Novel readout techniques for nanoelectromechanical resonators

Abstract

Nanoelectromechanical resonators have shown outstanding performance in mass sensing and heavy filtering applications due to their exceptional sensitivities and high quality factors, among other characteristics. The transduction scheme of such devices can rely on multiple physical principles. One approach consist on using piezoelectric effect for both actuation and detection; a time-varying voltage applied to the device creates an electric field across a piezoelectric material generating a mechanical stress in the structure that is maximised at resonance, and the deflection of such material induces a displacement (motional) current that can be collected. Nevertheless, NEMS resonators suffer from huge parasitic reactances that can impair the signal analysis. The effect of the parasitic reactances is a coherent background appearing in the readout. Although it is quite difficult to fully understand the electrical path the driving signal follows and accurately cancel out the background, one can use techniques based on impedance bridging or electromechanical mixing in an effort to at least null its effect around the resonance frequency of the device. Novel methods are researched aiming for the maximisation of two figures of merit: signal-to-background and signal-to-noise ratios. In particular, the goal of the project consist on finding a technique that can be broadly applied to NEMS resonators, and implement it experimentally to perform electronic detection on devices fabricated in the Advanced NEMS group at EPFL. In the first part of this project, a background cancellation technique based on a Negative Impedance Converter (NIC) is proposed; the idea is simple, the NIC should neutralise the parasitic feedthrough path of the resonator hence making the motional current the only component that is detected. Unfortunately, these circuits are prone to instability, thus stability is assessed together with non-ideal effects that degrade the signal-to-background and signal-to-noise ratios. The technique is implemented to detect electronically the motion of Suspended Microchannel Resonators in vacuum, and measurements are presented. The second part is dedicated to the theoretical analysis of impedance matching techniques so as to come up with passive networks that can be employed for a broadband of frequencies. In this way, insertion losses due to huge motional impedances of NEMS resonators are reduced, facilitating signal detection by improving the signal-to-noise ratio. Additionally, such methods are applied to a modified impedance bridge to maximise the signal-to-background ratio making use of balanced-unbalanced transformers.

Los resonadores nanoelectromecanicos (NEMS) muestran rendimientos superlativos en aplicaciones como sensado de masas y filtrado, gracias a su excepcional sensibilidad y altos factores de calidad, entre otras características. El principio de transducción de estos dispositivos puede ser basado en diversos principios. Una alternativa consiste en aprovechar el efecto piezoeléctrico para la actuación del dispositivo, y la detección de su movimiento simultáneamente; un voltaje variante en el tiempo aplicado al resonador crea un campo eléctrico a través del material piezoeléctrico, generando tensión mecánica en la estructura, siendo máxima en resonancia, y la deflexión de dicho material induce una corriente de desplazamiento (relacionada con el movimiento) que puede ser colectada. Sin embargo, los resonadores NEMS son proclives a grandes reactancias parasitas que dificultan la detección de la señal de movimiento. Aunque es muy difícil entender completamente el camino eléctrico que la señal de excitación sigue en el resonador para cancelar el background, es posible utilizar técnicas basadas en puentes de impedancias o mezclado electromecánico en un esfuerzo para, al menos, anular el efecto del background alrededor de la frecuencia de resonancia del dispositivo. Nuevos métodos de acondicionamiento son investigados tratando de maximizar dos figuras de mérito: relación señal-ruido y señal-background. En particular, el objetivo de este proyecto consiste en encontrar una técnica de acondicionamiento que pueda ser aplicada ampliamente a resonadores NEMS, e implementarla experimentalmente para llevar a cabo detección electrónica de dispositivos fabricados en el grupo Advanced NEMS en EPFL. En la primera parte de este proyecto, se propone una técnica de cancelación de background basada en un Convertidor de Impedancia Negativo (NIC); la idea es simple, el NIC neutraliza la impedancia parásita de feedthrough haciendo que la corriente debida al movimiento del resonador sea la única componente detectada. Desafortunadamente, estas topologías son propensas a la inestabilidad, por lo que la estabilidad del circuito debe ser analizada junto con efectos no ideales que degradan las relaciones señal-ruido y señal-background. Dicha técnica es implementada, y medidas son llevadas a cabo, para detectar electrónicamente el movimiento de Suspended Microchannel Resonators en vacío. La segunda parte está dedicada al análisis teórico de adaptación de impedancias con el objetivo de dar con redes pasivas que puedan ser utilizadas en un amplio rango de frecuencias. De esta forma, las pérdidas por inserción debido a las altas impedancias de movimiento de los resonadores NEMS, son reducidas, facilitando la detección electrónica ya que la relación señal-ruido es mejorada. Adicionalmente, dichos métodos son aplicados en puentes de impedancias modificados para mejorar la relación señal-background también, haciendo uso de transformadores balun.

Els ressonadors nanoelectromecànics (NEMS) mostren rendiments superlatius en aplicacions com sensat de masses i filtrat, gràcies a la seva excepcional sensibilitat i alts factors de qualitat, entre altres característiques. El principi de transducció d'aquests dispositius pot ser basat en diversos principis. Una alternativa consisteix a aprofitar l'efecte piezoelèctric per a l'actuació del dispositiu, i la detecció del seu moviment simultàniament; un voltatge variant en el temps aplicat a l'ressonador crea un camp elèctric a través del material piezoelèctric, generant tensió mecànica en l'estructura, sent màxima en ressonància, i la deflexió d'aquest material indueix un corrent de desplaçament (relacionada amb el moviment) que pot ser colectada. No obstant, els ressonadors NEMS són proclius a grans reactàncies parasitas que dificulten la detecció del senyal de moviment. Tot i que és molt difícil entendre completament el camí elèctric que el senyal d'excitació segueix en el ressonador per cancel·lar el background, és possible utilitzar tècniques basades en ponts d'impedàncies o mesclat electromecànic en un esforç per, almenys, anul·lar l'efecte del background al voltant de la freqüència de ressonància del dispositiu. Nous mètodes de condicionament són investigats tractant de maximitzar dues figures de mèrit: relació senyal-soroll i senyal-background. En particular, l'objectiu d'aquest projecte consisteix a trobar una tècnica de condicionament que pugui ser aplicada àmpliament a ressonadors NEMS, i implementar-la experimentalment per dur a terme detecció electrònica de dispositius fabricats en el grup Advanced NEMS en EPFL. A la primera part d'aquest projecte, es proposa una tècnica de cancel·lació de background basada en un Convertidor de Impedància Negatiu (NIC); la idea és simple, el NIC neutralitza la impedància paràsita de feedthrough fent que el corrent deguda al moviment del ressonador sigui l'única component detectada. Malauradament, aquestes topologies són propenses a la inestabilitat, de manera que l'estabilitat del circuit ha de ser analitzada juntament amb efectes no ideals que degraden les relacions senyal-soroll i senyal-background. Aquesta tècnica és implementada, i mesures són dutes a terme, per detectar electrònicament el moviment de Suspended Microchannel Resonators en buit. La segona part està dedicada a l'anàlisi teòrica d'adaptació d'impedàncies amb l'objectiu de donar amb xarxes passives que puguin ser utilitzades en un ampli rang de freqüències. D'aquesta manera, les pèrdues per inserció a causa de les altes impedàncies de moviment dels ressonadors NEMS, són reduïdes, facilitant la detecció electrònica ja que la relació senyal-soroll és millorada. Addicionalment, aquests mètodes són aplicats en ponts d'impedàncies modificats per millorar la relació senyal-background també, fent ús de transformadors balun.