Abstracts Engineering

Enhancing Sensing in Nanoscale: Investigation of Smart Nanomechanical Cantilever Array

by Hiruy Michael Weldegiorgish

In this report, a novel smart nanocantilever with self-deflection sensor using embedded piezo-resistor and self-actuation using integrated piezo-electric actuator is proposed, designed and simulated to enable highly sensitive label free biosensor and ultra-short cantilever probe for AFM applications. The smart nanocantilever comprises of a triangular Si3N4 nanocantilever (10µm long, 400nm width and 100nm thickness) connected to a multi-layer support structure (Si3N4 (100nm)/PZT (100nm)) having n-type silicon piezo resistor (7µm long ,2µm width and 20nm thickness) embedded in the Si3N4 layer in both the support structure and nanocantilever. The nanocantilever is designed to maximize the resonance frequency and lower spring constant whereas piezoelectric actuator and piezo resistor is designed to maximize excitation and maximize change in resistance of nanocantilever respectively. The results show that the nanocantilever enhances sensitivity in static mode by factor of 36.5 while in dynamic mode by a factor of 658 for AFM application. For biosensor application, the nanocantilever enhanced the sensitivity in static and dynamic mode by factors of 5.6 and 13.8, respectively. I denna rapport presenteras en ny, smart nano-kantilever med självdetektion via sensorer som använder inbäddade piezoresistorer, och självpådrivning via integrerade piezoelektriska pådrivare. Dessa är designade och simulerade för att möjliggöra högsensitiva titelfria biosensorer och ultrakorta kantilever-prober för AFM-applikation. Den smarta nano-kantilevern består av en triangulär Si3N4 nano-kantilever (10µm lång, 400nm bred and 100nm djup) kopplad till en stödstruktur med flera lager (Si3N4 (100nm)/PZT (100nm)) och med en n-typ silikon piezoresistor (7µm lång ,2µm bred and 20nm djup) inbäddad i Si3N4 – lagret i både stödstrukturen och i nano-kantilevern. Denna är designad för att maximera resonansfrekvens och sänka fjädringskonstanten, medan den piezo-elektriska pådrivaren och piezo-resistorn är designade för att maximera excitering samt resistansändring för nano-kantilevern. Resultatet i denna rapport visar att nano-kantilevern förstärker känslighet i statiskt läge med en faktor på 36,5, med motsvarande faktor på 658 i dynamiskt läge för AMF- applikation. För biosenor-applikation förstärkte nano-kantilevern känsligheten i statiskt och dynamiskt läge med 5,6 och 13,8 respektive.