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48,80 €ISBN 978-3-8440-6608-1Softcover186 pages124 figures276 g21 x 14,8 cmGermanThesis
April 2019
John Brückner
Elastizitätsmodul und Bruchfestigkeit von Poly-Silizium-Membranen kommerzieller MEMS-Mikrofone
In der vorliegenden Arbeit wird eine experimentelle Testmethodik zur Untersuchung der Bruchfestigkeit der Membran kommerziell eingesetzter MEMS-Mikrofone mit gleichzeitiger Bestimmung des Elastizitätsmoduls entwickelt und charakterisiert. Der experimentelle Test überwindet dabei die Nachteile bisheriger Methoden hinsichtlich der Eignung für eine Membran, des Justage- und Versuchsaufwandes sowie der erhaltenen Ergebnisse.
Der Einsatz eines Nanoindentationsgerätes reduziert den Justageaufwand deutlich und ermöglicht gleichzeitig eine Automatisierung der Versuchsdurchführung, wodurch die Methodik für den industriellen Einsatz geeignet ist. Durch die zentrische Belastung der Membran mit einer sphärischen Diamantspitze ist eine reine Untersuchung des Membranmaterials möglich, da ein Bruch der Membran provoziert und gleichzeitig das Versagen in der Einspannstelle und Kantendefekte vermieden werden.
Der ermittelte Elastizitätsmodul von 168,9 GPa ist mit typischen Literaturwerten vergleichbar. Die erzielten Bruchfestigkeitswerte liegen im Bereich von 6000 MPa und damit deutlich über den in der Literatur dargestellten Wertebereich von 500 bis 5000 MPa.
Die Erweiterung der Methodik um die Möglichkeit zur Untersuchung des Einflusses von Ätzkanten, wie sie bspw. bei der Statorelektrode auftreten, auf die Bruchfestigkeit wird durch angepasste Membranstrukturen erreicht. Die Bruchfestigkeit wird dadurch um bis zu 12 % im Vergleich mit der Vollmembran reduziert.
Den Abschluss der Arbeit bildet die Ergänzung der entwickelten Methodik um angepasste mikroskopische Teststrukturen (sogenannte On-Chip-Tests). Diese Teststrukturen können eingesetzt werden, um schnell und unabhängig von dem entwickelten Belastungstest bspw. eine Prozessüberwachung der Bruchfestigkeit durchzuführen.
Der ermittelte Elastizitätsmodul von 168,9 GPa ist mit typischen Literaturwerten vergleichbar. Die erzielten Bruchfestigkeitswerte liegen im Bereich von 6000 MPa und damit deutlich über den in der Literatur dargestellten Wertebereich von 500 bis 5000 MPa.
Die Erweiterung der Methodik um die Möglichkeit zur Untersuchung des Einflusses von Ätzkanten, wie sie bspw. bei der Statorelektrode auftreten, auf die Bruchfestigkeit wird durch angepasste Membranstrukturen erreicht. Die Bruchfestigkeit wird dadurch um bis zu 12 % im Vergleich mit der Vollmembran reduziert.
Den Abschluss der Arbeit bildet die Ergänzung der entwickelten Methodik um angepasste mikroskopische Teststrukturen (sogenannte On-Chip-Tests). Diese Teststrukturen können eingesetzt werden, um schnell und unabhängig von dem entwickelten Belastungstest bspw. eine Prozessüberwachung der Bruchfestigkeit durchzuführen.
Keywords: Poly-Silizium; MEMS-Mikrofon; Bruchfestigkeit; Elastizitätsmodul; Dünnschichtmembran; Weibull-Statistik; mechanische Teststrukturen
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