Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Chemnitz.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Chemnitz.

Die vorliegende Arbeit beschreibt einen neuartigen Ablauf zur Herstellung eines Vibrationssensors auf Waferebene. Die Besonderheit des Sensors liegt in der Reduktion des Spaltmaßes der kapazitiven Elektroden im Anschluss an die Strukturerzeugung. Dies gelingt unter Nutzung des Mikroschweißprozess von Siliziumelementen. Hierbei sieht die innovative Fertigungstechnologie eine Strukturhöhe von 100 μm vor. Zusätzlich wird die Erarbeitung einer Struktur für die Durchführung eines Mikrozugversuchs auf Waferebene beschrieben. Dieser dient der Bestimmung der maximal ertragbaren Zugkraft mikromechanischer Schweißverbindungen und ermöglicht die fertigungsbegleitende Prozesskontrolle. Auf Basis der Messwerte lassen sich Rückschlüsse auf die Geometrie der Schweißstruktur ableiten als auch ein zerstörungsfreies Modell für die Vorhersage der Verbindungsfestigkeit entwickeln. Die Ergebnisbewertung umfasst die qualitative als auch quantitative Charakterisierung der Mikroschweißverbindung sowie die Bewertung des Vibrationssensors in Form eines Funktionsdemonstrators. / The Ph.D. thesis focuses on a novel approach for the fabrication of a MEMS accelerometer on wafer level. The technology relies on the micro welding process of silicon, which is utilized for fixing one component of the capacitive electrode system at a deflected position. Consequently, the gap width of the variable capacitor is reduced below 1 µm for a structure height of 100 µm. The silicon micro welding process is reviewed and investigated. By utilizing a micro tensile test, the maximum bearable load is deduced for different welding geometries. Following these results, a model for predicting the strength of the micro welding site is introduced, allowing for non destructive process monitoring. Finally, the characteristics of the MEMS accelerometer are measured on wafer level and chip level after hermetic packaging respectively.

Basic resonator structures for frequency-selective capacitive vibration sensors which exploit their mechanical resonance peak for spectral selectivity are developed and analyzed. As an important capability, the stuctures offer voltage-controlled frequency tuning realized by electrostatic principles. Direct electrostatic tuning based on displacement-dependent electrostatic forces as well as tuning by stress-stiffening based on constant electrostatic forces are discussed. The sensor structures are designed for fabrication using common silicon surface microtechnologies. Experimental tests of both mentioned tuning principles are carried out at structures fabricated using a surface technology known as SCREAM. A considerable part of the work focusses on nonlinear oscillations of the mechanical resonator at large amplitudes arising in resonance. Dimensioning rules for minimum nonlinear disturbance are derived from a detailed analysis of the Duffing oscillator. Various capacitive principles for signal detection and electrostatic frequency tuning are evaluated in terms of nonlinearity. A novel type of specially shaped electrode systems offering linear properties within an amplitude range of 10 micrometers, so-called curved comb capacitors, is developed for fabrication in SCREAM technology. / In der vorliegenden Arbeit werden Grundstrukturen frequenzselektiver kapazitiver Vibrationssensoren entwickelt und analysiert, deren spektrale Selektionswirkung durch Ausnutzung ihrer mechanischen Resonanzüberhöhung entsteht. Wesentliches Merkmal der Strukturen ist ihre spannungsgesteuerte Abstimmbarkeit, die auf elektrostatischen Prinzipien beruht. Es werden die direkte elektrostatische Frequenzabstimmung, basierend auf positionsabhängigen Feldkräften, sowie das Prinzip des Stress-Stiffening, basierend auf einer konstanten elektrostatischen Kraft, diskutiert. Die Entwicklung konzentriert sich auf Sensorstrukturen, die in klassischen Oberflächentechnologien gefertigt werden können. Experimentelle Tests der beiden genannten Abstimmprinzipien werden anhand von Strukturen in oberflächennaher Silizium-bulk-Mikromechanik (SCREAM) durchgeführt. Schwerpunkt der Arbeit sind nichtlineare Schwingungen der mechanischen Resonatorkomponente bei großen Amplituden, die durch die Resonanzüberhöhung entstehen. Für den Sonderfall des Duffing-Schwingers werden Dimensionierungsregeln zur Minimierung der Nichtlinearitäten entwickelt. Kapazitive Prinzipien zur Detektion bzw. elektrostatischen Abstimmung werden hinsichtlich ihrer Linearität geprüft. Es werden neuartige Elektrodensysteme für die SCREAM-Technologie, sogenannte Kurvenkammsysteme entwickelt, die bei Schwingamplituden bis zu 10 Mikrometer linear arbeiten.

Basic resonator structures for frequency-selective capacitive vibration sensors which exploit their mechanical resonance peak for spectral selectivity are developed and analyzed. As an important capability, the stuctures offer voltage-controlled frequency tuning realized by electrostatic principles. Direct electrostatic tuning based on displacement-dependent electrostatic forces as well as tuning by stress-stiffening based on constant electrostatic forces are discussed. The sensor structures are designed for fabrication using common silicon surface microtechnologies. Experimental tests of both mentioned tuning principles are carried out at structures fabricated using a surface technology known as SCREAM. A considerable part of the work focusses on nonlinear oscillations of the mechanical resonator at large amplitudes arising in resonance. Dimensioning rules for minimum nonlinear disturbance are derived from a detailed analysis of the Duffing oscillator. Various capacitive principles for signal detection and electrostatic frequency tuning are evaluated in terms of nonlinearity. A novel type of specially shaped electrode systems offering linear properties within an amplitude range of 10 micrometers, so-called curved comb capacitors, is developed for fabrication in SCREAM technology. / In der vorliegenden Arbeit werden Grundstrukturen frequenzselektiver kapazitiver Vibrationssensoren entwickelt und analysiert, deren spektrale Selektionswirkung durch Ausnutzung ihrer mechanischen Resonanzüberhöhung entsteht. Wesentliches Merkmal der Strukturen ist ihre spannungsgesteuerte Abstimmbarkeit, die auf elektrostatischen Prinzipien beruht. Es werden die direkte elektrostatische Frequenzabstimmung, basierend auf positionsabhängigen Feldkräften, sowie das Prinzip des Stress-Stiffening, basierend auf einer konstanten elektrostatischen Kraft, diskutiert. Die Entwicklung konzentriert sich auf Sensorstrukturen, die in klassischen Oberflächentechnologien gefertigt werden können. Experimentelle Tests der beiden genannten Abstimmprinzipien werden anhand von Strukturen in oberflächennaher Silizium-bulk-Mikromechanik (SCREAM) durchgeführt. Schwerpunkt der Arbeit sind nichtlineare Schwingungen der mechanischen Resonatorkomponente bei großen Amplituden, die durch die Resonanzüberhöhung entstehen. Für den Sonderfall des Duffing-Schwingers werden Dimensionierungsregeln zur Minimierung der Nichtlinearitäten entwickelt. Kapazitive Prinzipien zur Detektion bzw. elektrostatischen Abstimmung werden hinsichtlich ihrer Linearität geprüft. Es werden neuartige Elektrodensysteme für die SCREAM-Technologie, sogenannte Kurvenkammsysteme entwickelt, die bei Schwingamplituden bis zu 10 Mikrometer linear arbeiten.

Die vorliegende Arbeit beschreibt einen neuartigen Ablauf zur Herstellung eines Vibrationssensors auf Waferebene. Die Besonderheit des Sensors liegt in der Reduktion des Spaltmaßes der kapazitiven Elektroden im Anschluss an die Strukturerzeugung. Dies gelingt unter Nutzung des Mikroschweißprozess von Siliziumelementen. Hierbei sieht die innovative Fertigungstechnologie eine Strukturhöhe von 100 μm vor. Zusätzlich wird die Erarbeitung einer Struktur für die Durchführung eines Mikrozugversuchs auf Waferebene beschrieben. Dieser dient der Bestimmung der maximal ertragbaren Zugkraft mikromechanischer Schweißverbindungen und ermöglicht die fertigungsbegleitende Prozesskontrolle. Auf Basis der Messwerte lassen sich Rückschlüsse auf die Geometrie der Schweißstruktur ableiten als auch ein zerstörungsfreies Modell für die Vorhersage der Verbindungsfestigkeit entwickeln. Die Ergebnisbewertung umfasst die qualitative als auch quantitative Charakterisierung der Mikroschweißverbindung sowie die Bewertung des Vibrationssensors in Form eines Funktionsdemonstrators. / The Ph.D. thesis focuses on a novel approach for the fabrication of a MEMS accelerometer on wafer level. The technology relies on the micro welding process of silicon, which is utilized for fixing one component of the capacitive electrode system at a deflected position. Consequently, the gap width of the variable capacitor is reduced below 1 µm for a structure height of 100 µm. The silicon micro welding process is reviewed and investigated. By utilizing a micro tensile test, the maximum bearable load is deduced for different welding geometries. Following these results, a model for predicting the strength of the micro welding site is introduced, allowing for non destructive process monitoring. Finally, the characteristics of the MEMS accelerometer are measured on wafer level and chip level after hermetic packaging respectively.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Charakterisierung eines mikromechanischen kraftgekoppelten Schwingsystems für die resonante Detektion niederfrequenter Schwingungen. Es wird ein neuartiges Prinzip vorgestellt, das es ermöglicht, niederfrequente Vibrationen frequenzselektiv zu erfassen. Mittels Amplitudenmodulation wird das niederfrequente Signal in einen höheren Frequenzbereich umgesetzt. Durch Ausnutzung der mechanischen Resonanzüberhöhung wird aus dem breitbandigen Signal ein schmales Band herausgefiltert, die anderen Frequenzbereiche werden unterdrückt. Auf diese Weise wird direkt die spektrale Information des niederfrequenten Signals gewonnen. Eine Fourier-Transformation ist hierbei nicht notwendig. Die Abstimmung des Sensors erfolgt über eine Wechselspannung und führt dadurch zu einer einfachen Auswertung. Die Schwerpunkte der Arbeit liegen in den theoretischen Untersuchungen zum neuartigen Sensorprinzip, in der Entwicklung einer mikromechanischen Sensorstruktur zum Einsatz des neuen Prinzips sowie in der Entwicklung und Charakterisierung eines Messsystems zur Detektion niederfrequenter mechanischer Schwingungen mit dem neuen Sensor. / This thesis describes the development and characterization of a micromechanical force coupled oscillator system for the resonant detection of low frequency vibrations. It presents a novel working principle that enables spectral measurements of low frequency vibrations. The low frequency spectral content is converted into a higher frequency range by means of amplitude modulation. Due to the mechanical resonance a narrow band is filtered out of the wide band vibration signal. The remaining frequency content is suppressed. Hence, the spectral information is directly obtained with the sensor system without a fast Fourier transform. The tuning is done with an AC voltage resulting in a simple analysis. The main focuses of the work are the theoretical analysis of this novel sensor principle, the development of the micromechanical sensor structure for the use of the novel principle as well as the development and characterization of a measurement system for the spectral detection of low frequency mechanical vibrations with the developed sensor system.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Charakterisierung eines mikromechanischen kraftgekoppelten Schwingsystems für die resonante Detektion niederfrequenter Schwingungen. Es wird ein neuartiges Prinzip vorgestellt, das es ermöglicht, niederfrequente Vibrationen frequenzselektiv zu erfassen. Mittels Amplitudenmodulation wird das niederfrequente Signal in einen höheren Frequenzbereich umgesetzt. Durch Ausnutzung der mechanischen Resonanzüberhöhung wird aus dem breitbandigen Signal ein schmales Band herausgefiltert, die anderen Frequenzbereiche werden unterdrückt. Auf diese Weise wird direkt die spektrale Information des niederfrequenten Signals gewonnen. Eine Fourier-Transformation ist hierbei nicht notwendig. Die Abstimmung des Sensors erfolgt über eine Wechselspannung und führt dadurch zu einer einfachen Auswertung. Die Schwerpunkte der Arbeit liegen in den theoretischen Untersuchungen zum neuartigen Sensorprinzip, in der Entwicklung einer mikromechanischen Sensorstruktur zum Einsatz des neuen Prinzips sowie in der Entwicklung und Charakterisierung eines Messsystems zur Detektion niederfrequenter mechanischer Schwingungen mit dem neuen Sensor. / This thesis describes the development and characterization of a micromechanical force coupled oscillator system for the resonant detection of low frequency vibrations. It presents a novel working principle that enables spectral measurements of low frequency vibrations. The low frequency spectral content is converted into a higher frequency range by means of amplitude modulation. Due to the mechanical resonance a narrow band is filtered out of the wide band vibration signal. The remaining frequency content is suppressed. Hence, the spectral information is directly obtained with the sensor system without a fast Fourier transform. The tuning is done with an AC voltage resulting in a simple analysis. The main focuses of the work are the theoretical analysis of this novel sensor principle, the development of the micromechanical sensor structure for the use of the novel principle as well as the development and characterization of a measurement system for the spectral detection of low frequency mechanical vibrations with the developed sensor system.