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)

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
  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 

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 

Fördergeber

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

Industriepartner

Industriepartner

  • CarbonCompetence GmbH