Zugl.: Bremen, University, Diss.

Zugl.: Saarbrücken, Univ., Diss., 2005

Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2007. / Zugl. ersch. im Shaker Verl. Aachen, ISBN 978-3-8322-6348-5, - Parallelt.: Control engineered analysis and synthesis of MEMS with the electrostatic principle.

The electrostatic actuation with its several advantages is the main principle for micro-electro-mechanical systems (MEMS). One major drawback is the nonlinear behavior, which results into instability, known as the electrostatic pull-in effect. This effect might also push a closed-loop configuration into instability and thus makes a linear time-invariant control inapplicable to the system. The paper investigates the stability of an acceleration sensor in closed-loop operation with this setting. A simplified controller adjustment gives a first insight into this topic. Practical implementations saturate on the quantizer's full-scale value, which is also considered in the stability analysis. Numerical phase-plane analysis verifies the stability and shows further surprising results.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Darmstadt.

Topic of the thesis is the production of unipolar digital circuits by means of mass-printing technologies. For this purpose accumulation-mode and depletion-mode field-effect transistors have been used. To realize depletion-mode field-effect transistors charges are injected and stored in the gate-dielectric. Consequently, the charge transport on the semiconductor-dielectric interface is influenced and the threshold voltage can be controlled. To inject charges into the dielectric different technologies have been used and will be discussed in terms of their process parameters. Finally, fully-printed digital circuits with enhanced performance are introduced. / Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die drucktechnische Herstellung von unipolaren digitalen Schaltungen durch eine Kombination von organischen Feldeekttransistoren vom Anreicherungs- und Verarmungstyp. Zur Realisierung von Transistoren vom Verarmungstyp werden Überschussladung in den Gate- Isolator eingebracht und gespeichert, wodurch der Ladungstransport im Transistorkanal insbesondere die Schwellspannung beeinflusst wird. Es werden verschiedene Aufladungstechnologien und deren Prozessparameter diskutiert. Abschließend werden vollständig mit Massendruckverfahren prozessierte, digitale Schaltungen mit verbesserter Signalübertragungscharakteristik vorgestellt.

Die vorliegende Arbeit gibt eine umfassende Beschreibung elektrostatisch erregter und kapazitiv detektierter MEMS am Beispiel eines Beschleunigungssensors. Ausgehend von einem Feder-Masse-Dämpfer System wird ein mathematisches Modell des Gesamtsystems für den Reglerentwurf aufgestellt. Neuartige Identifikationsmethoden linearer und nichtlinearer Art ermöglichen eine Identifizierung des mechanischen Modells aus dem elektrostatischen System. Dadurch entfällt der Einsatz kostenintensiver optischer Messtechnik, wobei gleichzeitig die elektrische Signalstrecke identifiziert wird, die zum Reglerentwurf nötig ist. Der Optimal-Reglerentwurf basiert auf dem bekannten Verfahren der H-unendlich und H-2 Minimierung, dessen allgemeine Struktur Gütekriterien wie robuste Stabilität gegenüber Modellunsicherheiten und geforderte Dynamiken zulässt. Aufgrund des nichtlinearen Verhaltens des Gesamtsystems ist die Stabilität nur im Arbeitspunktbereich des für den Reglerentwurf entwickelten Modells garantiert. Die Stabilität innerhalb eines größeren Bereiches wird durch Betrachtung einer geeigneten Energiefunktion und numerischer Berechnungen geprüft. Rauschquellen des Sensorsystems werden abgeschätzt und die Sensitivität des Gesamtsystems analysiert. Möglichkeiten zur Rauschminderung und Sensitivitätserhöhung werden gezeigt, und Entwurfskriterien geben Hinweise zum Entwurf eines Sensorsystems. Schwerpunkt der Arbeit ist die komplette regelungstechnische Analyse und Synthese eines elektrostatisch erregten und detektierten Beschleunigungssensors. Die Auswertung simulativer Ergebnisse und praktischer Messungen bestätigen die Theorie und demonstrieren die Leistung des Entwurfs. / This paper presents a detailed analysis of electrostatic actuated and capacitive detected MEMS. The micro-mechanical system to be analyzed is restricted to an acceleration sensor. A mathematical model is presented for the plant starting from a spring-mass-damping system. New identification methods of linear and nonlinear nature allow the identification of the underlying mechanical system out of the electrostatic one. This saves the use of optical measurement, which reduces the costs enormously. Besides, the methods identify the electrical signal way, which is used for the feedback control. The optimal controller is based on the known methods of H-infinity and H-2 minimization. The model structure also allows one to impose model uncertainties and demanded dynamics on the optimization. The stability is only guaranteed in a narrow band close to the working point because of the nonlinear behavior of the resulting system. Investigations for a wider displacement are done with a proper energy-like function and numerical analysis. Noise sources of the system are estimated and the sensitivity of the complete system is analyzed. Design criteria are given to rise the sensitivity. The focus of this paper is the complete analysis and synthesis of an electrostatic actuated and detected accelerometer. The results from simulations and practical tests confirm the developed theory and the power of the design.

The use of ferroelectric negative capacitance (NC) has been proposed as a promising way to reduce the power dissipation in nanoscale devices [1]. According to single-domain (SD) Landau theory, a hysteresis-free NC state in a ferroelectric might be stabilized in the presence of depolarization fields below a certain critical film thickness tF, SD. However, it is well-known that depolarization fields will cause the formation of domains in ferroelectrics to reduce the depolarization energy [2], which is rarely considered in the literature on NC [3]. The improvident use of SD Landau theory to model NC devices seems to be the main reason for the large discrepancy between experimental data and the current theory [4]. Here, we will show by simulation how anti-parallel domain formation can strongly limit the stability of the NC state in a metal-ferroelectric-insulator-metal (MFIM) structure, which is schematically shown in Fig. 1.

The electrostatic actuation with its several advantages is the main principle for micro-electro-mechanical systems (MEMS). One major drawback is the nonlinear behavior, which results into instability, known as the electrostatic pull-in effect. This effect might also push a closed-loop configuration into instability and thus makes a linear time-invariant control inapplicable to the system. The paper investigates the stability of an acceleration sensor in closed-loop operation with this setting. A simplified controller adjustment gives a first insight into this topic. Practical implementations saturate on the quantizer's full-scale value, which is also considered in the stability analysis. Numerical phase-plane analysis verifies the stability and shows further surprising results.

Die vorliegende Arbeit gibt eine umfassende Beschreibung elektrostatisch erregter und kapazitiv detektierter MEMS am Beispiel eines Beschleunigungssensors. Ausgehend von einem Feder-Masse-Dämpfer System wird ein mathematisches Modell des Gesamtsystems für den Reglerentwurf aufgestellt. Neuartige Identifikationsmethoden linearer und nichtlinearer Art ermöglichen eine Identifizierung des mechanischen Modells aus dem elektrostatischen System. Dadurch entfällt der Einsatz kostenintensiver optischer Messtechnik, wobei gleichzeitig die elektrische Signalstrecke identifiziert wird, die zum Reglerentwurf nötig ist. Der Optimal-Reglerentwurf basiert auf dem bekannten Verfahren der H-unendlich und H-2 Minimierung, dessen allgemeine Struktur Gütekriterien wie robuste Stabilität gegenüber Modellunsicherheiten und geforderte Dynamiken zulässt. Aufgrund des nichtlinearen Verhaltens des Gesamtsystems ist die Stabilität nur im Arbeitspunktbereich des für den Reglerentwurf entwickelten Modells garantiert. Die Stabilität innerhalb eines größeren Bereiches wird durch Betrachtung einer geeigneten Energiefunktion und numerischer Berechnungen geprüft. Rauschquellen des Sensorsystems werden abgeschätzt und die Sensitivität des Gesamtsystems analysiert. Möglichkeiten zur Rauschminderung und Sensitivitätserhöhung werden gezeigt, und Entwurfskriterien geben Hinweise zum Entwurf eines Sensorsystems. Schwerpunkt der Arbeit ist die komplette regelungstechnische Analyse und Synthese eines elektrostatisch erregten und detektierten Beschleunigungssensors. Die Auswertung simulativer Ergebnisse und praktischer Messungen bestätigen die Theorie und demonstrieren die Leistung des Entwurfs. / This paper presents a detailed analysis of electrostatic actuated and capacitive detected MEMS. The micro-mechanical system to be analyzed is restricted to an acceleration sensor. A mathematical model is presented for the plant starting from a spring-mass-damping system. New identification methods of linear and nonlinear nature allow the identification of the underlying mechanical system out of the electrostatic one. This saves the use of optical measurement, which reduces the costs enormously. Besides, the methods identify the electrical signal way, which is used for the feedback control. The optimal controller is based on the known methods of H-infinity and H-2 minimization. The model structure also allows one to impose model uncertainties and demanded dynamics on the optimization. The stability is only guaranteed in a narrow band close to the working point because of the nonlinear behavior of the resulting system. Investigations for a wider displacement are done with a proper energy-like function and numerical analysis. Noise sources of the system are estimated and the sensitivity of the complete system is analyzed. Design criteria are given to rise the sensitivity. The focus of this paper is the complete analysis and synthesis of an electrostatic actuated and detected accelerometer. The results from simulations and practical tests confirm the developed theory and the power of the design.