Investigation of the Physical Properties, Performance and Application of MEMS Sensors Based on Bulk Acoustic Waves excited in Piezoelectric Thin Film Devices
- In this work, piezoelectric thin film resonators (FBARs) are investigated and their performance and aptitude in different sensing applications is evaluated. The theoretic and experimental analysis of the acoustic mode structure yielded important results describing the nature of different modes and providing information for resonator optimization. With an appropriate design a significant improvement of the sensitivity and quality factor can be achieved. Different modes can be furthermore exploited to enhance the functionality of the sensor and a selection of specific modes by applying a structure on top of the resonator seems possible. Furthermore the influence of design parameters such as the operation frequency, resonator size, form and electrode thickness on the device performance were investigated in detail. Different sensing applications were tested from a stress- over a viscosity- to a bio-sensor and also the capability to act as a fluid mixer was tried successfully. TheIn this work, piezoelectric thin film resonators (FBARs) are investigated and their performance and aptitude in different sensing applications is evaluated. The theoretic and experimental analysis of the acoustic mode structure yielded important results describing the nature of different modes and providing information for resonator optimization. With an appropriate design a significant improvement of the sensitivity and quality factor can be achieved. Different modes can be furthermore exploited to enhance the functionality of the sensor and a selection of specific modes by applying a structure on top of the resonator seems possible. Furthermore the influence of design parameters such as the operation frequency, resonator size, form and electrode thickness on the device performance were investigated in detail. Different sensing applications were tested from a stress- over a viscosity- to a bio-sensor and also the capability to act as a fluid mixer was tried successfully. The performance in all these applications was evaluated experimentally and backed up with theoretical models. In comparison experiments acting as a biosensor the FBAR was found to be slightly better than the established quartz crystal microbalance.…
- In der vorliegenden Arbeit werden piezoelektrische Dünnschichtresonatoren (FBARs) untersucht und ihre Eignung und Leistungsfähigkeit in unterschiedlichen Sensorik-Anwendungen bewertet. Die theoretische und experimentelle Analyse der akustischen Modenstruktur brachte wichtige Ergebnisse die Form der akustischen Moden betreffend, welche Aufschluss für die Optimierung des Bauteils geben. Durch ein geeignetes Design kann damit eine deutliche Verbesserung der Sensitivität und der Güte des Resonators erreicht werden. Unterschiedliche Moden können genutzt werden, um den Funktionsumfang des Sensors zu erhöhen und eine gezielte Modenselektion durch Aufbringen einer Struktur auf den Resonator erscheint möglich. Weiterhin wurde der Einfluss von Designparametern wie der Arbeitsfrequenz, Größe und Form des Resonators sowie Elektrodendicke auf die Leistungsfähigkeit untersucht. Unterschiedliche Sensorikanwendungen wurden ausprobiert, von Stressmessungen über Viskositätsmessungen bis hin zuIn der vorliegenden Arbeit werden piezoelektrische Dünnschichtresonatoren (FBARs) untersucht und ihre Eignung und Leistungsfähigkeit in unterschiedlichen Sensorik-Anwendungen bewertet. Die theoretische und experimentelle Analyse der akustischen Modenstruktur brachte wichtige Ergebnisse die Form der akustischen Moden betreffend, welche Aufschluss für die Optimierung des Bauteils geben. Durch ein geeignetes Design kann damit eine deutliche Verbesserung der Sensitivität und der Güte des Resonators erreicht werden. Unterschiedliche Moden können genutzt werden, um den Funktionsumfang des Sensors zu erhöhen und eine gezielte Modenselektion durch Aufbringen einer Struktur auf den Resonator erscheint möglich. Weiterhin wurde der Einfluss von Designparametern wie der Arbeitsfrequenz, Größe und Form des Resonators sowie Elektrodendicke auf die Leistungsfähigkeit untersucht. Unterschiedliche Sensorikanwendungen wurden ausprobiert, von Stressmessungen über Viskositätsmessungen bis hin zu Biomessungen und auch eine Anwendung als Flüssigkeits-Mischer wurde erfolgreich getestet. In allen Anwendungen wurden die Performance des Sensors durch Experimente evaluiert und durch Modelle unterfüttert. In Biosensorexperimenten zeigte sich, dass der FBAR im direkten Vergleich zum QCM etwas besser abschnitt.…
