%A Sheila Gonz?lez Castilla
%T Tecnolog?as de fabricaci?n de microsistemas electromec?nicos actuados piezoel?ctricamente con nitruro de aluminio
%X Esta tesis trata del desarrollo de una tecnolog?a para la fabricaci?n de microsistemas electromec?nicos actuados piezoel?ctricamente. El material piezoel?ctrico activo utilizado es el nitruro de aluminio depositado en forma de pel?cula delgada por pulverizaci?n reactiva. Las caracter?sticas principales de esta tecnolog?a son la utilizaci?n de t?cnicas de micromecanizado en superficie y de procesos de baja temperatura compatibles con las tecnolog?as de fabricaci?n microelectr?nica sobre silicio. Este desarrollo ha incluido la elecci?n de los materiales con distinta funcionalidad (contactos, capas de sacrificio, capas piezoel?ctricas, etc.) y su procesado (t?cnicas de dep?sito y grabado). La elecci?n de cada material se ha realizado tras un proceso de selecci?n y optimizaci?n de varios materiales. As?, entre otras propiedades, se ha optimizado el ?xido de silicio poroso como capa de sacrificio de alta velocidad de ataque, el nitruro de silicio como capa estructural compatible con la capa de sacrificio, y el nitruro de aluminio como capa activa piezoel?ctrica. Tambi?n se han estudiado diferentes m?todos de caracterizaci?n estructural y piezoel?ctrica de cara a optimizar el proceso de dep?sito de las l?minas de nitruro de aluminio sobre molibdeno para garantizar el crecimiento de pel?culas de gran calidad cristalina y piezoel?ctrica. Para validar la tecnolog?a, se han fabricado microrresonadores piezoel?ctricos que se han caracterizado por interferometr?a l?ser y vibrometr?a de efecto Doppler, lo que ha permitido determinar su respuesta en frecuencia. Tambi?n se ha realizado un modelo de la respuesta en frecuencias de estos dispositivos. Por otra parte, la respuesta de los dispositivos se ha caracterizado mediante espectroscopia de admitancias. El uso de un condensador piezoel?ctrico ha permitido actuar y detectar simult?neamente los desplazamientos inducidos mediante t?cnicas el?ctricas debido a las variaciones de los campos el?ctricos internos producidos en el material piezoel?ctrico al ser deformado. Se ha evaluado la viabilidad de usar estos dispositivos como sensores de masa o como actuadores cuasi-est?ticos. En primer lugar se han cargado los dispositivos con distintas masas cubri?ndolos con capas de di?xido de silicio de distinto espesor depositadas por pulverizaci?n y se ha medido el cambio de las frecuencias de resonancia. La mejor sensibilidad de masa obtenida es del mismo orden que los mejores sensores m?sicos de caracter?sticas similares publicados en la bibliograf?a. Por ?ltimo se ha probado la aplicaci?n de los dispositivos fabricados como actuadores cuasi-est?ticos. La aplicaci?n de una tensi?n continua a baja frecuencia da lugar a un movimiento de la zona en voladizo cuya magnitud es del orden de algunas micras, suficiente para algunas aplicaciones como, por ejemplo, microinterruptores.  ABSTRACT This thesis focuses on the development of a technology for the fabrication of micro- electromechanical systems (MEMS) piezoelectrically actuated with piezoelectric sputtered aluminium nitride (AlN) thin films. The main characteristics of the technology are the use of surface micromachining techniques and low temperature processes, fully compatible with silicon fabrication technologies. The development of the technology includes the choice of several thin films materials of different functionality (sacrificial layers, structural layers, metallic contacts, and piezoelectric layers) and their processing (deposition and etching processes). The final choice of the suitable material for each application has been made after a selection and optimization process of different materials. Sputtered porous silicon oxide layers with very high etch rates have been selected as sacrificial layers; low stress silicon nitride films are the candidates of choice as sacrificial layers. Finally, sputtered aluminium nitride films with high piezoelectric activity combined with molybdenum electrodes are the materials chosen for the piezoelectric stack. Different structural and piezoelectric characterization techniques have been applied to investigate the properties of the piezoelectric polycrystalline AlN layers in order to optimize their piezoelectric activity. To validate the technology, piezoelectric microrresonators have been fabricated. These devices have been characterized by laser interferometry and Doppler vibrometry techniques. These measurements helped us to asses the frequency response and evaluate the influence of thin films characteristics in their vibrational modes. A model to predict the frequency response of the resonators has been developed as well. Additionally, the frequency response of the devices has been characterized by admittance spectroscopy. The use of a piezoelectric capacitor has allowed actuating and sensing the induced displacements simultaneously by electrical means. This is due to the significant impedance variations that take place in the resonance. We have investigated the viability of using these devices as gravimetric sensors and quasistatic actuators. In the first case, the devices have been loaded with sputtered silicon oxide thin films of different thickness, representing different mass loading; the resulting resonant frequency shifts have been measured. The best mass sensitivity obtained is similar to the best one reported in the bibliography for similar devices. Finally, the devices have been tested as quasistatic actuators. When a low frequency voltage was applied to the resonators, the structure was bended; its displacement is in the order of several micrometer, high enough for several actuation application such as micro-switching.
%D 2009
%I Telecomunicacion
%L upm3005