This dissertation investigates dissipation in microelectromechanical (MEMS) resonators via detailed analysis and modeling of the energy loss mechanisms and provides a framework toward creating resonant devices with ultra-low dissipation. Fundamental mechanisms underlying acoustic energy loss are explored, the results of which are applied to understanding the losses in resonant MEMS devices. Losses in the materials, which set the ultimate limits of the achievable quality factor of the devices, are examined. Other sources of loss, which are determined by the design of the resonator, are investigated and applied to example resonant MEMS structures. The most critical of these designable loss mechanisms are thermoelastic dissipation (TED) and support (or anchor) loss of acoustic energy through the attachment of the MEMS device to its external environment. The dissipation estimation framework enables prediction of the quality factor of a MEMS resonator, which were accurate within a factor of close to 2 for high-frequency bulk acoustic wave MEMS resonators, and represents a signficant step forward by closing one of the largest outstanding problems in MEMS devices: how to predict the quality factor for a given device. Dissipation mitigation approaches developed herein address the most critical dominant loss mechanisms identified using the framework outlined above. These approaches include design of 1D phononic crystals (PCs) and novel 3D MEMS structures to trap and isolate vibration energy away from the resonator anchors, optimization of resonator geometry to suppress thermoelastic dissipation, and analysis of required levels of surface polish to reduce surface dissipation. Phononic crystals can be used to manipulate the properties of materials. In the case of the 1D PC linear acoustic bandgap (LAB) structures developed here, this manipulation arises from the formation of frequency stop bands, or bandgapwhich convert silicon from a material capable of supporting acoustic waves to a material which rejects acoustic propagation at frequencies in the bandgap. The careful design of these LAB structures is demonstrated to be able to enhance the quality factor and insertion loss of MEMS resonators without significant detrimental effects on the overall device performance.

A new class of micromachined devices called thin-film piezoelectric-on-substrate (TPoS) resonators is introduced, and the performance of these devices in RF and sensor applications is studied. TPoS resonators benefit from high electromechanical coupling of piezoelectric transduction mechanism and superior acoustic properties of a substrate such as single crystal silicon. Therefore, the motional impedance of these resonators are significantly smaller compared to typical capacitively-transduced counterparts while they exhibit relatively high quality factor and power handling and can be operated in air. The combination of all these features suggests TPoS resonators as a viable alternative for current acoustic devices. In this thesis, design and fabrication methods to realize dispersed-frequency lateral-extensional TPoS resonators are discussed. TPoS devices are fabricated on both silicon-on-insulator and thin-film nanocrystalline diamond substrates. The performance of these resonators in simple and low-power oscillators is measured and compared. Furthermore, a unique coupling technique for implementation of high frequency filters is introduced in which dual resonance modes of a single resonant structure are coupled. The measured results of this work show that these filters are suitable candidates for single-chip implementation of multiple-frequency narrow-band filters with high out-of-band rejection in a small footprint.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung eines neuartigen Konzepts für Herstellung und Handhabung von Mikrofluidiksystemen auf der Basis akustischer Oberflächenwellen (SAW) sowie der Nutzung dieses Konzepts zur Fertigung anwendungsrelevanter Teststrukturen. Schwerpunkte sind dabei unter anderem eine hohe Leistungsbeständigkeit und Lebensdauer der Chipbauelemente und eine hohe technologische Flexibilität bezüglich Herstellung und Einsatz. Ausgehend von einer modularen Betrachtungsweise der Bauelemente wurden vielseitig einsetzbare, elektrisch-optimierte Interdigitalwandler entworfen, verschiedene Herstellungsvarianten für vergrabene Interdigitalwandler hoher Leistungsbeständigkeit auf piezoelektrischen Lithiumniobat-Substraten entwickelt und experimentell verifiziert, ein Sputterverfahren für amorphe SiO2-Dünnschichten hoher Qualität optimiert und eine Federstiftkontakt-Halterung entworfen. Durch Kombination dieser Technologien wurden SAW-Bauelemente für die mikrofluidische Aktorik mit hoher Performance und Reproduzierbarkeit entworfen, charakterisiert und beispielhaft für das elektroakustische Zerstäuben von Fluiden und das Mischen in Mikrokanälen eingesetzt.:i Kurzzusammenfassung . 5 ii Abstract. 5 iii Inhaltsverzeichnis . 7 iv Abkürzungen und Symbole . 9 1 Überblick . 11 2 Grundlagen und Stand der Technik . 13 2.1 Mikrofluidik . 13 2.1.1 Vom Labor zum Chiplabor . 13 2.1.2 Besonderheiten in miniaturisierten Fluidvolumina . 16 2.2 SAW-basierte Mikrofluidiksysteme . 18 2.2.1 Akustische Oberflächenwellen (SAW) . 18 2.2.2 SAW-Mikrofluidik . 19 2.2.3 SAW-induzierte Strömung ("Acoustic Streaming") . 22 2.2.4 Anforderungen an SAW-basierte Mikrofluidiksysteme . 24 2.2.5 Schädigung SAW-basierter Mikrofluidiksysteme . 26 2.3 Dünnschichten für SAW-basierte Mikrofluidiksysteme . 28 2.3.1 Überblick . 28 2.3.2 Metallisierungssysteme für Interdigitalwandler . 28 2.3.3 Amorphe SiO2-Schichten . 30 2.3.4 Deck- und Funktionsschichten . 32 3 Analysemethoden . 35 4 Technologiekonzept für SAW-basierte Mikrofluidiksysteme . 47 4.1 Modulare Systembeschreibung . 47 4.2 Substratmodul . 50 4.3 Transducermodul . 52 4.3.1 Layout der PSAW-Chipbauelemente . 52 4.3.2 Reinigungsverfahren . 53 4.3.3 Übersicht der untersuchten Herstellungsverfahren . 54 4.3.4 Nasschemisches Ätzverfahren für Al/Ti . 56 4.3.5 Lift-Off Verfahren für Al/Ti . 62 4.3.6 Damaszentechnik für Al2O3/Cu/Ta-Si-N . 65 4.3.7 Vergleich der Herstellungsverfahren . 72 4.4 Funktionsmodul . 75 4.4.1 Hochqualitative SiO2-Schichten . 75 4.4.2 Mikrokanäle . 88 4.4.3 Silanisierung. 88 4.5 Handlingmodul . 90 5 Realisierung und Charakterisierung SAW-basierter Fluidaktoren . 93 5.1 Flexibles Layout für Aktorik-Chipbauelemente . 93 5.2 Chiplayouts für spezielle Anwendungen . 95 5.2.1 Chiplayouts zur IDT-Charakterisierung . 95 5.2.2 Chiplayouts für stehende Wellenfelder . 96 5.2.3 Chiplayouts für "SAW-Stabmixer" . 98 5.2.4 Chiplayouts für tropfenbasierte Fluidik auf Oberflächen . 99 5.3 Wärmeeintrag in Fluide durch "acoustic streaming" . 101 5.4 SAW-basierte Fluidzerstäubung . 104 6 Zusammenfassung & Ausblick . 111 v Literaturverzeichnis . 115 vi Abbildungsverzeichnis . 123 vii Tabellenverzeichnis . 128 viii Selbstständigkeitserklärung . 129 ix Anhang . 131 A1 Bestimmung der Abtragsrate beim Cu-CMP . 131 A2 Ellipsometrie-Modell . 133 A3 "Thin plate spline" Methode für räumlich verteilte Messwerte . 134 A4 Modell des Kammerdrucks . 134 A5 Verzeichnis weiterer Formeln . 136 A6 Visual Basic Programm zur Aerosolcharakterisierung . 138 A7 Visual Basic Programm zur Steppplan-Generierung . 144