Multiphysics Simulation elektrothermisch angeregter, piezoresistiver, resonanter MEMSSensoren für Kontaktresonanz-Anwendungen : Bachelorarbeit

In der Industrie werden Sensoren benötigt, die besonders im Inline-Betrieb Eigenschaften ermitteln, die sonst nur durch Labormessungen zugänglich sind. Taktile Sensoren gehören zu dieser Art neuer Produktionssensoren, insbesondere die sogenannten „Mikrotaster“. Ihr Aufgabenbereich ist die Inline Überprüfung von Materialkennwerten, wie der Oberflächenrauheit und dem Elastizitätsmodul. So ist z.B. geplant diese Art von Sensoren für die Produktionsüberwachung von Beschichtungen von Walzen und der Qualität von Oberflächen nach deren Bearbeitung einzusetzen. Die üblichen Labormethoden für die Bestimmung des Elastizitätsmoduls sind die Bestimmung durch einen Zugversuch [23] oder durch Nanoidentation [22]. Diese Kennwertermittlungen sind jedoch zerstörende Werkstoffprüfungen und daher nicht für die laufende Überwachung von Produktionsergebnissen geeignet. Eine nicht-zerstörendeMessmethode ist die akustisch-mechanische Korrelation der Schallgeschwindigkeit im zu prüfenden Material mit dem Zug-E-Modul [10]. Allerdings ist diese Korrelation durch die Temperaturabhängigkeit der Querkontraktionszahl des Materials fehlerbehaftet. Eine besonders präzise, schnell arbeitende und nicht-zerstörende Methode der messenden Mikrotaster ist die sogenannte „Kontaktresonanz-Spektroskopie“. Sie stellt ein  mechanisches Untersuchungsverfahren dar, welches auf der sich verändernden Resonanzfrequenz eines in Schwingung versetzten Sensors bei Kontakt mit einer Probe basiert. Zuerst 1994 von der Yamanaka- und Arnold Group beschrieben [20, 24], ermöglicht diese Methode Rückschlüsse auf die mechanischen Eigenschaften des Probenmaterials. Am Institut für Halbleitertechnik (IHT) der Technischen Universität Braunschweig wird aktuell an diesen Mikrotastern geforscht. So wird im Rahmen des Projekts „MicroProbes“ u.a. ein neuer Mikrotaster entwickelt. Dieser verwendetet zurzeit eine Phase-Lock-Loop (PLL) Schaltung, um die Resonanzfrequenz zu ermitteln. Da es sich bei diesem Verfahren um einen Regelkreis handelt, sind die Messgeschwindigkeiten begrenzt. Es soll daher ein neues Messverfahren, das Dual AC Resonance Tracking (DART) Verfahren, welches schnellere Messgeschwindigkeiten verspricht, für den Mikrotaster ausgelegt werden. Um das Verhalten dieses Mikrotasters für aktuelle und künftige Zwecke  beschreiben zu können, ist die Entwicklung eines möglichst universal einsetzbaren Simulations-Modells erforderlich. Zudem soll das DART Messverfahren getestet und ausgelegt werden. In der vorliegenden Arbeit sind der Aufbau, die Verifizierung und die anschließende prognostische Nutzung des Modells beschrieben.