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Modelado y desarrollo de microcantilevers resonantes para sensores

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.

Identiferoai:union.ndltd.org:TDX_UAB/oai:www.tdx.cat:10803/32101
Date25 October 2010
CreatorsNarducci Marín, Margarita Sofía
ContributorsFigueras Costa, Eduardo, Universitat Autònoma de Barcelona. Departament d'Enginyeria Electrònica
PublisherUniversitat Autònoma de Barcelona
Source SetsUniversitat Autònoma de Barcelona
LanguageSpanish
Detected LanguageSpanish
Typeinfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion
Format186 p., application/pdf
SourceTDX (Tesis Doctorals en Xarxa)
Rightsinfo:eu-repo/semantics/embargoAccess, ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.

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