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Mikroelektromechanischer Sensor zur Detektion und Charakterisierung von luftgetragenen Nanopartikeln

Die Dissertation behandelt die Entwicklung eines MEMS basierenden, gravimetrischen Nanopartikelsensors, zur Detektion und Größenklassifizierung von luftgebundenen ultrafeinen Partikeln (<100nm) bei Massenkonzentrationen <10µg/m3. Der Sensor besteht aus einem Array von mikromechanischen Silizium-Cantilever-Resonatoren mit integrierter, piezoresistiver Auslesung, die sich an den Enden von in den Sensor-Chip integrierten µ-Kanälen befinden. Nanopartikel werden durch Elektroden auf den Cantilevern elektrostatisch aus der Luft gesammelt. Durch Verfolgung der Resonanzfrequenzen kann die Masse der abgelagerten Partikel und Partikelmassekonzentrationen in der Luft bestimmt werden. Der Sensor ist mit Verfahren der Mikrosystemtechnik hergestellt, das Sensorkonzept und -design wurden durch Unterstützung von Finite Elemente Modelling optimiert. Für die Fertigung ist ein neuer Front-Side-Release Prozess entwickelt worden mit dem freistehende Mikrostrukturen in einem Prozessschritt durch Tieftemperatur reaktives Ionenätzen ohne zusätzliche Passivierungsschritte erzeugt werden können. In Referenzmessungen konnte eine Sammeleffizienz von 12,6% und eine Nachweisgrenze der Partikelmassekonzentration von 0,75µg/m³ gezeigt werden. Durch die Variation der Sammelspannung konnten verschiedene Sammeleffizienzen für unterschiedliche Partikelgrößen erzielt und Partikelgrößenverteilung in sechs Größenklassen (von 19nm bis 523nm) nachgebildet werden. Neben der Entwicklung des Nanopartikelsensors beinhaltet die Arbeit die Beschreibung der Auswirkungen von parasitären Einflüssen auf das Resonanzverhalten mikromechanischer Resonatoren und deren elektronische Auslesung, Maßnahmen zur Kompensation und die Analyse asymmetrischer Resonanzkurven.