Zerstörungsfreie Charakterisierung mikromechanischer Strukturen für produktionsbegleitende Anwendungen:
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Halle (Saale)
Fraunhofer Inst. für Werkstoffmechanik IWM
2012
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INHALTSVERZEICHNIS
1 EINLEITUNG 1
1.1 MOTIVATION 1
1.2 ZIELSETZUNG 4
1.3 GLIEDERUNG DER ARBEIT 5
2 GRUNDLAGEN U N D S T A N D DER TECHNIK 7
2.1 HERSTELLUNG MIKROMECHANISCHER STRUKTUREN 7
2.2 GRUNDSTRUKTUREN DER SILICIUINNIIKRONIECHANIK 10
2.3 WERKSTOFFE DER SILICIUNMIIKROINECHANIK 11
2.3.1 MONOKRISTALLINES SILICIUM 12
2.3.2 DUENNE SCHICHTWERKSTOFFE 13
2.4 MECHANIK DES BIEGEBALKENS 14
2.4.1 BALKENBIEGUNG 14
2.4.2 TRANSVERSALE BALKENSCHWINGUNGEN 18
2.5 GRUNDLAGEN DER PLATTENTHEORIE 22
2.5.1 VERFORMUNGEN VON PLATTEN 22
2.5.2 PLATTENSCHWINGUNGEN 2G
2.5.3 SCHWINGENDE MEMBRANEN 28
2.6 ZERSTOERUNGSFREIE CHARAKTERISIERUNGSMETHODEN 29
2.6.1 OPTISCHE MIKROSKOPIE 29
2.6.2 WEISSLICHTIUTERFERONIETRIE 30
2.6.3 LASER-DOPPLER-VIBROMETRIE 33
2.6.4 QUASI-ZERSTOERUNGSFREIE METHODEN 34
2.7 ANSAETZE DER ZERSTOERUNGSFREIEN CHARAKTERISIERUNG 36
2.7.1 SYSTEMCHARAKTERISIERUNG MIT STATISCHEN MESSGROESSEN 37
2.7.2 DYNAMISCHE SYSTEMCHARAKTERISIERUNG 38
2.8 GRUNDLAGEN DER PARANIETERIDENTIFIKATION 40
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IMAGE 2
VI
INHALTSVERZEICHNIS
3 EXPERIMENTELLE TECHNIKEN 4 3
3.1 ZERSTOERUNGSFREIE MESSMETHODEN 43
3.1.1 MESSUNG VON TOPOGRAPHIEN UND DEFORMATIONEN 43
3.1.2 DYNAMISCHE UNTERSUCHUNGEN 44
3.2 VERGLEICHSUNTERSUCHUNGEN 46
3.2.1 PRAEPARATION UND ANALYSE VON QUERSCHLIFFEN 47
3.2.2 INSTRUMENTIERTE EINDRINGPRUEFUNG 47
3.2.3 METHODE DER BALKENBIEGUNG 47
4 UNTERSUCHUNGEN A N BALKEN-, P L A T T E N - U N D MEMBRANSTRUKTUREN 4
9
4.1 PROBENBESCHREIBUNG 49
4.1.1 POLYKRISTALLINE SILICIUMBALKEN 49
4.1.2 GEBONDETE SILICIUMPLATTENSTRUKTUREN 50
4.1.3 MEMBRANSTRUKTUREN AUS ALUNIINIUNNIITRID 51
4.2 BEWERTUNG DER EINSETZBAREN CHARAKTERISIERUNGSINOEGLICHKEITEN 52
4.2.1 DIREKTE MESSUNGEN DURCH MIKROSKOPISCHE UNTERSUCHUNGEN 53
4.2.2 TOPOGRAPHISCHE METHODEN 54
4.2.3 DYNAMISCHE METHODEN 54
4.3 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN AN SILICIUMBALKEN 55
4.3.1 UNTERSUCHUNG DER BALKENTOPOGRAPHIE 55
4.3.2 CHARAKTERISIERUNG DES EIGENSCHWINGVERHALTENS 58
4.3.3 VERGLEICHENDE UNTERSUCHUNGEN 62
4.4 CHARAKTERISIERUNG DER PLATTENSTRUKTUREN 64
4.4.1 UNTERSUCHUNG DER PLATTENDEFORINATION 64
4.4.2 UNTERSUCHUNG DER DYNAMISCHEN EIGENSCHAFTEN 67
4.4.3 ZERSTOERENDE VERGLEICHSUNTERSUCHUNGEN 75
4.5 UNTERSUCHUNG DER MEMBRANSTRUKTUREN 76
4.6 IDENTIFIKATIONEN UNBEKANNTER PARAMETER 79
4.G.1 PARAMETERIDENTIFIKATIONEN A N BALKENSTRUKTUREN 79
4.6.2 GEOINETRIEKENNWERTENUITTLUNGEN AN PLATTENSTRUKTUREN 86
4.6.3 ERMITTLUNG DER EIGENSPANNUNGEN VON MEMBRANEN 89
5 UNTERSUCHUNGEN A N MIKROSYSTEMEN M I T STRUKTURELLEN FEHLERN 9 1
5.1 EINTEILUNG STRUKTURELLER FEHLER 91
5.2 UNTERSUCHUNG DER AUSWIRKUNGEN STRUKTURELLER SCHAEDEN AN
BALKENSTRUKTUREN . 92
5.2.1 ANHAFTEN UND NICHT VOLLSTAENDIGES FREILEGEN VON BALKEN 92
5.2.2 BALKEN MIT SCHAEDIGUNGEN IM EINSPANNBEREICH 93
IMAGE 3
INHALTSVERZEICHNIS VII
5.3 UNTERSUCHUNG DER AUAWIRKUNGEN VON RISSEN A N PLATTENSTRUKTUREN 94
5.3.1 BESCHREIBUNG DER GENUTZTEN PROBEN 94
5.3.2 NUMERISCHE ANALYSE DER RISSAUSWIRKUNGEN 95
5.3.3 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN 99
5.4 PLATTENSTRUKTUREN MIT FORMABWEICHUNGEN 103
5.4.1 BESCHREIBUNG DER PLATTEN MIT FORMABWEICHUNGEN 103
5.4.2 MIKROSKOPISCHE VORUNTERSUCHUNGEN 104
5.4.3 NUMERISCHE UNTERSUCHUNG DER FEHLERSTRUKTUREN 104
5.4.4 EXPERIMENTELLE CHARAKTERISIERUNG DER FEHLERSTRUKTUREN 108
5.5 UNTERSUCHUNG DER AUSWIRKUNGEN VON RUECKSTAENDEN AN PLATTENSTRUKTUREN .
. 111
5.5.1 BESCHREIBUNG DER GENUTZTEN STRUKTUREN 111
5.5.2 MIKROSKOPISCHE VORUNTERSUCHUNGEN 112
5.5.3 NUMERISCHE VORBETRACHTUIIGEN 113
5.5.4 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNG DES SCHWINGVERHALTENS 114
5.6 BEWERTUNG DER UNTERSUCHUNGEN AN FEHLERSTRUKTURELL 117
6 B E W E R T U N G PRODUKTIONSNAHER EINSATZMOEGLICHKEITEN 119
6.1 BEWERTUNG DER UNTERSUCHTEN METHODEN 119
6.1.1 TOPOGRAPHISCHE UNTERSUCHUNGSMETHODEN 119
6.1.2 DYNAMISCHE SYSTEMCHARAKTERISIERUNG 120
6.2 FERTIGUNGSNAHE ANWENDUNGSNIOEGLICHKEITEN 122
6.2.1 EINSATZMOEGLICHKEITEN 122
6.2.2 AUFSTELLUNG VON ANFORDERUNGEN FUER MESSAUTONIATISIERUNGEN 123
7 ZUSAMMENFASSUNG U N D AUSBLICK 1 2 7
LITERATURVERZEICHNIS 1
T H E S E N X I
A N G A B E N ZUR P E R S O N X I I I
ERKLAERUNG X V
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