Kurzfassung

Im Rahmen des dreijährigen FFG Bridge Forschungsprojekts RESONANCE wurde das Potenzial polykristalliner Materialien – darunter polykristallines Silizium (PCSi), Siliziumcarbid (PCSiC) und Diamant (PCD) – als Resonatormaterialien für hochpräzise MEMS-Taktgeber untersucht. Dabei konnten Geometrien identifiziert werden, die unter Vakuumbedingungen Anker- und Fluidverluste minimieren und somit die Untersuchung intrinsischer Verlustmechanismen ermöglichen. Es zeigte sich, dass größere Körner den Elastizitätsmodul und die Gütefaktoren (Q) verbessern. Besonders bei PCD waren stochastische Modelle entscheidend für das Verständnis des dynamischen Verhaltens. Die Materialentwicklung umfasste gezielte Variation von Korngrößen und Dotierungen, validiert durch XRD- und XPS-Analytik. Speziell entwickelte Trockenätzprozesse ermöglichten die Mikrobearbeitung von PCD und PCSiC. In Kombination mit Laser-Doppler-Vibrometrie und Weißlichtinterferometrie gelang ein detailliertes Verständnis der Resonanzfrequenzabhängigkeit und Verlustprozesse in unterschiedlichen Designs. Durch den erfolgreichen Einsatz von photothermischer Anregung und Detektion konnte auf komplexere Integrationen von piezoelektrischen Aktoren verzichtet werden – bei gleichzeitig höherer Aussagekraft der Messergebnisse.

Das Projekt schuf eine charakterisierungsbasierte Plattform zur Analyse von Dämpfungsmechanismen und leistete damit einen zentralen Beitrag zur Entwicklung zukünftiger MEMS-basierter Taktgeber auf Basis polykristalliner Materialien. Die aufgebaute Plattform wird derzeit in Folgeprojekten weiterentwickelt und erweiter. 

Publikationen

Journalartikel

  1. Gesing, Andre, et al. "The gas-liquid-Q-factor-inversion in MEMS plate resonators." Journal of Sound and Vibration 559 (2023): 117777, https://doi.org/10.1016/j.jsv.2023.117777
  2. Huber, Dominik, et al. “Tailored measurement setup for the contactless characterization of MEMS resonators at the wafer level”, Journal of Sensors and Sensor Systems (JSSS), (2025), https://doi.org/10.5194/jsss-14-89-2025  
  3. Huber, Dominik, et al. "Design-dependent Q-factor spectroscopy: Impact of surface oxidation on dissipation in 2 micrometer thick MEMS resonators." Sensors and Actuators A: Physical 399 (2026): 117389, https://doi.org/10.1016/j.sna.2025.117389
  4. Huber, D., et al. "Quality factor enhancement in polycrystalline diamond MEMS resonators by post-deposition plasma treatment." Journal of Applied Physics 139.4 (2026), https://doi.org/10.1063/5.0303958
  5. Huber, Dominik, et al. "Automated contactless characterization of local thin film thickness and film stress with standard MEMS structures at wafer level." Journal of Sensors and Sensor Systems 15.1 (2026): 9-21, https://doi.org/10.5194/jsss-15-9-2026 

Konferenzbeiträge

  1. Huber, Domnik, et al. “Simultaneous Analysis of Local Device Layer Thickness and Film Stress on Cantilevered MEMS Structures”, Sensor and Measurement Science International (SMSI), 2025, https://doi.org/10.5162/SMSI2025/B2.3
  2. Huber, Dominik, et al. "Impact of Grain Size on The Q-Factor of Poly-Crystalline Diamond Mems Resonators." 2024 IEEE 37th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). IEEE, 2024, https://doi.org/10.1109/MEMS58180.2024.10439421
  3. Huber, Dominik, et al. "M3. 3.3-Capacitive Excitation of Out-of-Plane Modes in MEMS Resonators with a Planar Electrode Design." Lectures (2025): 100-101, https://doi.org/10.5162/EUROSENSORS2025/M3.3.3
  4. Huber, D., et al. "M2. 2.4-Impact of Nitrogen Doping on the Q-Factor of Polycrystalline 3C-SiC MEMS Resonators." Lectures(2025): 72-73, https://doi.org/10.5162/EUROSENSORS2025/M2.2.4
  5. Gesing, Andre, Loch, et al. “Modeling polycrystalline diamond MEMS resonators.” In 19th International Workshop on Nanomechanical Sensing (pp. 114–114), 2024, http://hdl.handle.net/20.500.12708/210183 

Masterarbeiten

  1. Gülly, M., Out-of-plane excitation of MEMS resonators in the MHz range with a planar electrostatic transducer arrangement, Diploma Thesis, Technische Universität Wien, 2024, https://doi.org/10.34726/hss.2024.116400
  2. Schallert, C., Contactless characterisation of polycrystalline thin-film MEMS resonators with varying layer-thickness on wafer level, Diploma Thesis, Technische Universität Wien, 2024, https://doi.org/10.34726/hss.2024.115166
  3. Jurekovic, P., Impact of nitrogen doping on the electrical resistivity and Q-factor of polycrystalline 3C-SiC MEMS resonators, Diploma Thesis, Technische Universität Wien, 2024 https://doi.org/10.34726/hss.2024.110560 

Doktorarbeiten

  1. Huber, D., Intrinsic Losses in Silicon, Polycrystalline Diamond, and Silicon Carbide MEMS Resonators, Dissertation, Technische Universität Wien, 2026, https://doi.org/10.34726/hss.2026.101240

Fördergeber

  • Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) -  Bridge (Projektnummer: 888041)

Industriepartner

  • Carbon Competence GmbH