Analiza szumów w mikro-mechanicznych czujnikach rezonansowych

• Autorzy: Józwiak G. , Zawierucha P. , Kopiec D. , Woszczyna M. , Zielony M. , Gotszalk T. , Grabiec P.

Warianty tytułu

EN

The noise analysis in the micromechanical resonance sensors

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Mikromechaniczne czujniki rezonansowe są stosowane do pomiaru małej siły, masy i lepkości. Po odpowiedniej funkcjonalizacji powierzchni mogą być wykorzystywane jako czujniki biochemiczne do detekcji oddziaływań molekularnych. Występujący w tych układach szum jest najważniejszym czynnikiem ograniczającym czułość na zmiany mierzonej wielkości i rozdzielczość pomiaru. Szczególne znaczenie ma szum mechanicznych drgań termicznych, który może pełnić również istotną rolę w procesie pomiaru właściwości mechanicznych układu. W pracy przedstawiono modele matematyczne wybranych szumów występujących w układach rezonansowych, zwracając szczególną uwagę na szum termicznych drgań mechanicznych. Zaprezentowano układ pomiarowy do badania szumów mikrobelek sprężystych z piezorezystywnym detektorem ugięcia. Układ ten wykorzystano do pomiaru mechanicznych właściwości drgań termicznych mikrobelki wykonanej w Instytucie Technologii Elektronowej w Warszawie.

EN

Micromechanical resonant sensors are widely applied to measurements of low forces, masses and viscosity. After surface functionalization they might be used as biochemical sensors for intermolecular force detection. The noise existing in those devices is the main factor limiting the device sensitivity and the measurement resolution. Furthermore, the analysis of mechanical thermal noise of the microcantilever can play main role in a calibration process of sensor mechanical properties. In the paper the mathematical models for 1/f noise, Johnson-Nyquist noise and thermal oscillations noise in frequency domain are presented. The special attention is paid on mechanical thermal noise and its connections with mechanical properties of the system. It is shown that only thermal noise analysis is able to determine system spring constant and that the methods based on the system transmittance analysis fail due to inseparability of the system effective mass and the system spring constant or due to the lack of calibrated excitation source. The measurement system for investigation of noise in piezoresistive cantilevers is presented. The system was utilized for examination of piezoresistive microcantilever made at Warsaw Institute of Electron Technology. The power spectrum of the cantilever noise was estimated and the sensitivity of the piezoresistive bridge of the cantilever was measured. After that the analysis of obtained power spectra was performed. As a result the resonance frequency, the resonance quality factor, the cantilever mean thermal deflection and the cantilever spring constant were calculated. Obtained results confirm that system is able to detect a mean thermal deflection that is less than 1 angstrom.

Słowa kluczowe

PL

czujniki mikromechaniczne; analiza szumów; modelowanie układów

EN

micromechanical sensors; noise analysis; systems modeling

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2010
• Tom: R. 86, nr 10
• Strony: 36--39
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., wykr., schem.

Twórcy

autor

Józwiak G.

autor

Zawierucha P.

autor

Kopiec D.

autor

Woszczyna M.

autor

Zielony M.

autor

Gotszalk T.

autor

Grabiec P.

• Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej, ul. Janiszewskiego 11/17, 50-372 Wrocław,

Bibliografia

• [1] Nakajima M., in., Pico-newton order force measurement using a calibrated carbon nanotube probe by electromechanical resonance, Proceedings of the IEEE (2003), 300-305
• [2] Ono T., in., Mass sensing of adsorbed molecules in subpicogram sample with ultrathin silicon resonator, Rev. Sci. Instrum, 74 (2003), 1240-1243
• [3] Quist. A., Piezoresistive cantilever based nanoflow and viscosity sensor for microchannels, Lab Chip, 6 (2006), 1450- 1454
• [4] Hosoi H., in., Atomic resolved imaging of cleaved nio(100) surfaces by nc-afm, App. Surf. Sci, 157(4) (2000), 218-221
• [5] Lee Y., Lim G., Moon. W., A self-excited micro cantilever biosensor actuated by PZT using the mass micro balancing technique, Sensors and Actuators A, 130-131 (2006), 105-110
• [6] Mohd-Ysin F., Nagel D. J., Korman. C. E., Noise in MEMS, Meas. Sci. Techno, 21 (2010), 012001-012023
• [7] Nyquist . H., Thermal agitation of electric charge in conductors, Phys. Rev.,32(1928), 110-113
• [8] Garcia R., Perez R., Dynamic atomic force microscopy methods, Surface Science Raports, 47 (2002), 197-301
• [9] Hutter J. F., Bechhoefer. J., Calibration of atomic-force microscope tips. Rev. Sci. Instrum. 64(7)(1993), 1868-1873
• [10] Butt H.J., Jaschke. M., Calculation of thermal noise in atomic force microscopy, Nanotechnology, 6 (1995), 1-7
• [11] Welch. P. W., The use of fast Fourier transform for the estimation of power spectra: a method based on time averaging over short, modified periodograms, IEEE Trans. Audio Electroacoustics, 15(2) (1967), 70-76
• [12] Jenkins G. M., Watts D.G., Spectral analysis and its applications. Holden-Day, San Francisco 1968