Bitte benutzen Sie diese Referenz, um auf diese Ressource zu verweisen: doi:10.22028/D291-23037
Titel: Dynamics of oscillating piezoelectric micro resonators : hydrodynamic loading effect and intrinsic damping
Sonstige Titel: Dynamik schwingender piezoelektrischer Mikroresonantoren : hydrodynamische Verlustmechanismen und intrinsische Dämpfung
Verfasser: Qiu, Huacheng
Sprache: Englisch
Erscheinungsjahr: 2014
SWD-Schlagwörter: Resonator
Dämpfung
Eigenschaft
Piezoelektrizität
Freie Schlagwörter: Mikroresonantoren
piezoelektrische Materie
hydrodynamische Verlustmechanismen
intrinsische Dämpfung
micro resonators
piezoelectric
hydrodynamic loading
intrinsic damping
DDC-Sachgruppe: 530 Physik
Dokumentart : Dissertation
Kurzfassung: Micro resonators are important components in many micro electro mechanical system (MEMS) applications. The quality factor is a key parameter for MEMS resonators and is determined by the system damping of the devices. Aluminum nitride (AlN) based piezoelectric Si micro resonators with different geometries are fabricated and measured with an all-electrical excitation and detection method, to study the energy dissipation mechanisms. The dynamic behavior of these resonators is analyzed in gases as well as in high vacuum by developing and applying specific experimental, computational and analytical tools. We investigate the hydrodynamic loading in detail by exploring how factors, such as ambient pressure, the nature of the surrounding gas, the resonator geometry, higher mode operation and the presence of a nearby surface, effect the resonance behaviour of micro resonators. The resonator fluid interaction can be broadly divided into: i) resonators vibrating in an unbounded fluid, and ii) resonators vibrating close to a surface. For the first case, we systematically investigate the performance in different resonant modes. Incompressible flow is expected for the first few resonant modes. However, as the resonant mode number increases, the acoustic wavelength reduces and the energy loss is found to be diluted through mixing of viscous and acoustic effects. For the second case, most prior efforts to investigate this hydrodynamic loading have focused on squeeze film damping with very narrow gaps. In this research we investigate the case that a resonator vibrates close to a surface with a moderate distance. When a resonator is operated in high vacuum, intrinsic damping inside the solid materials dominates the quality factor. We focus on the three major intrinsic damping effects, which are thermoelastic damping (TED), anchor losses and coating losses. TED and anchor losses are investigated by using a combination of both analytical and numerical methods, while the coating loss mechanism is explored by measuring a series of cantilevers with a piezo-electrode stack coverage varying from 20%-100% of the beam length. Experimental validations are conducted on different structures of piezoelectric micro resonators, showing that the analysis yields qualitative matches with measurements and the contributions of the three mechanisms can be separated to a reasonable extent.
Mikroresonatoren sind wichtige Komponenten in vielen Anwendungen der Mikrosystemtechnik. Der Gütefaktor ist ein Schlüsselparameter für MEMS-Resonatoren und wird durch die Systemdämpfung der Bauelemente bestimmt. Um die Mechanismen des Energieverlusts zu untersuchen, wurden piezoelektrische Si-Mikroresonatoren auf Basis von Aluminiumnitrid (AlN) mit unterschiedlichen Designs hergestellt und mit einem elektrischen Anregungs- und Detektionsverfahren charakterisiert. Experimentelle, theoretische und analytische Werkzeuge wurden entwickelt, um die Dynamik von piezoelektrischen Mikroresonatoren in Gasen sowie im Hochvakuum zu analysieren. Die hydrodynamischen Energieverluste wurden in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren, wie dem Umgebungsdruck, der Gasart, der Resonatorgeometrie, der Mode und dem Vorhandensein von nahegelegenen Oberflächen untersucht. Die Wechselwirkung zwischen Resonator und Fluid kann in zwei verschiedene Gruppen aufgeteilt werden. Zum einen das Schwingen von Resonatoren in einem unbegrenzten Fluid, zum anderem das Schwingen der Resonatoren in der Nähe einer benachbarten Oberfläche. Für den ersten Fall wurde das Verhalten in verschiedenen Resonanzmoden untersucht, wobei eine inkompressible Strömung für die niedrigeren Moden erwartet wird. Für höhere Moden reduziert sich jedoch die Schallwellenlänge und der Energieverlust kann durch ein Mischen von viskosen und akustischen Effekten beschrieben werden. Bezogen auf den zweiten Fall haben sich fast alle bisherigen Arbeiten auf die Squeeze-Film-Dämpfung in einem sehr engen Spalt fokussiert. Unsere Untersuchung konzentriert sich auf die Dämpfungseigenschaften von Resonatoren in der Nähe einer Oberfläche mit einem moderaten Spaltabstand. Wenn ein Resonator im Hochvakuum schwingt, dominiert die intrinsische Dämpfung im Festkörpermaterial den Gütefaktor. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die drei Hauptbeiträge zur intrinsischen Dämpfung, nämlich auf die thermoelastische Dämpfung (TED), den Ankerverlust und den Beschichtungsverlust. TED und Ankerverluste wurden durch die Verwendung einer Kombination von analytischen und numerischen Methoden untersucht. Der Verlustmechanismus durch Beschichtung mit dem AlN-Piezo-Stack wurde durch durch eine experimentelle Reihe von Resonatoren mit zwanzig- bis hundertprozentiger Schichtabdeckung bezogen auf die Resonatorlänge charakterisiert. Experimentelle Validierungen zeigen eine qualitative Übereinstimmung mit den simulierten bzw. analytischen Ergebnissen. Ferner können die Dämpfungsbeiträge der drei Mechanismen in nachvollziehbarer Weise qualitativ voneinander getrennt werden.
Link zu diesem Datensatz: urn:nbn:de:bsz:291-scidok-60365
hdl:20.500.11880/23093
http://dx.doi.org/10.22028/D291-23037
Erstgutachter: Seidel, Helmut
Tag der mündlichen Prüfung: 12-Mär-2015
SciDok-Publikation: 18-Mär-2015
Fakultät: Fakultät 7 - Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät II
Fachrichtung: NT - Systems Engineering
Ehemalige Fachrichtung: bis SS 2016: Fachrichtung 7.4 - Mechatronik
Fakultät / Institution:NT - Naturwissenschaftlich- Technische Fakultät

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