Nanomassenspektrometer: Ko-resonant gekoppelter massensensitiver Nanoschwinger

• Antragsteller: Dr.-Ing. Jens Twiefel; Professor Dr.-Ing. Marc Christopher Wurz; Professor Dr.-Ing. Stefan Zimmermann
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541658875

Ziel dieses Vorhabens ist die Erarbeitung der wissenschaftlichen Grundlage für die Entwicklung eines neuartigen Nanomassenspektrometers auf Basis massensensitiver, resonant schwingender Nanostrukturen. Bei einem resonant schwingenden Federbalken, der hier als massensensitives Element dienen soll, hängt die erreichbare Massensensitivität und -auflösung maßgeblich von der Eigenmasse, den elastischen Eigenschaften und der Dämpfung ab. Aufgrund der Vorteile bezüglich Anregung und Beobachtung wird hier ein Nanofederbalken in ein ko-resonant schwingendes System integriert, bei dem ein gekoppelter Mikroschwinger piezoelektrisch angeregt und beobachtet wird. Dieser Ansatz erfordert eine genaue Abstimmung der zu koppelnden Eigenmoden. Eine eingehende theoretische Betrachtung und genaue Modellierung der geplanten Geometrie mittels numerischer Simulation ist daher von entscheidender Bedeutung für die Systemauslegung. Im Vergleich zum Stand der Technik soll schon in der Entwurfsphase eine besonders einfache und reproduzierbare Herstellung mit verfügbaren Fertigungstechnologien berücksichtigt werden. Für eine hohe Güte und eine definierte Teilchenbelegung ist zudem ein Betrieb bei reduziertem Druck geplant. Die gezielte zeitliche und örtliche Manipulation der Adsorptions- und Desorptionsprozesse auf der Oberfläche des sensitiven Elements durch Druck und Temperatur soll eine zeitlich steuerbare Massenbelegung mit einer definierten Anzahl an Teilchen ermöglichen. Insbesondere sind mit Hilfe numerischer Simulationen neue Konzepte zur Erzeugung einer örtlich begrenzten Adsorption zu entwickeln, um den Einfluss der Position adsorbierter Teilchen auf die Resonanzfrequenz zu minimieren. Vielversprechend erscheint hier eine geometriebedingte inhomogene Verteilung einer Heizstromdichte im sensitiven Element in Kombination mit einem differentiellen Ansatz, der hier erstmals experimentell untersucht werden soll. Für eine hohe Massenauflösung ist außerdem eine sehr genaue Erfassung des Schwingungszustandes notwendig. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist daher die Entwicklung neuer Anregungs- und Messkonzepte und deren Umsetzung in eine rauscharme Messelektronik. Zu untersuchende Ansätze für die kontinuierliche Erfassung der Resonanzfrequenz sind aktive Oszillatorschaltungen und Phasenregelschleifen. Die wissenschaftliche Herausforderung besteht hier in der tatsächlichen Hardwareumsetzung bei hohen Frequenzen und der genauen Frequenzzählung. Zudem soll erstmals ein neues Konzept zur kontinuierlichen Erfassung der Resonanzfrequenz auf Basis einer Leistungsregelung untersucht werden. Zur Unterdrückung parasitärer Gleichtaktsignale ist ein neuer differentieller Ansatz angedacht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen