High-sensitivity linear piezoresistive transduction for nanomechanical beam resonators

Highly sensitive conversion of motion into readable electrical signals is a crucial and challenging issue for nanomechanical resonators. Efficient transduction is particularly difficult to realize in devices of low dimensionality, such as beam resonators based on carbon nanotubes or silicon nanowires, where mechanical vibrations combine very high frequencies with miniscule amplitudes. Here we describe an enhanced piezoresistive transduction mechanism based on the asymmetry of the beam shape at rest. We show that this mechanism enables highly sensitive linear detection of the vibration of low-resistivity silicon beams without the need of exceptionally large piezoresistive coefficients. The general application of this effect is demonstrated by detecting multiple-order modes of silicon nanowire resonators made by either top-down or bottom-up fabrication methods. These results reveal a promising approach for practical applications of the simplest mechanical resonators, facilitating its manufacturability by very large-scale integration technologies. © 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.This work was partially funded by the projects SNM (FP7-ICT-2011-8), FORCE-for-FUTURE (CSD2010-00024), ANEM (TEC2009-14517-C02-01), SGR-NANOFABRICACION (2009 SGR 265), SiNSoC (MAT2011-15159-E). M.S. acknowledges the FPU grant (Ref. AP2008-03849).Peer Reviewe

Top-down CMOS-NEMS polysilicon nanowire with piezoresistive transduction

A top-down clamped-clamped beam integrated in a CMOS technology with a cross section of 500 nm × 280 nm has been electrostatic actuated and sensed using two different transduction methods: capacitive and piezoresistive. The resonator made from a single polysilicon layer has a fundamental in-plane resonance at 27 MHz. Piezoresistive transduction avoids the effect of the parasitic capacitance assessing the capability to use it and enhance the CMOS-NEMS resonators towards more efficient oscillator. The displacement derived from the capacitive transduction allows to compute the gauge factor for the polysilicon material available in the CMOS technology

Caracterització d'oscil·ladors basats en CMOS-M/NEMS i la seva aplicació com a sensors de massa

El present projecte tracta sobre la caracterització d'oscil·ladors basats en ressonadors micro/nanoelectromecànics (M/NEMS) i la seva aplicació com a sensors de massa. Els oscil·ladors utilitzats es basen en un pont i una palanca ressoants M/NEMS, integrats en tecnologia CMOS. En primer lloc s'ha fet una introducció teòrica als conceptes utilitzats per a entendre el funcionament i la caracterització dels dispositius. A continuació s'han realitzat proves per tal de caracteritzar els paràmetres importants per a l'ús dels oscil·ladors com a sensors de massa, com la seva estabilitat en freqüència. Per acabar s'han aplicat aquests sensors en la caracterització i modelització del flux de massa a través d'obertures de dimensions micromètriques.El presente proyecto trata sobre la caracterización de osciladores basados en resonadores micro/nanoelectromecánicos (M/NEMS) y su aplicación como sensores de masa. Los osciladores utilizados se basan en un puente y una palanca resonantes M/NEMS, integrados en tecnología CMOS. En primer lugar se ha realizado una troducción teórica a los conceptos utilizados para entender el funcionamiento y caracterización de los dispositivos. A continuación se han realizado pruebas para caracterizar los parámetros importantes para el uso de los osciladores como sensores de masa, como su estabilidad en frecuencia. Para terminar, se han aplicados estos sensores en la caracterización y modelado del flujo de masa a través de aperturas de dimensiones micrométricas.The aim of the present project is the characterization of micro/nanoelectromechanical (M/NEMS)-based oscillators and their application as mass sensors. The studied oscillators are based on a bridge and a cantilever resoant M/NEMS, integrated in CMOS technology. Firstly, an introduction to the concepts used to understand the operation and characterization of the devices has been written. Then important parameters for the oscillator working as a mass sensor, like his frequency stability, have been characterized. Finally, the sensors have been used in the characterization of flux passing through micrometer-size apertures.Nota: Aquest document conté originàriament altre material i/o programari només consultable a la Biblioteca de Ciència i Tecnologia

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 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.Nanomechanical mass sensors have attracted interest during the last years thanks to their unprecedented sensitivities, which arise from the small dimensions of the resonator which comprises the sensing element. This thesis deals with the fabrication and characterization of nanomechanical resonators for mass sensing applications. This objective comprises three different aspects: 1) the development of a fabrication technology of nanomechanical resonators based on silicon nanowires (SiNW), 2) the characterization of their frequency response by electrical methods and 3) the evaluation of their performance as mass sensors. During this work, we have fabricated nanomechanical resonators based on SiNW clamped-clamped beams, using two different approaches: bottom-up growth of SiNW and top-down definition by lithography methods. By exploiting the advantages of each technique, we have succeeded in fabricating nanowires of small lateral dimensions, in the order of 50 nanometers, and with high number of devices per chip, achieving a high throughput taking into account the dimensions of these structures. We have applied advanced electrical detection schemes based on frequency down-mixing techniques for the characterization of the frequency response of the devices. We have found that the frequency modulation (FM) detection method provides the best efficiency in transducing the mechanical oscillation into an electrical signal. This technique has enabled the detection of multiple resonance modes of the resonator at frequencies up to 590 MHz. The detection of high modes of resonance is important to address one of the issues in nanomechanical mass sensing, decoupling the effects of the position and mass of the deposited species. Moreover, by combining the information obtained from the experimental characterization of the frequency response with FEM simulations, we have quantified the stress accumulated in the SiNWs during the fabrication. We have studied the electromechanical transduction mechanisms in SiNW resonators by the comparative performance of three electrical detection methods: the aforementioned FM and two more detection techniques (namely the two-source, 1ω and the two-source, 2ω). We have proved that two different transduction mechanisms co-exist in bottom-up grown SiNWs: linear (in which the transduced signal is proportional to the motion of the resonator) and quadratic (in which the transduced signal is proportional to the square of the motion of the resonator). On the other hand, in the top-down nanowires only the linear transduction mechanism is present. It is this newly found linear transduction which enables the outstanding performance of the FM detection method when characterizing the frequency response of SiNW resonators. For the use of nanomechanical resonators in mass sensing applications, the real-time tracking of their resonance frequency is needed. We have designed and implemented a novel closed-loop configuration, based on the FM detection technique and a slope detection algorithm. It allows the monitoring of changes in the magnitude and the frequency of the response of the resonator, enabling not only the real time detection of mass, but also the characterization of the temporal stability of the system. In this way, its overall performance for mass sensing applications has been characterized. The mass sensitivity of the system for the smallest resonators stands in the range of 6 Hz/zg (1 zg = 6·10-21 g) and the frequency stability measurements in the closed loop configuration reveal a mass resolution of 6 zg at room temperature

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 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.Nanomechanical mass sensors have attracted interest during the last years thanks to their unprecedented sensitivities, which arise from the small dimensions of the resonator which comprises the sensing element. This thesis deals with the fabrication and characterization of nanomechanical resonators for mass sensing applications. This objective comprises three different aspects: 1) the development of a fabrication technology of nanomechanical resonators based on silicon nanowires (SiNW), 2) the characterization of their frequency response by electrical methods and 3) the evaluation of their performance as mass sensors. During this work, we have fabricated nanomechanical resonators based on SiNW clamped-clamped beams, using two different approaches: bottom-up growth of SiNW and top-down definition by lithography methods. By exploiting the advantages of each technique, we have succeeded in fabricating nanowires of small lateral dimensions, in the order of 50 nanometers, and with high number of devices per chip, achieving a high throughput taking into account the dimensions of these structures. We have applied advanced electrical detection schemes based on frequency down-mixing techniques for the characterization of the frequency response of the devices. We have found that the frequency modulation (FM) detection method provides the best efficiency in transducing the mechanical oscillation into an electrical signal. This technique has enabled the detection of multiple resonance modes of the resonator at frequencies up to 590 MHz. The detection of high modes of resonance is important to address one of the issues in nanomechanical mass sensing, decoupling the effects of the position and mass of the deposited species. Moreover, by combining the information obtained from the experimental characterization of the frequency response with FEM simulations, we have quantified the stress accumulated in the SiNWs during the fabrication. We have studied the electromechanical transduction mechanisms in SiNW resonators by the comparative performance of three electrical detection methods: the aforementioned FM and two more detection techniques (namely the two-source, 1ω and the two-source, 2ω). We have proved that two different transduction mechanisms co-exist in bottom-up grown SiNWs: linear (in which the transduced signal is proportional to the motion of the resonator) and quadratic (in which the transduced signal is proportional to the square of the motion of the resonator). On the other hand, in the top-down nanowires only the linear transduction mechanism is present. It is this newly found linear transduction which enables the outstanding performance of the FM detection method when characterizing the frequency response of SiNW resonators. For the use of nanomechanical resonators in mass sensing applications, the real-time tracking of their resonance frequency is needed. We have designed and implemented a novel closed-loop configuration, based on the FM detection technique and a slope detection algorithm. It allows the monitoring of changes in the magnitude and the frequency of the response of the resonator, enabling not only the real time detection of mass, but also the characterization of the temporal stability of the system. In this way, its overall performance for mass sensing applications has been characterized. The mass sensitivity of the system for the smallest resonators stands in the range of 6 Hz/zg (1 zg = 6·10-21 g) and the frequency stability measurements in the closed loop configuration reveal a mass resolution of 6 zg at room temperature

Tuning piezoresistive transduction in nanomechanical resonators by geometrical asymmetries

Under the terms of the Creative Commons Attribution (CC BY) license to their work.The effect of geometrical asymmetries on the piezoresistive transduction in suspended double clamped beam nanomechanical resonators is investigated. Tapered silicon nano-beams, fabricated using a fast and flexible prototyping method, are employed to determine how the asymmetry affects the transduced piezoresistive signal for different mechanical resonant modes. This effect is attributed to the modulation of the strain in pre-strained double clamped beams, and it is confirmed by means of finite element simulations.The research leading to these results received funding from the European Union's Seventh Framework Programme FP7/2007-2013, under Grant Agreement No. 318804 (SNM). Support is also acknowledged from project Force for future (CSD2010-00024).Peer Reviewe

Fabrication of functional electromechanical nanowire resonators by focused ion beam implantation

A fast and flexible fabrication method that allows the creation of silicon structures of various geometries is presented. It is based on the combination of focused ion beam local gallium implantation, selective silicon etching, and diffusive boron doping. The structures obtained by this resistless method are electrically conductive. Freely suspended mechanical resonators of different dimensions and geometries have been fabricated and measured. The resulting devices present a good electrical conductivity which allows the characterization of their high-frequency mechanical response by electrical read-out.This work is supported by the European Seventh Framework Programme (FP7) within the project SNM: single nanometer manufacturing for beyond CMOS devices and by national funding from FORCE-for-FUTURE (CSD2010-00024) and SGR-NANONEMS (2014 SGR 1025). J. Ll. is enrolled in the UAB’s PhD program in material science.Peer Reviewe

Evaluating the compressive stress generated during fabrication of Si doubly clamped nanobeams with AFM

In this work, the authors employed Peak Force tapping and force spectroscopy to evaluate the stress generated during the fabrication of doubly clamped, suspended silicon nanobeams with rectangular section. The silicon beams, released at the last step of fabrication, present a curved shape that suggests a bistable buckling behavior, typical for structures that retain a residual compressive stress. Both residual stress and Young's modulus were extracted from experimental data using two different methodologies: analysis of beam deflection profiles and tip-induced mechanical bending. The results from the two methods are compared, providing an insight into the possible limitations of both methods

Evaluating the compressive stress generated during fabrication of Si doubly clamped nanobeams with AFM

In this work, the authors employed Peak Force tapping and force spectroscopy to evaluate the stress generated during the fabrication of doubly clamped, suspended silicon nanobeams with rectangular section. The silicon beams, released at the last step of fabrication, present a curved shape that suggests a bistable buckling behavior, typical for structures that retain a residual compressive stress. Both residual stress and Young's modulus were extracted from experimental data using two different methodologies: analysis of beam deflection profiles and tip-induced mechanical bending. The results from the two methods are compared, providing an insight into the possible limitations of both methods

Evaluating the compressive stress generated during fabrication of Si doubly clamped nanobeams with AFM

In this work, the authors employed Peak Force tapping and force spectroscopy to evaluate the stress generated during the fabrication of doubly clamped, suspended silicon nanobeams with rectangular section. The silicon beams, released at the last step of fabrication, present a curved shape that suggests a bistable buckling behavior, typical for structures that retain a residual compressive stress. Both residual stress and Young's modulus were extracted from experimental data using two different methodologies: analysis of beam deflection profiles and tip-induced mechanical bending. The results from the two methods are compared, providing an insight into the possible limitations of both methods