Entwicklung eines Prozesses zur Fertigung piezoelektrisch angeregter Cantilever-Sensoren : Masterarbeit

Die Oberflächenrauheit ist ein wichtiger Prädiktor für die Leistung eines mechanischen Bauteils. Mit der Digitalisierung der industriellen Produktion geht die Forderung nach einer schnellen Messung der Oberflächenrauhigkeit von Bauteilen einher. [61] [68]. Taktile Mikrocantilever können zur schnellen Messung der Oberflächenrauheit verwendet werden. Die Vorteile dieser Cantilever sind eine Messgeschwindigkeit von bis zu 15 mm/s, ein Messbereich von ca. 200 μm und niedrige Preis [62]. In einem europäischen EMPIR Projekt werden solche Mikrocantilever weiter entwickelt [63]. Eines der Ziele dieses Projekts ist die Entwicklung neuer Sensoren, die für die effiziente Messung mechanischer Eigenschaften wie der Rauheit und dem Elastizitätsmodul optimiert werden. In früheren Arbeiten wurden bereits Heizwiderstände als Aktoren in den Cantilever des Sensors integriert [69]. Aber bei der Erhitzung erzeugt die Heizwiderstände einen Temperaturgradienten um sich herum. Die Widerstände von Wheatstonescher Messbrücke in der Nähe der Heizwiderständen wird stärker erhitzt, was zu einer thermischen Kopplung führt. Diese thermische Kopplung führt zu einer asymmetrischen Resonanz um die Resonanzfrequenz herum, was eine genaue Bestimmung der Resonanzfrequenz des Cantilevers schwer macht [70]. Daher sollen die Heizwiderstände durch Piezoaktoren ersetzt werden, um die asymmetrische Resonanz zu reduzieren oder zu eliminieren. In dieser Arbeit wird Aluminiumnitrid (kurz AlN) als piezoelektrische Schicht bezüglich seiner Anwendbarkeit als integrierter Piezoaktor in einem MEMS Cantilever Sensor überprüft. Ein erster Designentwurf des Sensors wurde bereits fertiggestellt. In dieser Arbeit wird der dazugehörige Fertigungsprozess entwickelt. Zunächst wird ein Ätzprozess zur Strukturierung von AlN Schichten entwickelt. Für diese Experimente werden zunächst extern gefertigte AlN Schichten auf Silizium genutzt. Anschließend werden strukturierte Schichten kontaktiert und elektrisch getestet. Danach wird ein Sputterprozess zur Beschichtung von Siliziumsubstraten mit AlN bezüglich der Oberflächenmorphologie und Ätzrate der Schicht optimiert. Schließlich wird der piezoelektrische Koeffizient d33 und die Dielektrizitätskonstante ε des gesputterten AlNs bestimmt.