Yüksek performanslı NEMS kuvvet sensörü

Bu tez, ¸cok y¨onl¨u kuvvet algılama i¸cin ultra hassas piezorezistif elemanlar olarak askıya alınmı¸s SiNW kullanan ¨onc¨u bir NEMS kuvvet sens¨or¨un¨un geli¸stirilmesini sunmaktadır. Yenilik¸ci sens¨or mimarisi, yaylarla askıya alınmı¸s merkezi konumlandırılmı¸s bir shuttle ve (100) silikon levha ¨uzerinde <110>kristalografik y¨onler boyunca entegre edilmi¸s sekiz SiNW i¸cererek, ola˘gan¨ust¨u uzamsal ¸c¨oz¨un¨url¨ukle dik ve kayma kuvvet bile¸senlerinin e¸szamanlı ¨ol¸c¨um¨un¨u sa˘glamaktadır. Kapsamlı tasarım optimizasyonu sayesinde sens¨or, 10 × 10 μm2 shuttle ve 250 nm'ye kadar SiNW ile kayda de˘ger bir minyat¨urle¸sme elde etmektedir. Bu ultra-minyat¨urle¸stirilmi¸s yapı, ¨ol¸c¨u boyutu perspektifinden son teknoloji mikro¨ol¸cek kuvvet sens¨orlerini ve askıya alınmı¸s kiri¸s sens¨orlerini a¸smaktadır. SOI levhalar ¨uzerinde, derin silikon a¸sındırma, hassas SiNW inceltme, bor iyon implantasyonu ve HF buhar salımını i¸ceren CMOS uyumlu, yukarıdan a¸sa˘gıya mikrofabrikasyon prosesi ba¸sarıyla geli¸stirilmi¸stir. Fotodirencin kullanıldı˘gı kasıtsız olarak salınmı¸s alanların zorlu kaps¨ullenmesi ve korunması, kapsamlı optimizasyon yoluyla, bu kritik fabrikasyon adımı i¸cin negatif fotodirencin nLOF 2020'nin ba¸sarılı bir ¸sekilde uygulanmasına yol a¸cmı¸s ve ortam atmosferinde salınmı¸s SiNW'lerin uzun vadeli kararlılı˘gını sa˘glamı¸stır. Sens¨or¨un ¨ust¨un performansı, kapsamlı deneysel do˘grulama ile teyit edilmi¸stir. LDV ¨ol¸c¨umleri yakla¸sık 700'e ula¸san kar¸sılık gelen kalite fakt¨orleriyle 12.35 MHz rezonans frekansı belirlemi¸s, yarı-statik mekanik karakterizasyon ise, serbest bırakılmı¸s SiNW'ler i¸cin 42'ye kadar GF de˘gerleri vermi¸s ve y¨uksek piezorezistif etkiyi g¨ostermi¸stir. Elde edilen g¨osterge fakt¨orleri (enine y¨uk i¸cin GF ≈ 42 ve eksenel y¨uk i¸cin 22) literat¨urde bildirilen yukarıdan a¸sa˘gıya ¨uretilmi¸s SiNW sens¨orlerin ¸co˘guyla kar¸sıla¸stırılabilir d¨uzeydedir ve serbest bırakılmı¸s SiNW tasarımıyla elde edilen iyi piezorezistif yanıt ile gerinim lokalizasyonunu do˘grulamaktadır. Test d¨uzene˘ginin 0.0025 gerinim artı¸s adımı kısıtlaması ve 1 ppm diren¸c de˘gi¸simi algılama limiti g¨oz ¨on¨une alındı˘gında, sens¨or GF = 22 ile teorik olarak 0.72 nN minimum kuvvet ¸c¨oz¨un¨url¨u˘g¨u elde etmekte ve nanomekanik test uygulamaları i¸cin uygun ultra-d¨u¸s¨uk kuvvet algılama kabiliyeti g¨ostermektedir. C¸ e¸sitli basın¸clarda azot gazı ile akı¸s algılama deneyleri, y¨uksek oranda do˘grusal tepkiler ortaya koymu¸s ve μN aralı˘gında kuvvet algılama yeteneklerini g¨ostermi¸stir. Ara¸stırma, yeni bir gerilim amplifikasyon k¨opr¨us¨u boyunca optimize edilmi¸s SiNW yerle¸simi sayesinde on kat amplifikasyon fakt¨or¨u iyile¸stirmesi elde eden yeni bir konsol tabanlı sens¨or tasarımıyla sonu¸clanmakta, SiNW'leri yeni nesil MEMS kuvvet sens¨orleri i¸cin d¨on¨u¸st¨ur¨uc¨u algılama elemanları olarak konumlandırmakta ve geli¸smi¸s m¨uhendislik uygulamaları i¸cin y¨uksek hassasiyetli, minyat¨urle¸stirilmi¸s algılama teknolojilerinde yeni ufuklar a¸cmaktadır. Bu ¸calı¸smanın temel katkıları arasında, salınmı¸s nanoyapıların uzun vadeli kararlılı˘gını iyile¸stirmek i¸cin yeni bir kaps¨ulleme stratejisi ile kompakt ¸cok eksenli MEMS kuvvet sens¨or¨u mimarisinin geli¸stirilmesi, kombine deneysel ve sonlu elemanlar analizi yoluyla yer de˘gi¸stirmenin uygulanan kuvvetle ili¸skilendirilmesi i¸cin tekrarlanabilir bir metodolojinin olu¸sturulması ve gelecekteki ¨ol¸ceklenebilirlik i¸cin umut vadeden bir y¨on olarak ¸co˘gullanmı¸s okuma entegrasyonunun belirlenmesi yer almaktadır. Dahası, bu ¸calı¸sma MEMS ¨ol¸ceklenebilirli˘gi ile NEMS arasındaki bo¸slu˘gu kapatmakta, CMOS ve levha d¨uzeyinde proseslerle uyumlu birle¸sik bir platform sa˘glamakta ve akı¸s haritalama, dokunsal robotik ve biyomedikal mikro operasyonlar i¸cin uygulamalarda yeni nesil SiNW tabanlı MEMS kuvvet sens¨orleri i¸cin sa˘glam bir temel olu¸sturmaktadır.