Sensitivitätssteigerung von piezoelektrischen, resonant angetriebenen Mikrosensoren durch digitale Q-Faktorverstärkung

Abstract:
Q-Faktorverstärkung für resonierende Mikrosensoren bedarf eines komplexen analogen Schaltungsaufbaus, sowie einer optischen Messung der Resonatorauslenkung mittels Laserstrahl. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz vorgestellt, der mit Hilfe eines Lock-in Verstärkers ein Rückkopplungssignal extrahiert, welches proportional zu den erzeugten Polarisationsladungen ist. Aufgrund von parasitären Effekten, hervorgerufen durch den Schichtaufbau des piezoelektrischen Sensors besitzt die Resonanzerhöhung der Konduktanz eine Offset-Verschiebung, sowie der Sensor auch eine dominante imaginäre Komponente. Aufgrund der direkten Frequenzabhängigkeit stellt diese Suszeptanz vor allem bei höheren Frequenzen ein Problem dar, da ein größerer Messbereich am Lock-in Verstärker gewählt werden muss. Dies wiederum reduziert die Genauigkeit bei der Messung des Realteils. Zur Verbesserung der Messung wird eine Kompensation der parasitären Effekte vorgestellt, mit der sowohl der Offset in dem Realteil, sowie die dominante Suszeptanz reduziert werden kann. Mit Hilfe der vorgestellten Q-Faktorverstärkung konnte eine Steigerung des QFaktors von 1766 auf 9679 an Luft erzielt werden.