Modelado y desarrollo de microcantilevers resonantes para sensores

Esta tesis está enfocada en el diseño, simulación, fabricación y caracterización de sensores de masa basados en microcantilevers de silicio. Los cantilevers con forma de T son diseñados como estructuras formadas por 3 vigas unidas en su extremo por medio de una masa rectangular extra. Los cantilevers son excitados para alcanzar su resonancia mecánica, en modo flexión perpendicular al sustrato, con un piezoactuador PZT pegado en la parte posterior del sustrato y la frecuencia de resonancia es monitoreada por cuatro piezoresistencias configuradas en un puente de Wheastone. Diversos cantilever son fabricados variando su proceso de fabricación, dimensiones y geometrías, su operación es verificada y su desempeño mecánico y eléctrico evaluado. El desempeño del dispositivo es comparado con los valores obtenidos del modelo analítico y de las simulaciones con ANSYS, obteniendo buena concordancia. Se seleccionan las dos estructuras con los mayores valores de frecuencia de resonancia y factor de calidad. Para el primer cantilever, de 400μm de largo, 300μm ancho y 15μm de espesor, la frecuencia de resonancia, del primer y segundo modo de vibración, se encuentra en 97kHz y 690kHz respectivamente, ambos con un factor de calidad de ~800. Para el segundo cantilever, de 200μm de largo, 150μm ancho y 15μm de espesor, la frecuencia de resonancia fundamental se encuentra en 400kHz con un factor de calidad de ~900. Los dispositivos son caracterizados como sensores de masa al adherir microesferas de poliestireno a la superficie del cantilever y medir los cambios en la frecuencia. Para el primer cantilever, los valores de sensibilidad de masa son: 12,4pg/Hz y 3,1pg/Hz para el primer y el segundo modo respectivamente y 0,8pg/Hz para el segundo cantilever. Además, los cantilevers son caracterizados como sensores de gas al recubrir su superficie con PDMS, exponerlos a vapor de etanol y medir los cambios en la frecuencia. Para la primera y segunda estructura, el valor de sensibilidad al etanol es de 13,2ppm/Hz y 0,6ppm/Hz respectivamente. Estos resultados ilustran el alto potencial para utilizar estas sencillas estructuras como plataforma en aplicaciones sensitivas. This work has been focused on the design, simulation, fabrication and characterization of silicon microcantilevers based mass sensors. The T-shape cantilever was designed as a structure formed by 3 cantilevers that are hold together by means of an extra rectangular mass. Cantilevers were driven at their mechanical resona