- FEM analyses of triple-beam silicon sensors with piezoelectric ZnO thin-films
- monocrystalline Silicon / single-crystalline silicon / Si(100)
- numerische Simulation Silizium-Dreifachstimmgabel mit piezo-elektrischer ZnO-Dünnschicht
- monokristallines Silizium / ein-kristallines Silizium / Si(100)
A resonant force sensor with semidigital frequency output based on a triple-beam resonator structure in silicon is presented. The piezoelectric excitation of the resonator operating in an antisymmetric vibration mode is realized by thin-film zinc oxide layers. An advantage of this triple-beam design is a high mechanical quality factor combined with high force sensitivity due to the antisymmetric vibration mode and the load-dependent stress concentration in the triple beam. Extensive finite-element modelling has been carried out to determine the static and dynamic behaviour and to obtain optimum sensor performance. Several resonator designs have been fabricated to study mechanical decoupling from the clamping region. Experimental characterization of the triple-beam sensor and of the zinc oxide thin-film properties has been performed.
Es wird ein Resonanzkraftsensor mit halbdigitaler Frequenzausgabe vorgestellt, der auf einer Dreifachbalken-Resonatorstruktur aus Silizium basiert. Die piezoelektrische Anregung des Resonators, der im antisymmetrischen Schwingungsmode arbeitet, wird durch Dünnschicht-Zinkoxidschichten realisiert. Ein Vorteil dieser Dreifachbalken-Resonatorstruktur ist ein hoher mechanischer Qualitätsfaktor in Verbindung mit einer hohen Kraftempfindlichkeit aufgrund der antisymmetrischen Schwingungsmode und der lastabhängigen Spannungskonzentration im Dreifachbalkenresonator. Um das statische und dynamische Verhalten zu bestimmen und eine optimale Sensorleistung zu erzielen, wurden umfangreiche Finite-Elemente-Modellierungen durchgeführt. Zur Untersuchung der mechanischen Entkopplung vom Klemmbereich wurden mehrere Resonatorausführungen hergestellt. Der Dreifachbalken-Sensor und die Eigenschaften der Zinkoxid-Dünnschichten wurden experimentell charakterisiert.
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