Characterization of nanomechanical resonators based on silicon nanowires
Els sensors de massa nanomecànics han atret un gran interès darrerament per la seva alta sensibilitat, que ve donada per les petites dimensions del ressonador que actua com a element sensor. Aquesta tesi tracta sobre la fabricació i caracterització de ressonadors nanomecànics per a aplicacions de se...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2013 |
| País: | España |
| Institución: | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Repositorio: | Dipòsit Digital de Documents de la UAB |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:ddd.uab.cat:115371 |
| Acceso en línea: | https://ddd.uab.cat/record/115371 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Sistemes nanoelectromecànics Ressonadors Nanofils |
| Sumario: | Els sensors de massa nanomecànics han atret un gran interès darrerament per la seva alta sensibilitat, que ve donada per les petites dimensions del ressonador que actua com a element sensor. Aquesta tesi tracta sobre la fabricació i caracterització de ressonadors nanomecànics per a aplicacions de sensat de massa. Aquest objectiu inclou diferents aspectes: 1) el desenvolupament d'una tecnologia de fabricació per a ressonadors nanomecànics basats en nanofils de silici, 2) la caracterització de la seva resposta freqüencial utilitzant mètodes elèctrics i 3) l'avaluació del seu rendiment com a sensors de massa. Durant aquest treball hem fabricat ressonadors nanomecànics basats en nanofils de silici doblement fixats, utilitzant dues estratègies de fabricació diferents: els nanofils crescuts amb mètodes bottom-up ("de baix a dalt"), i els definits amb mètodes de litografia top-down ("de dalt a baix"). Aprofitant les característiques d'ambdues tècniques, hem fabricat nanofils amb dimensions laterals de fins a 50 nanòmetres, i amb un alt nombre de dispositius per xip, aconseguint un alt grau de rendiment per a estructures d'aquestes dimensions. Hem aplicat esquemes avançats de detecció elèctrica basats en la mescla de senyals cap a freqüències baixes per tal de caracteritzar la resposta freqüencial dels ressonadors. Hem demostrat que el mètode de freqüència modulada (FM) proporciona la millor eficiència en la transducció de l'oscil·lació mecànica en una senyal elèctrica. Aquesta tècnica ha permès detectar múltiples modes de ressonància del ressonador, a freqüències de fins a 590 MHz. La detecció de modes de ressonància superiors és important per tal de solucionar una de les principals problemàtiques en el camp dels sensors de massa nanomecànics: desacoblar els efectes de la posició i la massa de la partícula dipositada. També hem combinat la informació obtinguda de la caracterització elèctrica amb simulacions d'elements finits per tal de quantificar l'estrès acumulat als nanofils durant la seva fabricació. Hem estudiat els sistemes de transducció electromecànica en ressonadors basats en nanofils de silici comparant l'eficiència de tres mètodes de detecció: el mètode FM ja esmentat i els mètodes de dos generadors, 1ω i de dos generadors, 2ω. D'aquesta manera hem demostrat que dos mecanismes de transducció diferents coexisteixen en els nanofils de silici bottom-up: el mecanisme lineal (en què la senyal transduïda és proporcional al moviment del ressonador) i el quadràtic (en què la senyal transduïda és proporcional al quadrat del moviment del ressonador). Per altra banda, en els ressonadors top-down només és present el mecanisme de transducció lineal. Aquest mecanisme lineal és el que permet la gran eficiència del mètode FM per a la caracterització de la resposta freqüencial de ressonadors basats en nanofils de silici. Per tal d'utilitzar els ressonadors nanomecànics com a sensors de massa, el seguiment de la freqüència de ressonància en temps real és indispensable. Hem dissenyat i implementat una configuració en llaç tancat basada en la caracterització FM i un algorisme de detecció de pendent. Aquest sistema permet el seguiment de canvis en la magnitud i freqüència de la resposta del ressonador, possibilitant la detecció de massa en temps real i la caracterització de l'estabilitat temporal del sistema. D'aquesta manera s'ha pogut avaluar l'eficiència del sistema per a aplicacions de sensat de massa. La sensibilitat en massa dels sensors de dimensions més reduïdes és de l'ordre de 6 Hz/zg (1 zg = 6·10-21 g), i les mesures d'estabilitat en freqüència en llaç tancat mostren una resolució en massa de 6 zg a temperatura ambient. |
|---|