A high-performance NEMS force sensor
Yüksek performanslı NEMS kuvvet sensörü
- Tez No: 999599
- Danışmanlar: PROF. DR. ERDEM ALACA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
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.
Özet (Çeviri)
This thesis presents the development of a pioneering NEMS force sensor that uses suspended SiNW as ultrasensitive piezoresistive elements for multidirectional force detection. The innovative sensor architecture features a centrally positioned shuttle suspended by springs and integrated with eight SiNWs along <110> crystallographic directions on a (100) silicon wafer, enabling simultaneous measurement of perpendicular and shear force components with exceptional spatial resolution. Through comprehensive design optimization, the sensor achieves remarkable miniaturization with a 10 × 10 μm2 shuttle and SiNWs down to 250 nm. This ultra-miniaturized structure surpasses state-of-the-art microscale force sensors and suspended-beam sensors from a gauge dimension perspective. A CMOS-compatible, top-down microfabrication process was successfully developed on SOI wafers, incorporating deep silicon etching, precise SiNW thinning, boron ion implantation, and HF vapor release. The challenging encapsulation and protection of non-intended released areas using photoresist, through extensive optimization, led to the successful implementation of negative photoresist nLOF 2020 for this critical fabrication step, ensuring the long-term stability of released SiNWs in the ambient environment. The sensor's superior performance was verified through extensive experimental validation. LDV measurements identified a resonant frequency of 12.35 MHz, with corresponding quality factors reaching approximately 700, while quasistatic mechanical characterization yielded GFs up to 42 for released SiNWs, demonstrating the high piezoresistive effect. The demonstrated gauge factors (GF ≈ 42 for transverse and 22 for axial load) are comparable to most top-down fabricated SiNW sensors reported in the literature, validating the good piezoresistive response and strain localization achieved by the released SiNW design. Given the test setup's strain increment limitation of 0.0025 and a resistance change detection limit of 1 ppm, the sensor achieves a theoretical minimum force resolution of 0.72 nN with GF = 22, demonstrating capability for ultra-low force detection suitable for nanomechanical testing applications. Flow sensing experiments with nitrogen gas at various pressures confirmed highly linear responses, revealing force detection capabilities in the μN range. The research culminates with a novel cantilever-based sensor design that achieves tenfold amplification factor improvement through optimized SiNW placement along a novel stress amplification bridge, establishing SiNWs as transformative sensing elements for next-generation MEMS force sensors and opening new frontiers in high-sensitivity, miniaturized sensing technologies for advanced engineering applications. The key contributions of this work include the development of a compact multi-axis MEMS force sensor architecture with a novel encapsulation strategy to improve the long-term stability of released nanostructures, the establishment of a reproducible methodology for correlating displacement with applied force through combined experimental and finite element analysis, and the identification of multiplexed readout integration as a promising direction for future scalability. Moreover, this work bridges the gap between MEMS scalability and NEMS, providing a unified platform compatible with CMOS and wafer-level processes, and establishes a robust foundation for next-generation SiNW-based MEMS force sensors for applications in flow mapping, tactile robotics, and biomedical micro operations.
Benzer Tezler
- Fabrication and characterization of P3HT-WO3 hybrid thin films and device applications
P3HT-WO3 hibrit ince filmlerin üretimi, karakterizasyonu ve cihaz uygulamaları
FATMA BEYZA YEDİKARDEŞ ER
Doktora
İngilizce
2024
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ESRA ZAYİM
PROF. DR. MUSTAFA ALTUN
- Motion and energy transfer through coupled micro/nano-scale cantilever beams via mechanical resonance absorption
Mikro/nano-boyutlu ankastre kirişlerde mekanik rezonans absorpsiyonu yardımıyla hareket ve enerji transferi
ÜNAL DEĞİRMENCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERDAL BULĞAN
- Uçaklarda bulunan kabin içi mutfak ekipmanlarının sonlu elemanlar ve test yöntemi ile sertifikasyonu
Certification of aircraft galleys by finite element method and static test
ABDULLAH ERDİ ÖNÜT
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
- Perovskit güneş hücrelerinde heteroatom katkılı karbon kuantum noktaları ile polioksometalatların katkılama ve ara yüzey mühendisliğinde kullanımı
The use of heteroatom-doped carbon quantum dots and polyoxometalates in doping and interface engineering of perovskite solar cells
MUTAHİRE TOK
Doktora
Türkçe
2026
Kimya MühendisliğiKonya Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MAHMUT KUŞ
- Akışkan yataklı hava bazlı kömür yıkama sistemlerinde akışkanlaştırma karakteristiklerinin kömür-inorganik madde ayrımına etkisi
Effect of fluidization characteristics on coal-inorganic material separation in air based fluidized bed coal washing systems
UFUK AYKAÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiCevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET SABRİ ÇELİK