A self-exciting micro cantilever structure integrated with piezoresistive sensors for high performance = 압저항 센서가 집적된 self-exciting 마이크로 캔틸레버 제작과
저자
발행사항
광주 : 전남대학교 대학원, 2011
학위논문사항
학위논문(박사)-- 전남대학교 대학원 : 기계공학과 2011. 8
발행연도
2011
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
광주
형태사항
116 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: Dong Weon Lee
소장기관
Microcantilevers as the main components in nanotechnology instruments are increasingly significant in modern electronics system. They can be designed either as actuators or sensors based on various principles widely applied in physical, medical and chemical field. Microcantilever based sensors are irreplaceable in scientific field in nanoscale range for visualization and measurement of different physical quantities. Among the techniques, piezoresistive cantilever sensor is a promising structure to detect ultra small force or other related signals of interest, traceable to the self-test, high sensitivity, plain micromachining process as well as the possible operation in air, vacuum or liquid environment, especially in reducing dimensions for extremely sensitive, low cost, real-time sensing of many chemical and biological species. In this thesis, a self-exciting microcantilever structure integrated with piezoresistive sensing is realized to provide high resolution for nanopositioning, which is patterned from single-crystal Si (SCS) utilizing bulk micro- and nanomachining processes, rather than poly-Si used in traditional U-shape thermal microactuators through multi-user MEMS processes (MUMPs). The integrated displacement sensors can greatly improve the dynamic response, precision performance and reliability of the actuator through a closed-loop mode, which provide excellent tracking with no steady-state error, and the positioning resolution, about 10 nm or less. As a demonstration and validation, it is of great value to draw upon knowledge of fundamental physical concepts from many disciplines and to consider the optimization in its entirety.
There are many influence factors for the optimization and design of the structure either for thermal actuation and piezoresistive sensing, such as geometry, materials, fabrication methods, desired applications and so on, which determine the characteristic of the device and are studied by the analytical method. SCS has a larger gauge factor than that of poly-Si influenced by many parameters, such as the doping type and carrier concentrations etc. The displacement sensitivity is 5 mV per microns or higher depending on not only gauge factor of the material, but also the setting parameters of external electronics. Besides the readout of the piezoresistive sensors, the signal would be also transmitted to a control circuit applied on the thermal microactuator for high accurate movement. This control circuit compares the input signal from the integrated sensor with the desired position signal and continuously adjusts the driver the applied power to ensure the accurate displacement generated by the thermal microactuator.
The accuracy and reproducibility of thermal driven nanopositioining stage depends mainly on the linearity and sensitivity of the positioner. Based on the demonstrated thermal microactuator integrated with piezoresistivesensor, arrays of this self-evaluation microcantilever structures are designed and optimized to be used as a xy-stage, to move the objects of interest on the platform in a two-dimensional space. The optimization is performed through geometry and configurations for amplified tip displacement. An example of the application is the electron transfer investigation on nanomaterials positioned by the xy-stage. A monolithic micro four-point probe (M4pp) with ultra-sharp tips in square configuration for Van der pauw method and Hall effect, is employed to measure the electrical properties on the sample. A good alignment is required between the probe tips and a clover-shaped sample for the measurement. The fabricated stage provides the displacement of 20 μm (geometrical limit) with the driving voltage of 23 V, and resolution of 10 nm or less due to the sensor’s high sensitivity and low noise level.
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