Design and characterization of in-plane piezoelectric-actuated microcantilevers

Thumbnail Image

Files

master_Nieminen_Tarmo_2021.pdf (2.91 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2021-08-24

Department

Major/Subject

Functional materials

Mcode

CHEM3025

Degree programme

Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering

Language

en

Pages

62+7

Series

Abstract

This thesis set out to study the deflection of in-plane piezoelectric-actuated microcantilevers through finite element method modelling, and to create a method for measuring the in-plane motion. Piezoelectric microelectromehcanical systems (MEMS) are potential improvement on electrostatic MEMS. In-plane piezoelectric-actuated microcantilever is a novel piezoelectric MEMS for high amplitude resonators. These structures create complicated two dimensional in-plane motion and currently no good method exists for characterizing this motion. The modelling showed that the in-plane deflection of the microcantilevers is in the range of hundreds of nanometers, and over 60 times larger than the out-of-plane deflection. An algorithm, called the blurred image, based on approximating the deflection from motion blur, was developed to study the in-plane deflection. The algorithm was able to detect complicated two dimensional motion of a metronome to a high accuracy. The results of the modelling show that the sidewall cantilevers are excellent at creating in-plane deflection. However, these results should be confirmed by manufacturing them and testing them in practice. The blurred image algorithm gave very promising results about its capabilities in measuring complicated in-plane motion, but the algorithm should be tested with nanometer scale motion.

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia pietsosähköispäällysteisten mikropuomien tasoliikettä käyttäen elementtimenetelmämallinnusta, sekä kehittää menetelmä tasoliikkeen mittaamiseksi. Pietsosähköiset mikrosysteemit ovat mahdollinen parannus elektrostaattisiin mikrosysteemeihin. Pietsösähköpäällysteiset mikropuomit ovat uusi rakenne korkean taajuden resonaattoreihin. Näidän rakenteiden liike on kaksiulotteista tasoliikettä, jonka mittaamiseen ei ole olemassa kunnollisia menetelmiä. Mikropuomien mallinnus osoitti, että niiden luoma tasoliike on voimakuudeltaan satoja nanometrejä ja yli 60 kertaa voimakkaampaa kuin tasosta poispäin suuntautunut liike. Sumea kuva algoritmi kehitettiin kaksiulotteisen tasoliikkeen arviointiin. Tämä algoritimi mittasi onnistuneesti metronomin kaksiulotteista tasoliikettä. Mallinnuksen tulokset osoittivat, että sivuseinämikropuomit ovat erinomainen rakenne tasoliikkeen luomiseen. Nämä tulokset tulisi kuitenkin varmistaa valmistamalla rakenteet ja mittaamalla niiden liike. Sumea kuva algoritmi toimi lupaavasti monimutkaisen tasoliikkeen mittaamisessa, mutta sen kyky mitata nanometrien liikettä täytyy varmistaa testaamalla sitä mikrokoon laitteilla.

Description

Supervisor

Paulasto-Kröckel, Mervi

Thesis advisor

Tiwary, Nikhilendu

Keywords

aluminium nitride, piezoelectric, in-plane actuation, microcantilever, motion detection, in-plane characterization

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202109058998

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM