DFG: Mikrosystem mit passiver Resonanzanpassung durch Integration thixotroper Polymermaterialien

Eine der größten Herausforderungen bei der Verwendung resonanter Mikrosysteme ist die vergleichsweise geringe Bandbreite ihrer Resonanzfrequenz. Werden diese Systeme als Sensoren für inertiale Ereignisse, z.B. Vibrationen, oder als Energy-Harvester betrieben, setzt dies eine nahezu konstante Anregungsfrequenz voraus. Weichen Resonanz- und Anregungsfrequenz zunehmend voneinander ab, reduziert sich die Schwingungsamplitude des MEMS bis es schließlich kein oszillierendes Verhalten mehr zeigt. Da es in natürlichen Umgebungen im seltensten Fall konstante Anregungsfrequenzen gibt, sind die Bandbreite resonanter Sensoren bzw. die Energieausbaute von MEMS-Harvestern in realen Anwendungsszenarien sehr stark eingeschränkt. Zur Frequenzanpassung wurden in der Vergangenheit multiple Abstimmkonzepte entwickelt, die auf der Beeinflussung der mechanischen Kenngrößen des MEMS, Masse, Steifigkeit und Dämpfung, basieren, z.B. zusätzliche Aktoren an den Federbändern oder der Masse bzw. der Betrieb bei variablem Druck. All diesen Konzepten ist gemein, dass sie zusätzliche Hilfsenergie zum Abgleich der Resonanzfrequenz benötigen und damit für energieautarke Sensoren oder Energy-Harvester nur sehr begrenzt einsetzbar sind. Der vorliegende Antrag adressiert ein völlig neues Konzept der Frequenzanpassung, das auf dem mechanischen Verhalten thixotroper Polymere beruht und ohne jede Form zusätzlicher Hilfsenergie auskommt. Thixotrope Polymere zeigen unter mechanischer Beanspruchung eine transiente Abnahme ihrer Steifigkeit, wobei dieser Effekt in Ruhezustand reversibel ist. Die geschickte Integration dieser Polymere gemeinsam mit einem Parylene-Federelement in ein resonantes Mikrosystem lässt ein MEMS entstehen, welches das Verhalten eines mechanischen Attraktors aufweist. Das bedeutet, die Resonanzfrequenz des MEMS bewegt sich bei Schwingungsanregung sukzessive auf die Anregungsfrequenz zu und kann diese auch bei Änderung der Umgebungsbedingungen nicht mehr verlassen. Es entsteht eine materialinhärente Regelschleife, welche die Resonanzfrequenz bei Veränderung der Anregungsschwingung nachführt und stets die maximale Schwingungsamplitude sicherstellt. Damit dies erreicht werden kann, sollen im vorgeschlagenen Vorhaben geeignete Polymermaterialien synthetisiert und an die Parylene-basierten Federelemente eines MEMS angebunden werden. Dazu sollen verschiedene Ansätze verfolgt werden, die u.a. auf der Integration spezieller Haftgruppen in die Polymermaterialien selbst oder auf einer Oberflächenfunktionalisierung des Parylene basieren. Um schließlich selbstabstimmende MEMS zu erhalten, müssen die mechanischen Eigenschaften der Polymere vorab mittels geeigneter Teststrukturen bestimmt und in ein Entwurfsmodell implementiert werden. Aufbauend auf diesen Daten wird schließlich ein selbstabstimmendes piezoelektrisches oder kapazitives MEMS entworfen, aufgebaut und charakterisiert. Das funktionale System stellt eine Neuheit im Bereich der resonanten MEMS dar.