Damping of piezoelectric MEMS oscillators – fundamentals and applications

Abstract

A limiting parameter for the performance of micromechanical oscillators is the damping induced by the surrounding medium. In this work, the damping losses of micromechanical oscillators with piezoelectric actuation and detection are investigated in nine different gas atmospheres over a pressure range of six decades. In addition, the influence of the distance to a spatial boundary is examined, covering a range from narrow gaps with squeeze film damping to an almost freely oscillating structure. This reveals a superposition of four different damping mechanisms, which occur in varying strength depending on pressure, distance and eigenmode. Using an analytical approach, the individual damping phenomena can be separated from each other and subsequently evaluated in a targeted manner. Based on these results, new insights are gained for the molecular flow regime as well as the transitional flow regime, which include the impact of the number of active degrees of freedom of the gas molecules as well as thermal resonance effects. In addition, an electrical equivalent circuit was designed for the entire measurement range, which shows very good agreement with the experimental data. Finally, the damping effects are exploited for applications in sensor technology and a wide range pressure sensor using the nonlinear regime of the oscillators as well as a concept for the measurement of the oxygen concentration are presented.

Eine für die Leistungsfähigkeit mikromechanischer Oszillatoren limitierende Größe stellt die Dämpfung durch das umgebende Medium dar. In dieser Arbeit werden daher die Dämpfungsverluste mikromechanischer Oszillatoren mit piezoelektrischer Anregung und Detektion in neun verschiedenen Gasatmosphären über einen Druckbereich von sechs Dekaden untersucht. Zusätzlich wird der Einfluss des Abstandes zu einer räumlichen Begrenzung betrachtet und dabei ein Bereich von engen Spalten mit Squeeze Film Dämpfung bis hin zu fast frei schwingenden Strukturen untersucht. Dabei ergibt sich eine Überlagerung von vier verschiedenen Dämpfungsmechanismen, welche in Abhängigkeit von Druck, Abstand und Eigenmode in unterschiedlich starker Ausprägung auftreten. Durch einen analytischen Ansatz lassen sich die einzelnen Dämpfungsphänomene voneinander separieren und in der Folge gezielt auswerten. Anhand dieser Ergebnisse wurden für den molekularen sowie den Übergangsbereich neue Erkenntnisse gewonnen, welche die Anzahl aktiver Freiheitsgrade der Gasmoleküle sowie thermische Resonanzeffekte miteinbeziehen. Darüber hinaus wurde für den gesamten Messbereich ein elektrisches Ersatzschaltbild konzipiert, das eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten zeigt. Abschließend werden die Dämpfungseffekte für Anwendungen in der Sensorik erschlossen und ein Mehrbereichsdrucksensor mit Hilfe des nichtlinearen Bereichs der Oszillatoren sowie ein Konzept zur Messung des Sauerstoffgehaltes präsentiert.