient gas pressure, but also the gap size between the vibrating structure and a counter facing surface. In this work, resonant micromechanical sensor structures with different geometries were developed and implemented, based on capacitive and piezoelectric principles of excitation. The damping behaviour of squeeze-film-dominated resonators as well as of nearly freely vibrating resonators was investigated for five different gases over a wide pressure range (high vacuum to atmospheric pressure). Depending on gas species and gap distance, a very interesting interplay of different gas damping effects in the molecular, viscous and transitional flow regimes was observed. This behaviour was modelled quantitatively by the superposition of different damping mechanisms in the different flow regimes. New knowledge was gained with respect to the influence of degrees of freedom in the molecular flow regime and with respect to a new thermo-mechanical resonance model in the transitional regime. Based on this insight it seems feasible to extract important gas-specific parameters, such as molecular mass, viscosity, heat capacity, and degrees of freedom from purely physical measurements.