Das Projekt zur Mensch-Roboter-Kollaboration an der Hochschule Bochum hatte das Ziel, einen sicheren Übergabeprozess eines Werkstücks von einem Roboterarm (igus® ReBel Cobot) in die Hand eines Menschen zu entwickeln. Dabei wurden drei Teilprojekte bearbeitet, die sich jeweils mit unterschiedlichen sensorischen Ansätzen zur Erkennung der Hand und der Kollisionsvermeidung befassten. Im ersten Teilprojekt wurde eine kameragestützte Objekterkennung implementiert, die mithilfe von maschinellem Lernen die Position der Hand und des Werkstücks bestimmt. Das zweite Teilprojekt befasste sich mit der Entwicklung eines kapazitiven Frontsensors, der die Position der Hand unter dem Werkstück erkennt. Beide Systeme nutzen unterschiedliche Technologien, um die Sicherheit der Übergabe zu gewährleisten. Im dritten Teilprojekt wurde ein kapazitiver Kollisionssensor entwickelt, der den Roboter vor Hindernissen, wie menschliche Körperteile, stoppen lässt. Alle Sensorkonzepte arbeiten redundant, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Das Projekt bot den Studierenden neben den technischen Herausforderungen auch die Möglichkeit verschiedene Ansätze zu diskutieren, zu realisieren und die Zusammenarbeit in interdisziplinären Teams zu stärken.

Die vorliegende Arbeit stellt einen Beitrag zur kontinuierlichen Bestimmung von Massendurchfluss sowie Dichte für den Bereich der Mikroverfahrenstechnik dar. Verschiedene Messverfahren und Sensoren werden vorgestellt und diskutiert. Die fest eingespannte durchflossene Messröhre in resonanter Schwingung kann zum einen zur Dichtebestimmung genutzt werden, da die Dichte des Fluids die bewegte Masse des Sensors und daher dessen Eigenfrequenz beeinflusst. Beim Biegeschwinger erfährt das strömende Fluid zusätzlich eine Winkelgeschwindigkeit, die die Corioliskraft als Maß für die bewegte Masse zur Folge hat. Verschiedene konstruktive Varianten der resonanten Messröhre werden vorgestellt, dabei wird auf analytische Berechnungsverfahren ebenso eingegangen wie auf die Bestimmung der statischen und dynamischen Parameter mit rechnergestützter Simulation (Finite Elemente Methode). Ebenso wird der Einsatz von gekoppelten Mehrfachschwingern erörtert und es werden Schwingungsformen sowie Vor- und Nachteile des Doppelresonators erörtert. Im technologischen Teil wird die Herstellung mechanischer Resonatoren in Volumenmikromechanik vorgestellt. Dabei wird besonders auf das anisotrope Ätzen von einkristallinem Silizium in Kalilauge sowie auf das Silizium-Direktbonden eingegangen. Der Aufbau von Doppelresonatoren durch mehrfaches Bonden wird ebenfalls untersucht und die gefertigten Sensoren werden vorgestellt. Varianten der messtechnischen Auswertung resonanter Sensoren werden bezüglich des Nutzens für die Massendurchfluss- und Dichtemessung untersucht. Dabei werden besonders zwei entwickelte kapazitive Messverfahren näher vorgestellt, mit deren Hilfe die Sensorstrukturen untersucht werden. Es wird die Funktion der Dichtemessung mit einer Auflösung von 0,01 g/cm³ bei Flüssigkeiten und Gasen nachgewiesen und der Massenfluss bis 2 g/s bei einer Auflösung von 0,1 g/s. / This thesis represents a contribution to the continuous measurement of mass flow and density for the field of micro process engineering. Different measuring principles and sensors are introduced and discussed. The clamped fluid-filled measuring tube in resonant oscillation can be used on the one hand for density determination, since the density of the fluid influences the moving mass of the sensor and therefore its eigenfrequency. Inside an oscillating U-tube the fluid will additionally be exposed to an angular velocity, which leads to the Coriolis force as a quantity for the moving mass. Different design variants of the resonant measuring tube are presented. Analytical methods are introduced as well as techniques to determine the static and dynamic parameters by computer-aided simulation (finite element method). Furthermore the usage of coupled oscillators is discussed, possible modes of vibration are determined and the pros and cons of the double resonator are estimated. In the technological part the fabrication of mechanical resonators using bulk micromachining is presented. Special attention is drawn to anisotropic etching of monocrystal silicon in a potassium hydroxide solution as well as to silicon fusion bonding. The forming of double resonators by multiple wafer bonding is also examined and the manufactured sensors are shown. Methods of Variants of metrological evaluation of resonant sensors are examined concerning their usability for the mass flow and density measurement. Particularly two developed capacitive measuring techniques are discussed in detail and the sensor structures are examined with their help. The performance of the density measurement with a resolution down to 0,01 g/cm³ is proven with liquids and gases as well as the mass flow measurement up to 2 g/s with a resolution of 0,1 g/s.

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung von ausschließlich elektrostatisch arbeitenden Sensor-Aktor-Arrays zur Oberflächenprofilbestimmung an Mikroteilen beschrieben. Ein wesentliches Merkmal der Strukturen ist ihr großer Eigenzustellbereich von bis zu 20 Mikrometer. Die Auswertung atomarer Kräfte ermöglicht Wegauflösungen im Nanometerbereich. Auf Grund der geringen Abmessungen durch die mikromechanische Fertigung des Sensorelements und der integrierten Sensor-Aktorfunktion sind Anordnungen als Zeilenarray möglich. Die Entwicklung richtet sich auf Strukturen, welche in klassischer Oberflächentechnologie gefertigt werden können. Durchgeführte experimentelle Tests wurden mit Sensoren in Silizium-bulk-Mikromechanik (SCREAM) realisiert. Der Schwerpunkt der Arbeit behandelt die Charakterisierung der Sensorelemente und damit verbundene Layoutverbesserungen, wie das Einbringen von Feldstoppern und die Nutzbarkeit des Sensors zur Profilbestimmung von Oberflächen unter Beachtung industrieller Anforderungen. Vorteile des Einsatzes eines solchen Sensor-Aktor-Arrays liegen in der Miniaturisierung und dem vergleichsweise großen Eigenzustellbereich jedes einzelnen Sensors. Dadurch ist es möglich, technische Oberflächen, welche im Eigenzustellbereich des Sensorarrays liegen, ohne das Nachregeln einer übergeordneten Positioniereinheit im Profil zu bestimmen. Es wird gezeigt, wie die angewandte kapazitive Wirkungsweise des Sensors mit den sehr kleinen Nutzkapazitäten im Beisein von großen Parasitärkapazitäten zur Signalauswertung genutzt werden kann.

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung von ausschließlich elektrostatisch arbeitenden Sensor-Aktor-Arrays zur Oberflächenprofilbestimmung an Mikroteilen beschrieben. Ein wesentliches Merkmal der Strukturen ist ihr großer Eigenzustellbereich von bis zu 20 Mikrometer. Die Auswertung atomarer Kräfte ermöglicht Wegauflösungen im Nanometerbereich. Auf Grund der geringen Abmessungen durch die mikromechanische Fertigung des Sensorelements und der integrierten Sensor-Aktorfunktion sind Anordnungen als Zeilenarray möglich. Die Entwicklung richtet sich auf Strukturen, welche in klassischer Oberflächentechnologie gefertigt werden können. Durchgeführte experimentelle Tests wurden mit Sensoren in Silizium-bulk-Mikromechanik (SCREAM) realisiert. Der Schwerpunkt der Arbeit behandelt die Charakterisierung der Sensorelemente und damit verbundene Layoutverbesserungen, wie das Einbringen von Feldstoppern und die Nutzbarkeit des Sensors zur Profilbestimmung von Oberflächen unter Beachtung industrieller Anforderungen. Vorteile des Einsatzes eines solchen Sensor-Aktor-Arrays liegen in der Miniaturisierung und dem vergleichsweise großen Eigenzustellbereich jedes einzelnen Sensors. Dadurch ist es möglich, technische Oberflächen, welche im Eigenzustellbereich des Sensorarrays liegen, ohne das Nachregeln einer übergeordneten Positioniereinheit im Profil zu bestimmen. Es wird gezeigt, wie die angewandte kapazitive Wirkungsweise des Sensors mit den sehr kleinen Nutzkapazitäten im Beisein von großen Parasitärkapazitäten zur Signalauswertung genutzt werden kann.

Die vorliegende Arbeit stellt einen Beitrag zur kontinuierlichen Bestimmung von Massendurchfluss sowie Dichte für den Bereich der Mikroverfahrenstechnik dar. Verschiedene Messverfahren und Sensoren werden vorgestellt und diskutiert. Die fest eingespannte durchflossene Messröhre in resonanter Schwingung kann zum einen zur Dichtebestimmung genutzt werden, da die Dichte des Fluids die bewegte Masse des Sensors und daher dessen Eigenfrequenz beeinflusst. Beim Biegeschwinger erfährt das strömende Fluid zusätzlich eine Winkelgeschwindigkeit, die die Corioliskraft als Maß für die bewegte Masse zur Folge hat. Verschiedene konstruktive Varianten der resonanten Messröhre werden vorgestellt, dabei wird auf analytische Berechnungsverfahren ebenso eingegangen wie auf die Bestimmung der statischen und dynamischen Parameter mit rechnergestützter Simulation (Finite Elemente Methode). Ebenso wird der Einsatz von gekoppelten Mehrfachschwingern erörtert und es werden Schwingungsformen sowie Vor- und Nachteile des Doppelresonators erörtert. Im technologischen Teil wird die Herstellung mechanischer Resonatoren in Volumenmikromechanik vorgestellt. Dabei wird besonders auf das anisotrope Ätzen von einkristallinem Silizium in Kalilauge sowie auf das Silizium-Direktbonden eingegangen. Der Aufbau von Doppelresonatoren durch mehrfaches Bonden wird ebenfalls untersucht und die gefertigten Sensoren werden vorgestellt. Varianten der messtechnischen Auswertung resonanter Sensoren werden bezüglich des Nutzens für die Massendurchfluss- und Dichtemessung untersucht. Dabei werden besonders zwei entwickelte kapazitive Messverfahren näher vorgestellt, mit deren Hilfe die Sensorstrukturen untersucht werden. Es wird die Funktion der Dichtemessung mit einer Auflösung von 0,01 g/cm³ bei Flüssigkeiten und Gasen nachgewiesen und der Massenfluss bis 2 g/s bei einer Auflösung von 0,1 g/s. / This thesis represents a contribution to the continuous measurement of mass flow and density for the field of micro process engineering. Different measuring principles and sensors are introduced and discussed. The clamped fluid-filled measuring tube in resonant oscillation can be used on the one hand for density determination, since the density of the fluid influences the moving mass of the sensor and therefore its eigenfrequency. Inside an oscillating U-tube the fluid will additionally be exposed to an angular velocity, which leads to the Coriolis force as a quantity for the moving mass. Different design variants of the resonant measuring tube are presented. Analytical methods are introduced as well as techniques to determine the static and dynamic parameters by computer-aided simulation (finite element method). Furthermore the usage of coupled oscillators is discussed, possible modes of vibration are determined and the pros and cons of the double resonator are estimated. In the technological part the fabrication of mechanical resonators using bulk micromachining is presented. Special attention is drawn to anisotropic etching of monocrystal silicon in a potassium hydroxide solution as well as to silicon fusion bonding. The forming of double resonators by multiple wafer bonding is also examined and the manufactured sensors are shown. Methods of Variants of metrological evaluation of resonant sensors are examined concerning their usability for the mass flow and density measurement. Particularly two developed capacitive measuring techniques are discussed in detail and the sensor structures are examined with their help. The performance of the density measurement with a resolution down to 0,01 g/cm³ is proven with liquids and gases as well as the mass flow measurement up to 2 g/s with a resolution of 0,1 g/s.

High aspect ratio silicon etching used for DRAM manufacturing still remains as one of the biggest challenges in semiconductor fabrication, requiring well understood and characterized process fundamentals. In this study, physical and chemical interactions during etching silicon in capacitively coupled plasma discharges were investigated in detail for different HBr/NF3 mixed chemistries for single frequency as well as dual frequency operation and medium discharge pressures inside an industrial MERIE CCP reactor typically used for DRAM fabrication. Utilization of the dual frequency concept for separate control of ion energy and ion flux, as well as the impact on discharge properties and finally on etching at relevant substrate surfaces were studied systematically. The complex nature of multi frequency rf sheaths was both analyzed experimentally by applying mass resolved ion energy analysis, and from simulation of ion energy distributions by using a Hybrid Plasma Sheath Model. Discharge composition and etch processes were investigated by employing standard mass spectrometry, Appearance Potential Mass Spectrometry, Quantum Cascade Laser Absorption Spectroscopy, rf probe measurements, gravimetry and ellipsometry. An etch model is developed to explain limitations of silicon etching in HBr/NF3 discharges to achieve highly aniostropic etching. / Siliziumätzen mit hohen Aspektverhältnissen zur Herstellung von DRAM-Speicherstrukturen stellt nach wie vor eine der größten Herausforderungen in der Halbleiterherstellung dar und erfordert ein grundlegendes Prozessverständnis. Diese Studie beinhaltet eine umfassende und detaillierte Untersuchung physikalischer und chemischer Wechselwirkungen von Siliziumätzprozessen in kapazitiv gekoppelten HBr/NF3-Gasentladungen in einem kommerziellen, typischerweise für die DRAM-Fertigung eingesetzten MERIE CCP Reaktor mit Ein- und Zweifrequenzanregung bei mittleren Entladungsdrücken. Die Anwendung eines Zweifrequenzkonzeptes zur separaten Kontrolle von Ionenenergie und Ionenstromdichte, als auch deren Einfluss auf die Entladungseigenschaften und letztendlich auf das Ätzverhalten auf relevanten Substratoberflächen wurden systematisch untersucht. Die komplexe Natur von mehrfrequenzangeregten HF-Randschichten wurde sowohl experimentell über eine Anwendung von massenaufgelöster Ionenenergieanalyse als auch rechnerisch über Simulationen von Ionenenergieverteilungsfunktionen mit Hilfe eines hybriden Plasmarandschichtmodells analysiert. Gaszusammensetzungen verschiedener Entladungen und Ätzprozesse wurden mit Hilfe von Standard-Massenspektrometrie, Schwellwert-Massenspektrometrie, Quantenkaskaden-Laserabsorptionsspektroskopie, HF-Sondenmessungen, Gravimetrie und Ellipsometrie charakterisiert. Eine neuartige Modellvorstellung zum Siliziumätzen in HBr/NF3-Entladungsgemischen liefert eine plausible Erklärung für die Limitierung der Ätzrate zum Erreichen eines hoch anisotropen Ätzverhaltens.

High aspect ratio silicon etching used for DRAM manufacturing still remains as one of the biggest challenges in semiconductor fabrication, requiring well understood and characterized process fundamentals. In this study, physical and chemical interactions during etching silicon in capacitively coupled plasma discharges were investigated in detail for different HBr/NF3 mixed chemistries for single frequency as well as dual frequency operation and medium discharge pressures inside an industrial MERIE CCP reactor typically used for DRAM fabrication. Utilization of the dual frequency concept for separate control of ion energy and ion flux, as well as the impact on discharge properties and finally on etching at relevant substrate surfaces were studied systematically. The complex nature of multi frequency rf sheaths was both analyzed experimentally by applying mass resolved ion energy analysis, and from simulation of ion energy distributions by using a Hybrid Plasma Sheath Model. Discharge composition and etch processes were investigated by employing standard mass spectrometry, Appearance Potential Mass Spectrometry, Quantum Cascade Laser Absorption Spectroscopy, rf probe measurements, gravimetry and ellipsometry. An etch model is developed to explain limitations of silicon etching in HBr/NF3 discharges to achieve highly aniostropic etching. / Siliziumätzen mit hohen Aspektverhältnissen zur Herstellung von DRAM-Speicherstrukturen stellt nach wie vor eine der größten Herausforderungen in der Halbleiterherstellung dar und erfordert ein grundlegendes Prozessverständnis. Diese Studie beinhaltet eine umfassende und detaillierte Untersuchung physikalischer und chemischer Wechselwirkungen von Siliziumätzprozessen in kapazitiv gekoppelten HBr/NF3-Gasentladungen in einem kommerziellen, typischerweise für die DRAM-Fertigung eingesetzten MERIE CCP Reaktor mit Ein- und Zweifrequenzanregung bei mittleren Entladungsdrücken. Die Anwendung eines Zweifrequenzkonzeptes zur separaten Kontrolle von Ionenenergie und Ionenstromdichte, als auch deren Einfluss auf die Entladungseigenschaften und letztendlich auf das Ätzverhalten auf relevanten Substratoberflächen wurden systematisch untersucht. Die komplexe Natur von mehrfrequenzangeregten HF-Randschichten wurde sowohl experimentell über eine Anwendung von massenaufgelöster Ionenenergieanalyse als auch rechnerisch über Simulationen von Ionenenergieverteilungsfunktionen mit Hilfe eines hybriden Plasmarandschichtmodells analysiert. Gaszusammensetzungen verschiedener Entladungen und Ätzprozesse wurden mit Hilfe von Standard-Massenspektrometrie, Schwellwert-Massenspektrometrie, Quantenkaskaden-Laserabsorptionsspektroskopie, HF-Sondenmessungen, Gravimetrie und Ellipsometrie charakterisiert. Eine neuartige Modellvorstellung zum Siliziumätzen in HBr/NF3-Entladungsgemischen liefert eine plausible Erklärung für die Limitierung der Ätzrate zum Erreichen eines hoch anisotropen Ätzverhaltens.

Air-borne ultrasonic transducers are optimised to achieve a maximal sound pressure in a frequency range around 100 kHz. Moreover, the radiation of a high acoustic power is desired, which requires a large transducer area. Within this dissertation the ultrasonic transducers are, therefore, optimised to operate in the resonance mode. Using this operating point the maximal force is fed into the transducer while it is charged with the lowest loss possible. Many applications of air-borne ultrasound need a sufficient bandwidth in addition to a high sound pressure, that s why the swinging mass of the transducer has to be minimised. For these reasons, air-borne capacitive and piezoelectric film transducers take centre stage of these examinations. New network models of the stripe membrane and the pre-stressed stripe plate are derived to optimise these ultrasonic transducers. Besides its mechanical tension and its bending stiffness, the new network model of the pre-stressed and pressure loaded stripe plate takes also the stiffness caused by the shape of the plate into account. The examined transducers achive a maximal piston velocity around 1 m/s. / Ultraschallwandler für Anwendungen in Luft werden zur Bereitstellung eines maximalen Schalldrucks im Frequenzbereich um 100 kHz optimiert. Sie sollen außerdem die Abstrahlung einer großen Schallleistung zulassen, was eine große Wandlerfläche voraussetzt. Deshalb werden in dieser Arbeit die Ultraschallsender für den Resonanzbetrieb optimiert, wo man die maximale Krafteinspeisung bei minimalen Verlusten einstellt. Viele Anwendungen von Ultraschall in Luft benötigen neben einem hohen Schalldruckpegel auch eine ausreichende Bandbreite, wozu die schwingende Masse der Wandler zu minimieren ist. Deshalb stehen kapazitive und piezoelektrische Folienwandler im Resonanzbetrieb im Vordergrund der Untersuchungen. Zur Optimierung dieser Ultraschallsender werden die Netzwerkmodelle der Streifenmembran und der gespannten Streifenplatte abgeleitet. Neben der mechanischen Spannung und der Biegesteifigkeit berücksichtigt das Netzwerkmodell der gespannten und statisch druckbelasteten Streifenplatte die Formversteifung. Die untersuchten Wandler erreichen eine maximale Kolbenschnelle um 1 m/s.

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Air-borne ultrasonic transducers are optimised to achieve a maximal sound pressure in a frequency range around 100 kHz. Moreover, the radiation of a high acoustic power is desired, which requires a large transducer area. Within this dissertation the ultrasonic transducers are, therefore, optimised to operate in the resonance mode. Using this operating point the maximal force is fed into the transducer while it is charged with the lowest loss possible. Many applications of air-borne ultrasound need a sufficient bandwidth in addition to a high sound pressure, that s why the swinging mass of the transducer has to be minimised. For these reasons, air-borne capacitive and piezoelectric film transducers take centre stage of these examinations. New network models of the stripe membrane and the pre-stressed stripe plate are derived to optimise these ultrasonic transducers. Besides its mechanical tension and its bending stiffness, the new network model of the pre-stressed and pressure loaded stripe plate takes also the stiffness caused by the shape of the plate into account. The examined transducers achive a maximal piston velocity around 1 m/s. / Ultraschallwandler für Anwendungen in Luft werden zur Bereitstellung eines maximalen Schalldrucks im Frequenzbereich um 100 kHz optimiert. Sie sollen außerdem die Abstrahlung einer großen Schallleistung zulassen, was eine große Wandlerfläche voraussetzt. Deshalb werden in dieser Arbeit die Ultraschallsender für den Resonanzbetrieb optimiert, wo man die maximale Krafteinspeisung bei minimalen Verlusten einstellt. Viele Anwendungen von Ultraschall in Luft benötigen neben einem hohen Schalldruckpegel auch eine ausreichende Bandbreite, wozu die schwingende Masse der Wandler zu minimieren ist. Deshalb stehen kapazitive und piezoelektrische Folienwandler im Resonanzbetrieb im Vordergrund der Untersuchungen. Zur Optimierung dieser Ultraschallsender werden die Netzwerkmodelle der Streifenmembran und der gespannten Streifenplatte abgeleitet. Neben der mechanischen Spannung und der Biegesteifigkeit berücksichtigt das Netzwerkmodell der gespannten und statisch druckbelasteten Streifenplatte die Formversteifung. Die untersuchten Wandler erreichen eine maximale Kolbenschnelle um 1 m/s.