Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4250
Main Title: Untersuchung schwingender Mikrostrukturen mittels dynamischer Rasterelektronenmikroskopie
Subtitle: Experiment und Theorie
Translated Title: Analysis of vibrating microstructures using dynamic scanning electron microscopy
Translated Subtitle: experiment and theory
Author(s): Schröter, Maria-Astrid
Referee(s): Lehmann, Michael
Sturm, Heinz
Metzler, Ralf
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die vorgelegte Arbeit zeigt die Ausarbeitung und die Überprüfung einer Theorie, mit welcher die Ergebnisse aus einem neu entwickelten Mess-Verfahren (DySEM-Technik) beschrieben werden können. Mit dem Begriff "DySEM"(Dynamic Scanning Electron Microscopy) wird ein experimentelles Verfahren bezeichnet, bei dem ein Elektronenstrahl als Mess-Sonde über einem mikroskaligen Schwinger verfahren wird, wobei die Schwingung durch eingesetzte Lock-In Technik frequenzaufgelöst dargestellt werden kann. Neben dem klassischen Sekundärelektronen-Signal wird zur Bildgebung auch der Anteil aus dem Signal genutzt, der sich anregungssynchron ändert. Die DySEM-Technik ermöglicht eine direkte Visualisierung der Schwingungsdynamik der oszillierenden Struktur, da zwischen unterschiedlichen Eigenmoden (flexural, torsional) als auch den jeweiligen höheren Harmonischen optisch eindeutig unterschieden werden kann. Damit bietet sich dieses Verfahren als ein Werkzeug der Modal-Analyse mikroskaliger Schwinger an, welche in mikro- bzw. nanoelektromechanischen Systemen (MEMS bzw. NEMS) häufig Verwendung finden und bei denen eine Optimierung der Designparameter oft erst durch die Bildgebung der Schwingung zu erreichen ist. Zusätzlich zeigen die DySEM-Bilder charakteristische Amplituden-abhängige Bildmerkmale, die theoretisch verstanden werden müssen. Prinzipiell ist die DySEM-Technik nicht an den Elektronenstrahl als Mess-Sonde gekoppelt. Allerdings erweist sich gerade im Zuge fortschreitender Miniaturisierung mit immer kleinskaligeren Schwingern eine elektronenoptische Orts-Auflösung als günstig. Bei der theoretischen Analyse des Abbildungsmechanismus liegt der Fokus auf der Untersuchung der raum-zeitlichen Dynamik der Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl und der periodisch darunter hinweg schwingenden Mikrostruktur, für die erstmals ein umfängliches Modell abgeleitet werden konnte, wodurch die detaillierte Interpretation der experimentellen Ergebnisse möglich wurde. Zusätzlich spielen lokale Eigenschaften (Materialeigenschaften) des Schwingers eine Rolle. Ebenso müssen die Beiträge von Energieverlustmechanismen zur Bildgebung berücksichtigt werden. Um die bildgebenden Gleichungen explizit ableiten zu können, beschränkt sich die mathematische Analyse in dieser Arbeit auf die Annahme eines frei oszillierenden, einseitig geklemmten Schwingers ohne Wechselwirkung mit Materie, wie es im DySEM-Experiment durch die Bildgebung im Hochvakuum angenähert wird. Die aufgrund dieses Modells simulierten DySEM-Bilder stimmen mit den experimentell gewonnenen Ergebnissen qualitativ und quantitativ gut überein. Erst das theoretische Modell des bildgebenden Prozesses ermöglicht es, aus dem DySEM-Verfahren ein quantitatives Analyse-Instrument zu machen. Ohne ein solches Verständnis des Zusammenhangs zwischen Bild-Kontrast und Interaktions-Geometrie ist eine quantitative Interpretation der DySEM-Bilder kaum möglich. Denn nur wenn die Unterscheidung zwischen der Nichtlinearität von Bildgebung und der Nichtlinearität eines Mess-Signals eindeutig ist, gelingt die Abgrenzung von linearen und nichtlinearen Effekten der mechanischen Schwingung mit Hilfe der DySEM-Technik. Das bedeutet, dass allein der Vergleich des gemessenen Abbildungsprofils des Schwingers mit der Form, welche die lineare Theorie vorhersagt, aussagekräftig ist. Die Analyse der Bildgebung der schwingenden Mikrostruktur mittels Rasterelektronenmikroskopie wird damit in der vorgelegten Arbeit in einer Kombination von Experiment, Theorie und Simulation erreicht.
The thesis presented shows the development and verification of a theory, with which the results of a newly developed measuring method (DySEM technique) can be described. The term "DySEM"(Dynamic Scanning Electron Microscopy) denotes an experimental procedure for measuring the vibrational dynamics of a microscale oscillator using a scanning electron beam. In addition to the classical secondary electron (SE) signal, the dynamic part of the signal can be obtained using a lock-in amplifier synchronized to the excitation frequency. The DySEM technique enables the direct observation of freely vibrating structures, including several modes in the normal and torsional direction as well as their higher harmonics. Thus, this method is a tool of modal analysis of microscale structure in oscillation, which is frequently used in micro- and nanoelectromechanical systems (MEMS and NEMS) and where an optimization of the design parameters often only can be achieved by imaging the vibration. Additionally, the DySEM images contain characteristic amplitude-dependent image features that need to be understood theoretically. Thanks to the precise local definition of electron beam and to lock-in technique the vibration images exhibit high spatial resolution. Thus, in the framework of progressing miniaturization of vibrating structures an electron-optical resolution is proved to be advantageously. In this framework a new quantitative theoretical model is proposed for the interpretation of the characteristic properties of the obtained measurements. The model of imaging generating mechanism relates the experimental images to the spatio-temporal interaction between electron beam and periodically vibrating microstructure. So, for the first time the detailed interpretation of the experimental results was possible. In addition, local properties (material properties) of the micro-oscillator are important. Similarly, the contributions of energy loss mechanisms must be considered for imaging. To explicitly derive the imaging equations, the mathematical analysis is limited in this work to the adoption of a free oscillating unilaterally clamped oscillator without interaction with matter, as it is approximated in DySEM experiment by imaging in high vacuum. Simulated images show very good qualitatively and quantitatively correspondence to the experimental data. First the theoretical model of the imaging process makes it possible to use the DySEM-technique as a quantitative analysis tool. Without such an understanding of the relationship between image contrast and interaction geometry, a quantitative interpretation of the DySEM images is hardly possible. The advantage of DySEM technique is the ability to distinguish between artefacts based on the imaging process and features which carry relevant information (i.e. nonlinear mechanical behavior of the micro-oscillator). The analysis of the imaging of oscillating microstructures by means of scanning electron microscopy is thereby achieved in this work presented as a combination of experiment, theory and simulation.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-58836
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4547
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4250
Exam Date: 15-Sep-2014
Issue Date: 25-Nov-2014
Date Available: 25-Nov-2014
DDC Class: 531 Klassische Mechanik; Festkörpermechanik
Subject(s): Bildentstehung
Bildgebung
Dynamische Rasterelektronenmikroskopie
DySEM
Federbalken
Modalanalyse
Schwingende Mikrostrukturen
Theoretisches Modell
Vibrating microstructures
Cantilever
Dynamic Scanning Electron Microscopy
Imaging
Modal analysis
Theoretical model
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