Modelado y desarrollo de microcantilevers resonantes para sensores

Abstract

Esta tesis está enfocada en el diseño, simulación, fabricación y caracterización de sensores de masa basados en microcantilevers de silicio. Los cantilevers con forma de T son diseñados como estructuras formadas por 3 vigas unidas en su extremo por medio de una masa rectangular extra. Los cantilevers son excitados para alcanzar su resonancia mecánica, en modo flexión perpendicular al sustrato, con un piezoactuador PZT pegado en la parte posterior del sustrato y la frecuencia de resonancia es monitoreada por cuatro piezoresistencias configuradas en un puente de Wheastone. Diversos cantilever son fabricados variando su proceso de fabricación, dimensiones y geometrías, su operación es verificada y su desempeño mecánico y eléctrico evaluado. El desempeño del dispositivo es comparado con los valores obtenidos del modelo analítico y de las simulaciones con ANSYS, obteniendo buena concordancia. Se seleccionan las dos estructuras con los mayores valores de frecuencia de resonancia y factor de calidad. Para el primer cantilever, de 400μm de largo, 300μm ancho y 15μm de espesor, la frecuencia de resonancia, del primer y segundo modo de vibración, se encuentra en 97kHz y 690kHz respectivamente, ambos con un factor de calidad de ~800. Para el segundo cantilever, de 200μm de largo, 150μm ancho y 15μm de espesor, la frecuencia de resonancia fundamental se encuentra en 400kHz con un factor de calidad de ~900. Los dispositivos son caracterizados como sensores de masa al adherir microesferas de poliestireno a la superficie del cantilever y medir los cambios en la frecuencia. Para el primer cantilever, los valores de sensibilidad de masa son: 12,4pg/Hz y 3,1pg/Hz para el primer y el segundo modo respectivamente y 0,8pg/Hz para el segundo cantilever. Además, los cantilevers son caracterizados como sensores de gas al recubrir su superficie con PDMS, exponerlos a vapor de etanol y medir los cambios en la frecuencia. Para la primera y segunda estructura, el valor de sensibilidad al etanol es de 13,2ppm/Hz y 0,6ppm/Hz respectivamente. Estos resultados ilustran el alto potencial para utilizar estas sencillas estructuras como plataforma en aplicaciones sensitivas.

This work has been focused on the design, simulation, fabrication and characterization of silicon microcantilevers based mass sensors. The T-shape cantilever was designed as a structure formed by 3 cantilevers that are hold together by means of an extra rectangular mass. Cantilevers were driven at their mechanical resonance in flexural mode perpendicular to the substrate by a ceramic-insulated multilayer piezoactuator PZT glued at the backside and the resonance frequency was monitored by reading the signal generated by four piezoresistors in a Wheatstone bridge configuration. Several cantilevers structures have been fabricated with different process, dimensions and geometries, its operation verified and their mechanical and electrical performance evaluated. Device performance was compared with analytical model and simulation predictions obtained using ANSYS achieving good agreement. Two different structures were selected based on the high resonance frequency and quality factor values. For the first cantilever of 400μm long, 300μm wide and 15μm thick, the fundamental and second resonance frequency in air were 97kHz and 690kHz respectively, both with a quality factor of ~800. And for the second cantilever of 200μm long, 150μm wide, 15μm thick the fundamental resonance frequency in air was 400kHz with a quality factor of ~900. The devices were characterized as mass sensor attaching microspheres of polystyrene to the cantilever’s surface tip and measuring resonance frequency changes. For the first cantilever mass sensitivity values of 12,4pg/Hz and 3,1pg/Hz for the fundamental and second mode respectively were achieved and 0,8pg/Hz for the second cantilever. Also the cantilevers were characterized as gas sensor, covering the cantilever’s surface tip with PDMS, exposing it to ethanol vapor and measuring resonance frequency changes. For the first cantilever ethanol sensitivity values of 13,2ppm/Hz were achieved and 0,6ppm/Hz for the second cantilever. These results show the great potential for high sensitive sensor of this simple device.