The primary objective of this research is to design ultra-sensitive mass sensors capable of measuring attogram (1 ag = $10^{-18}$ g). To this objective, we designed the nano-sized silicon mechanical resonator and obtained the technique of measuring resonance characteristics. We used NEMS technique which is a top-down silicon manufacturing method. To fabricate high aspect ratio nano-structures, we established plasma etching condition and solved the problem of stiction and buckling which occur during releasing. We confirmed that those problems do not occur as we designed cantilever or bridge structures to have effective spring constant above 2 N/m. We used piezo actuator to resonate the silicon nano cantilever along the direction of out of plane and performed optical detection. Also, we measured dynamic resonance characteristics of metal/silicon bilayer nano bridge structure and mass loading effect motivated resonance frequency changes by actuating nano bridge resonator along the in plane direction via Lorentz force and measuring magnetomotive to determine EMF(electro motive force). In addition we designed and fabricated the nano cantilever-driver device which can be actuated and measured based on electrostatic method. The device is capable of working along the in plane direction.
The size of the silicon cantilever, measured optically in normal temperature and normal pressure condition, is 700 nm × 340 nm × 7 μ m (width ×thickness × length). Oxide undercut is 1 μm and anchor's width is 3 μu m which is 5 μm minus 1 μm for each side. As we swept the applied 1 $V_{p-p}$ sinusodial ac voltage to integrated piezo actuator, we measured the displacement and found that resonance appeared at 3.58 MHz (quality factor = 6.95). This showed the possibility that we could obtain approximately 1.13 pg (1 pg = $10^{-12}$ g) resolving power using optical method even in normal atmosphere condition.
The device working and measuring in plane direction via magnetomotive method is composed of the double layer of silicon and Cr/Au alloy. Size of the device is 290 nm × 150 nm × 6 μm and the Cr/Au alloy thickness is 20 nm approximately. As we measured, in the 2-Kelvin temperature and 10 Torr pressure condition, B-filed dependence while changing B-filed 0~9 Tesla, we found approximately 32.5 MHz resonance frequency and observed B-filed dependence of Q-factor and $V_{emf}$. Measured Q-factor was 7000 to 10000 at 2 K. We could measure nonlinear effect at 10 torr and 5 T B-field condition while changing drive power from -75 dBm to -48 dBm. Loading mass through Pt sputtering using Ar ion and measuring resonance frequency shift, we found approximately 50 kHz frequency change, and this value corresponds to approximately 3.74 fg.
The electrostatic method based cantilever-driver device capable of working and measuring in plane direction has a shape of cantilever, size of 300 nm × 340 nm × 6 μm and 1 μm distance from driving electrode. Using phosphorous doping, we made cantilever and driver electrode as a conductor, and designed them to prevent pull-in which may occur during electrostatic actuation.
본 연구에서는 attogram ( 1 ag = $10^{-18}$ g ) 수준의 극 미세 질량을 검출 할 수 있는 초 고감도 질량센서를 목표로 나노 사이즈의 실리콘 기계 공진체를 제작하고 공진특성을 측정하는 기술을 확보하였다. 제작은 top down 실리콘 가공기술인 NEMS 가공 기술을 이용하였다. 종횡비가 높은 나노 구조물 제작을 위하여 플라즈마 식각 조건을 확립하였으며 releasing시 발생하는 stiction 및 buckling 문제를 해결하였다. 유효 탄성계수가 2 N/m 이상이 되도록 캔틸레버, 브릿지 구조물을 디자인하면 이런 현상이 나타나지 않음을 확인 할 수 있었다. piezo actuator를 이용하여 out of plane 방향으로 구동을 하고 optical detection을 수행하였다. 그리고 nano bridge 공진체를 Lorentz force로 in plane 방향으로 구동하고 EMF(electro motive force)를 측정하는 magnetomotive 측정을 수행함으로써 공진특성과 mass loading 에 의한 공진주파수 변화를 측정할 수 있었다. 또한 electrostatic 방식으로 in plane 구동이 가능한 소자를 디자인하고 제작하였다.
상온, 상압에서 optical detection을 수행한 실리콘 캔틸레버의 폭, 두께, 길이는 각각 700 nm × 340 nm × 7μ 이다. oxide undercut은 1μ이며 지지부의 폭은 5μ에서 양쪽으로 1μ가 줄어든 3μ 이다. integration된 piezo actuator에 1 $V_{p-p}$ sinusoidal ac 전압을 스윕하면서 변위를 측정한 결과 3.58 MHz에서 공진현상이 나타났으며 quality factor는 6.95임을 확인할 수 있었다. 이로 인해 대기 중에서 optical 한 방법으로 약 1.13 pg 정도의 질량 분해능을 가질 수 있는 가능성을 볼 수 있었다.
magnetomotive 방식으로 in plane 방향 구동 및 측정을 수행한 소자는 실리콘과 Cr/Au alloy 금속의 double layer로 이루어져 있으며 폭, 두께, 길이가 각각 290 nm × 150 nm × 6μ 정도이며 Cr/Au alloy의 두께는 약 20 nm 이다. 2 Kelvin의 온도, 10 Torr의 압력에서 B-filed를 0 ~ 9 Tesla 로 변화시켜 B-field dependence를 측정한 결과 약 32.5 MHz의 공진 특성을 볼 수 있었으며 Q-factor와 $V_{emf}$의 B-field dependence를 볼 수 있었다. 측정된 Q-factor는 2 K 에서 7000 ~ 10000이었다. 10 torr 의 압력과 5 T 의 B - field에서 input power를 -75 dBm에서 -48 dBm로 변화시키면서 nonlinear 현상을 측정 할 수 있었다. Ar 이온을 이용한 Pt sputtering 을 통하여 mass를 loading하고 공진주파수 변화를 측정한 결과 약 50 kHz 수준의 주파수 변화를 관측 할 수 있었고 이는 약 3.74 fg 을 측정 한 것이라 계산된다.
electrostatic 방식으로 in plane 방향의 구동 및 측정이 가능한 소자는 300 nm × 340 nm × 6μ 크기의 캔틸레버 형상을 띄고 있으며 구동전극과의 거리는 1 μ이다. phosphorus doping을 통해 캔틸레버와 구동전극을 도전체로 만들었으며 electrostatic 구동 시 pull-in이 일어나지 않도록 디자인 하였다.
