Development of VO2-based tunable micro-resonators

Abstract

This work presents the development of a tunable micro-mechanical resonator capable of reaching resonant frequency shifts of 23%. The resonator consists of a simple SiO2 bridge, which was fabricated using standard micro-fabrication technologies and then coated with a thin film of vanadium dioxide (VO2). The VO2 film was deposited by pulsed-laser-deposition (PLD). VO2 undergoes an insulator-to-metal transition (IMT) at close-to-room temperatures (~65oC). The observed frequency shift is due to the large stress levels that are induced on the bimorph structure due to the contraction of the VO2 film during the IMT. The simultaneous characterization of the VO2 film resistance and the resonant frequency of the bimorph micro- bridge structures coated with VO2 is accomplished using heating by conduction and by light irradiation. Both methods are compared. A temperature-to-laser-intensity relationship is also found and discussed along with a finite element method (FEM) analysis of the temperature distribution in the micro-bridge.

Este trabajo presenta el desarrollo de un micro-resonador sintonizable capaz de alcanzar hasta un 23% en cambios de frecuencia de resonancia. El resonador consiste de un simple puente de SiO2, que fue fabricado usando tecnologías convencionales de micro-fabricación, recubierto de una fina capa de dióxido de vanadio (VO2), la cual fue depositada mediante láser pulsado (PLD). El VO2 atraviesa una transición de aislante a metal (IMT) en función de temperatura cercana a ambiente (~ 65 °C). El cambio de la frecuencia se debe a los niveles de estrés que se inducen en la estructura bimorfa debido a la contracción de la película de VO2 durante el IMT. La caracterización simultánea de la resistencia de la película de VO2 y la frecuencia de resonancia de los micro-puentes cubiertos con VO2 fue realizada mediante calentamiento por conducción y por irradiación de luz. Ambos métodos son comparados y se encuentra una relación entre la temperatura y la intensidad del laser. Para validar los datos obtenidos y la diferencia entre ambos métodos de actuación, se simula la transferencia de calor en el dispositivo utilizando un método de elementos finitos (FEM).