Elektryczne metody pomiarów wychyleń układów MEMS i NEMS - Kwoka, Krzysztof (Electrical methods for MEMS and NEMS deflection measurements, 2023)
Pomiary wychyleń struktur NEMS wykonywać można z zastosowaniem między innymi wibrometrii laserowej lub elektronowej, a także z wykorzystaniem pomiarów elektrycznych. Zastosowanie technik wibrometrii wiąże się jednak z trudnościami wynikającymi z używanych urządzeń pomiarowych. Wykorzystanie technik elektrycznych pozwala na wykorzystanie drgających struktur NEMS w znacznie elastyczniejszy sposób.W przedstawionej rozprawie zastosowano elektryczne pomiary fazoczułe do badania struktur o piezorezystywnej detekcji ugięcia w połączeniu z wibrometrią laserową do pomiaru przy pobudzeniu piezoelektrycznym. Wykazano, że istnieje możliwość wykonywania równoległych pomiarów tymi technikami przy odpowiedniej synchronizacji wykorzystanych urządzeń. Dla wykorzystanych struktur uzyskano czułość na siłę na poziomie FS=263 V|N co jest wartością nieporównywalnie większą niż dla analogicznych rozwiązań z literatury. Wykazano również możliwość kompensacji błędów pomiarowych wynikających z przesłuchów elektrycznych co pozwala na dokładniejsze dopasowywanie wyników. Wykonano również analogiczne badania w połączeniu z wibrometrią elektronową do pomiaru przy jednoczesnym pobudzeniu magnetoelektrycznym i ciśnieniem promieniowania laserowego. Zaprezentowano wyniki pomiarów podczas niezależnego i jednoczesnego pobudzania struktury oboma metodami. Wykorzystano również odczyt piezorezystywny do weryfikacji wyrównania sił pobudzających strukturę. Podczas pomiarów wykazano także możliwość rejestrowania w układzie odpowiedzi czysto piezorezystywnej. Zastosowano również pomiary z wykorzystaniem spektroskopii impedancyjnej do pomiaru struktur o pobudzeniu i odczycie magnetoelektrycznym oraz elektrostatycznym. Przygotowano elektryczne modele równoważne do obu eksperymentów i skorelowano je z modelami fizycznymi drgających struktur NEMS. Podczas pomiarów magnetoelektrycznych wykorzystano obliczoną z geometrii i paramentów materiałowych masę struktury do weryfikacji modelu i wykazano jego poprawność. W przypadku struktur elektrostatycznych stworzony model wskazywał na bardzo silny wpływ odległości między elektrodami na stosunek odpowiedzi elektrycznej do sygnału pobudzającego. Pomiary struktur elektrostatycznych przeprowadzono więc w komorze mikroskopu elektronowego co pozwoliło na precyzyjną kontrolę odległości między elektrodami, którą wykorzystano jako parametr weryfikujący poprawność modelu.
Keywords: MEMS; NEMS; spektroskopia impedancyjna; pomiary elektryczne; LIS; wychylenia; rezonans