Rezultate (in Romanian)

New! Rezultate 2022

REZULTATE ESTIMATE. Etapa 3:
- Realizare structuri SAW pe membrane suspendate si pe membrane metalizate
- Caracterizare structuri
- Analiza comportarii simultane la temperatura si presiune a senzorului
- Diseminare rezultate

REZULTATE OBTINUTE
Realizarea structurilor de senzori SAW suspendate pe membrane
S-au realizat structuri SAW cu IDT-uri avand latimea digit/interdigit intre 100 nm si 150 nm pe membrane subtiri de GaN. Trei tipuri de membrane au fost corodate: (i) GaN cu grosimea de 0.7 μm, (ii) GaN/Si cu grosimea de 1.3 μm /10 μm si (iii) GaN/Si/Mo 1.3 μm/ 10 μm/ 30 nm.
Imagini de microscopie electronica, obtinute cu SEM Scanning Electron Microscope - Vega II LMU (TESCAN), ale unei structuri SAW avand wIDT = 150 nm, realizate pe membrane de GaN (aria membranei de 500 μm x 500 μm) sunt prezentate in Fig. 1.

Fig. 1 Fotografii SEM cu structuri SAW: (a) cip cu structura SAW de 150 nm; (b) zona care defineste membrana de GaN propriu-zisa; (c) detaliu cu zona IDT-ului

In Figura 2 este prezentata o imagine SEM cu membrana de GaN sparta intentionat pentru a identifica grosimea si pentru a pune in evidenta zona activa a IDT-urilor, suspendata pe membrana.

Fig. 2 Fotografii SEM de detaliu cu membrana sparta de GaN (pe spate) (a) si pe fata membranei cu zona IDT-ului (b)

Incapsularea structurilor de senzori
In etapa anterioara au fost realizate experimente in care au fost utilizate diferite materiale pentru aplicarea capsulelor (diferite tipuri de fotorezisti si adezivi neconductivi), rezultatele cele mai bune fiind obtinute cu ajutorul unui adeziv neconductiv de tip epoxy.
Capsulele sunt aplicate manual, cu ajutorul unui echipament de tip pick-and place, astfel incat o problema o constituie cantitatea de adeziv utilizata – de obicei apare un surplus care poate acoperi gaurile laterale sau poate sa afecteze structurile, dupa cum se poate observa in Fig. 3

Fig.3: Capsule aplicate in cursul optimizarii procesului; se observa ca adezivul poate sa acopere partial linia CPW si sa obtureze deschiderea.

Testele realizate au condus la optimizarea procesului, fotografii ale structurilor incapsulate fiind prezentate in Fig. 4.

Fig. 4: Fotografii optice ale structurilor dupa optimizarea procesului de incapsulare si fixarea ambelor capsule

Caracterizare cu variatia presiunii si a temperaturii

Structurile SAW au fost taiate in cipuri si apoi lipite pe un suport metalic astfel incat cavitatile care se creaza sub membrana sa fie inchise ermetic si sa ofere posibilitatea de deflexie a zonei active a rezonatorului SAW cand este aplicata o presiune exterioara. Variatia frecventei de rezonanta in functie de presiunea aplicata a fost determinata cu ajutorul unei incinte cu presiune controlata. Presiunea din incinta este monitorizata cu ajutorul unui manometru si poate fi reglata folosind doua robinete: unul pentru admisia gazului (Azot) in incinta si altul pentru a elibera gazul in atmosfera. Stabilitatea temperaturii este un criteriu important in masurarea senzorilor duali de presiune si temperatura bazati pe rezonatoare SAW, deoarece variatia inevitabila a temperaturii din cauza compresiei sau extensiei gazului cauzate de fluxul variabil de azot conduce la schimbarea frecventei de rezonanta a senzorilor. Din acest motiv temperatura din incinta a fost atent monitorizata pe parcursul masuratorilor.
Coeficientul de reflexie S11 a fost masurat initial la temperatura camerei si presiune ambianta cu un analizor vectorial de retea 37397D (Vector Network Analzyer - Anritsu) si o pereche de sonde pentru masurari direct pe placheta, model PM5 produs de Suss Microtec.
Structurile SAW realizate pe membrane de GaN/Si (1.3 µm/10 µm), avand wIDT = 150 nm au prezentat 2 frecvente de rezonanta, identificate ca fiind modurile de propagare Rayleigh (R) si Lamb (L): fR = 7.17 GHz; fL = 12.9 GHz.

Fig.5 Structuri SAW (wIDT = 150 nm) pe membrana de GaN/Si 1.3 μm /10 μm: Coeficientul de reflexie (a); Variatia frecventei de rezonanta cu presiunea la diferite temperaturi pentru fR (b) si pentru fL (c); Variatia frecventei de rezonanta cu temperatura pentru diferite presiuni pentru fR (d) si pentru fL (e);

Pentru acest tip de structura s-a observat o variatie liniara a frecventei de rezonanta cu presiunea si temperatura. S-au determinat valorile sensibilitatii in presiune (sP) si ale coeficientului de presiune in frecventa (PCF) (la temperaturi constante) cat si valorile sensibilitatii in temperatura (sT variaza intre -401 kHz/°C si -450 kHz/°C, in functie de temperatura) si a coeficientului de temperatura in frecventa (TCF – variaza intre -31 ppm/°C si -35 ppm/°C), la presiune constanta. S-au obtinut valori mari ale sensitivitatilor sT si sP, extrem de importante pentru rezolutia si acuratetea senzorului.

Diseminare

• Publicare lucrare stiintifica in revista IEEE Access in care este folosita metoda de simulare cuplata FEM+COM (prezentata in etapele 1 si 2) pentru structuri SAW folosite ca senzori de temperatura:

George Boldeiu, George E. Ponchak, Alexandra Nicoloiu, Claudia Nastase, Ioana Zdru, Adrian Dinescu, Alexandru Müller, Investigation of Temperature Sensing Capabilities of GaN/SiC and GaN/Sapphire Surface Acoustic Wave Devices, IEEE Access, vol. 10, pp. 741-752, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3137908. (Factor de impact: 3.476)

• Lucrare acceptata la Conferinta IEEE International Semiconductor Conference, ce va avea loc in perioada 12 – 14 Octombrie 2022:

D. Vasilache, A. Nicoloiu, G. Boldeiu, I. Zdru, A. Kostopoulos, M. Nedelcu, A. Stavrinidis, C. Nastase, G. Stavrinidis, G. Konstantinidis, A. Dinescu, A. Müller, Development of high frequency SAW devices devoted for pressure sensing, acceptata la IEEE CAS 2022.

________________

Results 2021

________________

2020

ISI papers:

1. Alexandra Nicoloiu, George E. Stan, Claudia Nastase, George Boldeiu, Cristina Besleaga, Adrian Dinescu, Alexandru Müller, "The behaviour of gold metallized AlN/Si and AlN/glass based SAW structures as temperature sensors," in IEEE Transactions On Ultrasonics, Ferroelectrics, And Frequency Control, vol. 68, no. 5, May 2021, DOI: 10.1109/TUFFC.2020.3037789

ESTIMATED RESULTS

1st stage: Simulation of membrane suspended SAW structures (August-December 2020)
- Electromechanical simulation of SAW structures suspended on GaN and GaN/Si membranes
- The coupled FEM+COM simulation of membrane supported SAW structures at room temperature and atmospheric pressure
- The coupled FEM+COM simulation of backside metallized membrane supported SAW structures at room temperature and atmospheric pressure
- Webpage implementation

RESULTS OBTAINED

Electromechanical simulation of the backside metallized GaN membrane supported SAW structures

Fig.1 The mode shape for Rayleigh resonance frequency for the SAW structure on GaN (1.3 μm) membrane, having 50 nm Au on the backside, wIDT=150 nm; (a) Anti-symmetric Rayleigh mode f+ = 5.049 GHz; (b) Symmetric Rayleigh mode f- = 6.52 GHz

 

Fig.2 The symmetric Lamb mode shape (10.99 GHz) for the SAW structure on GaN (1.3 μm) membrane, having 50 nm Au on the backside; IDTs  w=150 nm; hAu=50 nm

The coupled FEM+COM simulation of backside metallized membrane supported SAW structures at room temperature and atmospheric pressure

A new simulation method was implemented for extracting an optimum admittance for the SAW structures realized on GaN and GaN/Si membranes. The method couples FEM (Finite Element Method, COMSOL) with „Coupling of Modes” and it was presented the first time for the temperature SAW sensors realized on AlN/Si and AlN/Glass in the published paper: A. Nicoloiu, et. al, IEEE Transactions On Ultrasonics, Ferroelectrics, And Frequency Control, vol. 68, no. 5, May 2021. The advantage of this method resides in taking into account the reflectivity and the attenuation. In the frame of dualSAW project this method is adapted for the dual pressure and temperature SAW sensors on thin GaN membranes.

Fig.3 The symmetric Lamb mode shape (10.99 GHz) for the SAW structure on GaN (1.3 μm) membrane, having 50 nm Au on the backside; IDTs  w=150 nm; hAu=50 nm

A comparison between the admittance extracted from the FEM (COMSOL) and the coupled simulation are shown below for the three envisaged structures. An improvement of three orders of magnitude in the amplitude of the admittance was obtained by including COM in the simulation procedure.

Fig.4 Real part of the admittance extracted from the coupled FEM – COM simulation (red) compared to the FEM simulation (black) for the backside metallized GaN membrane supported SAW structure C: (a) Rayleigh mode; (b) Lamb mode.