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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 10 / Mathematik und Naturwissenschaften  → Institut für Physik  → Technische Physik - Halbleiterphysik, Nanostrukturierung & Analytik  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-1153

Titel: Piezoresistive cantilevers with an integrated bimorph actuator
Autor(en): Ivanov, Tzvetan
Schlagworte (SWD): RasterkraftmikroskopieKantileverMikroaktorPiezoelektrischer DrucksensorEigenschwingung
Klassifikation (DDC): 530 - Physik (Physics)
Issue Date: 26-Jul-2004
Zusammenfassung: Scanning Probe Microscopy (SPM) has become of fundamental importance for research in area of micro and nano-technology. The continuous progress in these fields requires ultra sensitive measurements at high speed. The imaging speed limitation of the conventional Tapping Mode SPM is due to the actuation time constant of piezotube feedback loop that keeps the tapping amplitude constant. In order to avoid this limit a deflection sensor and an actuator have to be integrated into the cantilever. In this work has been demonstrated the possibility of realisation of piezoresistive cantilever with an embedded actuator. Piezoresistive detection provides a good alternative to the usual optical laser beam deflection technique. In frames of this thesis has been investigated and modelled the piezoresistive effect in bulk silicon (3D case) for both n- and p-type silicon. Moving towards ultra-sensitive measurements it is necessary to realize ultra-thin piezoresistors, which are well localized to the surface, where the stress magnitude is maximal. New physical effects such as quantum confinement which arise due to the scaling of the piezoresistor thickness was taken into account in order to model the piezoresistive effect and its modification in case of ultra-thin piezoresistor (2D case). The two-dimension character of the electron gas in n-type piezoresistors lead up to decreasing of the piezoresistive coefficients with increasing the degree of electron localisation. Moreover for p-type piezoresistors the predicted values of the piezoresistive coefficients are higher in case of localised holes. Additionally, to the integration of the piezoresistive sensor, actuator integrated into the cantilever is considered as fundamental for realisation of fast SPM imaging. Actuation of the beam is achieved thermally by relying on differences in the coefficients of thermal expansion between aluminum and silicon. In addition the aluminum layer forms the heating micro-resistor, which is able to accept heating impulses with frequency up to one megahertz. Such direct oscillating thermally driven bimorph actuator was studied also with respect to the bimorph actuator efficiency. Higher eigenmodes of the cantilever are used in order to increase the operating frequencies. As a result the scanning speed has been increased due to the decreasing of the actuation time constant. The fundamental limits to force sensitivity that are imposed by piezoresistive deflection sensing technique have been discussed. For imaging in ambient conditions the force sensitivity is limited by the thermo-mechanical cantilever noise. Additional noise sources, connected with the piezoresistive detection are negligible.Die Rastersondenmikroskopie (Scanning Probe Microscopy - SPM) ist von grundsätzlicher Bedeutung für die Forschung im Gebiet Mikro- und Nanotechnologie geworden. Der dauernde Fortschritt dieser Gebiete erfordert extrem empfindliche Messungen mit hoher Geschwindigkeit. Die Beschränkung der Abbildungsgeschwindigkeit der konventionellen "Tapping Mode"-SPM resultiert aus der Zeitkonstante des Rückkopplungskreises des Piezoaktuators, der die Abtast-Amplitude konstant hält. Um diese Grenze zu überwinden, müssen ein Ablenkungssensor und ein Aktuator in den Cantilever integriert werden. Die Möglichkeit der Realisierung eines piezoresistiven Cantilevers mit einem integrierten Aktuator ist in dieser Dissertation gezeigt worden. Piezoresistive Detektion stellt eine gute Alternative zur gewöhnlichen optischen Laserstrahl-Ablenkungstechnik dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der piezoresistive Effekt von Volumen-Silizium (3D-Fall) sowohl für n- als auch für p-Typ-Silizium untersucht und modelliert. Beim Übergang zu ultraempfindlichen Messungen ist es notwendig, ultradünne Piezoresistoren zu realisieren, die an der Oberfläche lokalisiert sind, wo der Stress maximal ist. Neue physikalische Effekte wie Quanten-Beschränkung, die aufgrund der Skalierung der Dicke des Piezoresistors entstehen, wurden in Betracht gezogen, um den piezoresistiven Effekt und seine Modifizierung im Falle ultradünner Piezoresistoren (2D-Fall) zu modellieren. Der zweidimensionale Charakter des Elektronengases in n-Typ-Piezoresistoren führt zur Verringerung der piezoresistiven Koeffizienten bei Erhöhung des Grades der örtlichen Elektronenbeschränkung. Bei p-Typ-Piezoresistoren sind die vorausgesagten Werte der piezoresistiven Koeffizienten im Falle lokalisierter Löcher höher. Weiterhin wird zur Integration des piezoresistiven Sensors ein im Cantilever integrierter Aktuator als grundsätzlich für die Realisierung der schnellen SPM Abbildungen betrachtet. Die Auslenkung des Cantilevers wird thermisch erreicht, basierend auf unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Aluminium und Silizium. Außerdem bildet die Aluminiumschicht den Mikro-Heizwiderstand, der im Stande ist, Heizimpulse mit einer Frequenz bis zu einem Megahertz zu verarbeiten. Ein solcher direkt thermisch getriebener oszillierender Bimorph-Aktuator wurde auch in Bezug auf die bimorphe Aktuationseffizienz untersucht. Höhere Eigenmoden des Cantilevers werden verwendet, um die Betriebsfrequenzen zu vergrößern. Infolgedessen ist die Abtastungsgeschwindigkeit aufgrund der Verringerung der Zeitkonstanten vergrößert worden. Die grundsätzlichen Grenzen der Empfindlichkeit, die durch die piezoresistive Ablenkungsdetektions-Technik gegeben sind, wurden diskutiert. Für die Bildaufbereitung unter Umgebungsbedingungen ist die Kraft-Empfindlichkeit durch das thermo-mechanische Cantilever-Rauschen beschränkt. Zusätzliche Rauschquellen, die mit der piezoresistiven Detektion zusammenhängen, sind vernachlässigbar.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-1153
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