Fabrication of suspended plate MEMS resonator by micro-masonry
Fabrication de nanoplaques résonantes à l'aide de la micro-maçonnerie
Résumé
Lately, transfer printing, a technique that is used to transfer diverse materials such as DNA molecules, photoresist, or semiconductor nanowires, has been proven useful for the fabrication of various static silicon structures under the name micro-masonry. The present study explores the suitability of the micro-masonry technique to fabricate MEMS resonators. To this aim, silicon microplates were transfer-printed by microtip polymer stamps onto dedicated oxide bases with integrated cavities in order to create suspended plate structures. The dynamic behavior of fabricated passive structures was studied under atmospheric pressure and vacuum using both external piezo-actuation and thermomechanical noise. Then, active MEMS resonators with integrated electrostatic actuation and capacitive sensing were fabricated using additional post-processing steps. These devices were fully characterized under atmospheric pressure. The intrinsic Q factor of fabricated devices is in the range of 3000, which is sufficient for practical sensing applications in atmospheric pressure and liquid. We have demonstrated that since the bonding between the plate and the device is rigid enough to prevent mechanical crosstalk between different cavities in the same base, multiple resonators can be conveniently realized in a single printing step. This thesis work shows that micro-masonry is a powerful technique for the simple fabrication of sealed MEMS plate resonators.
L'impression par transfert, une technique utilisée pour transférer divers matériaux tels que des molécules d'ADN, de la résine photosensible ou des nanofils semi-conducteurs, s'est dernièrement révélée utile pour la réalisation de structures de silicium statiques sous le nom de micro-maçonnerie. L'étude présentée ici explore le potentiel de la technique de micro-maçonnerie pour la fabrication de résonateurs MEMS. Dans ce but, des microplaques de silicium ont été transférées sur des couches d'oxyde avec cavités intégrées à l'aide de timbres de polymère afin de créer des structures de type plaques suspendues. Le comportement dynamique de ces structures passives a été étudié sous pression atmosphérique et sous vide en utilisant une excitation externe par pastille piézo-électrique mais aussi le bruit thermomécanique. Par la suite, des résonateurs MEMS actifs, à actionnement électrostatique et détection capacitive intégrés, ont été fabriqués en utilisant des étapes supplémentaires de fabrication après impression. Ces dispositifs ont été caractérisés sous pression atmosphérique. Les facteurs de qualité intrinsèques des dispositifs fabriqués ont été évalués à 3000, ce qui est suffisant pour les applications de mesure à pression atmosphérique et en milieu liquide. Nous avons démontré que, puisque l'adhérence entre la plaque et l'oxyde est suffisamment forte pour empêcher une diaphonie mécanique entre les différentes cavités d'une même base, plusieurs résonateurs peuvent être facilement réalisés en une seule étape d'impression. Ce travail de thèse montre que la micro-maçonnerie est une technique simple et efficace pour la réalisation de résonateurs MEMS actifs de type plaque à cavité scellée.
Origine : Version validée par le jury (STAR)