Hedef analitlerin tespiti için kullanılabilecek MEMS kapasitif rezonatör geliştirilmesi

Abstract

MEMS tarak parmak kapasitif rezonatör yapıları ile kütle algılama uygulamaları son zamanların en popüler araştırma konularından biri haline gelmiştir. Bu yapılar, mikron ölçekteki boyutları ve rezonans çalışma modları sayesinde son derece hassas bir şekilde kütle algılaması yapmaktadırlar. Gelişmiş algılama özelliklerinin yanı sıra, hızlı tepki, düşük güç tüketimi ve entegre devrelerle uyumluluk gibi avantajları da mevcuttur. Bu tez çalışmasında, kütle algılama uygulamalarında kullanılabilecek bir MEMS tarak parmak kapasitif rezonatör yapısının tasarımı, üretimi ve benzetim çalışmaları sunulmuştur. İlk aşamada, MEMS rezonatör yapısının tasarımı yapılmıştır. Ardından, tasarım parametrelerine göre önce teorik analiz, sonrasında da Elmer FEM yazılımı kullanılarak benzetim çalışmaları yapılmıştır. Bu çalışmalar doğrultusunda ilk olarak modal analiz ile yapının rezonans frekansları belirlenmiştir. Sonrasında yapının farklı DC kutuplama gerilimlerindeki statik bükülme karakteristiği incelenmiştir. Son olarak da literatürde ilk kez MEMS tarak parmak kapasitif rezonatör yapısı için sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak frekans analizleri gerçekleştirilmiştir. Tasarım ve simülasyon işleminin ardından MEMS rezonatör yapısı ODTÜ MEMS Merkezi’nde ürettirilmiştir. Üretim sonrasında ise Pamukkale Üniversitesi MEMS Laboratuvarı’nda üretilen yapının frekans testleri yapılmıştır. MEMS yapısının üretim sonrası karakteristiği, frekans testleri ile elde edilen deneysel veriler üzerinden parametre çıkarımı yapılarak incelenmiştir. Parametre çıkarımları sonucunda rezonatör yapısının tasarım parametreleri güncellenmiş ve ardından teorik analiz ile benzetim çalışmaları tekrarlanmıştır. Böylece, önerilen FEM modeli MEMS kapasitif tarak parmak rezonatörün frekans yanıtı için doğrulanmıştır.

Recently, mass sensing applications with MEMS comb drive capacitive resonator structures have become one of the most popular research topics. These structures can precisely detect mass amount due to its micron size and resonance modes. In addition to advanced detection properties, these structures also have many advantages such as fast response, low power consumption and compatibility with integrated circuits (ICs). In this thesis, the design, fabrication and simulation studies of the MEMS comb drive capacitive resonator structure which can be usable in the mass sensing applications are presented. In the first stage of the thesis study, the MEMS resonator structure is designed. Then, with respect to the design parameters, the theoretical analysis and simulation studies using Elmer FEM software are realized. In the FEM analyses, firstly, the resonance frequencies of the MEMS structure are determined by modal analysis. Afterwards, the static bending characteristic of the resonator structure at different DC bias voltages are investigated by the static analysis. Finally, for the first time in the literature, frequency analyzes are performed for the MEMS comb finger capacitive resonator structure using the finite element method. After the design and simulation studies, the MEMS resonator structure is produced at METU MEMS Center. The frequency tests of the produced MEMS resonator structure are realized in Pamukkale University MEMS Laboratory. The post-manufacture characteristic of the MEMS resonator structure is investigated by parameter extraction from the experimental data obtained by frequency tests. As a result of the parameter extractions, the design parameters of the resonator structure are updated and then the theoretical analysis and simulation studies are repeated. Thus, the proposed FEM model is verified for the frequency response analyses of MEMS comb drive structure.