The effects of pressure on micromechanical air-filled cavities made by a pair of suspended, parallel silicon nitride membranes are investigated in the free molecular and quasi-molecular regimes. Variations of the fundamental drummode mechanical resonant frequencies and damping with air pressure are determined by means of optical interferometry. A kinetic damping linear friction force and a positive resonant frequency shift due to the compression of the fluid between the membranes are observed to be proportional to pressure in the range of 0.01–10 mbars. For resonators with near-degenerate modes, hybridization of the modes due to this squeeze film effect is also observed and well accounted for by a simple spring-coupled oscillator model.
References
1.
M.
Bao
, Micro Mechanical Transducers
, Handbook of Sensors and Actuators (Elsevier Science
, 2000
).2.
K. L.
Ekinci
and M. L.
Roukes
, Rev. Sci. Instrum.
76
, 061101
(2005
).3.
M.
Aspelmeyer
, T. J.
Kippenberg
, and F.
Marquardt
, Rev. Mod. Phys.
86
, 1391
(2014
).4.
S.
Joshi
, S.
Hung
, and S.
Vengallatore
, EPJ Tech. Instrum.
1
, 5
(2014
).5.
B.
Ilic
, H. G.
Craighead
, S.
Krylov
, W.
Senaratne
, C.
Ober
, and P.
Neuzil
, J. Appl. Phys.
95
, 3694
(2004
).6.
Y. T.
Yang
, C.
Callegari
, X. L.
Feng
, K. L.
Ekinci
, and M. L.
Roukes
, Nano Lett.
6
, 583
(2006
).7.
M.
Bao
and H.
Yang
, Sens. Actuators, A
136
, 3
(2007
).8.
M.
Andrews
, I.
Harris
, and G.
Turner
, Sens. Actuators, A
36
, 79
(1993
).9.
R. B.
Darling
, C.
Hivick
, and J.
Xu
, Sens. Actuators, A
70
, 32
(1998
).10.
S. S.
Verbridge
, R.
Ilic
, H. G.
Craighead
, and J. M.
Parpia
, Appl. Phys. Lett.
93
, 013101
(2008
).11.
H.
Okada
, T.
Itoh
, and T.
Suga
, Sens. Actuators, A
147
, 359
(2008
).12.
M.
Suijlen
, J.
Koning
, M.
van Gils
, and H.
Beijerinck
, Sens. Actuators, A
156
, 171
(2009
).13.
M.
Stifter
, M.
Sachse
, T.
Sauter
, W.
Hortschitz
, and F.
Keplinger
, J. Phys.: Conf. Ser.
362
, 012033
(2012
).14.
M.
Andrews
, G.
Turner
, P.
Harris
, and I.
Harris
, Sens. Actuators, A
36
, 219
(1993
).15.
D. R.
Southworth
, H. G.
Craighead
, and J. M.
Parpia
, Appl. Phys. Lett.
94
, 213506
(2009
).16.
A.
Kainz
, W.
Hortschitz
, M.
Stifter
, J.
Schalko
, and F.
Keplinger
, Proc. Eng.
87
, 440
(2014
).17.
L.
Kumar
, K.
Reimann
, M. J.
Goossens
, W. F. A.
Besling
, R. J.
Dolleman
, R. H. W.
Pijnenburg
, C.
van der Avoort
, L. P. M.
Sarro
, and P. G.
Steeneken
, J. Micromech. Microeng.
25
, 045011
(2015
).18.
S. T.
Hansen
, B. J.
Mossawir
, A. S.
Ergun
, F. L.
Degertekin
, and B. T.
Khuri-Yakub
, in 1999 International Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium (Cat. No. 99CH37027)
(1999
), Vol. 2
, pp. 1037
–1040
.19.
I. O.
Wygant
, M.
Kupnik
, B. T.
Khuri-Yakub
, M. S.
Wochner
, W. M.
Wright
, and M. F.
Hamilton
, in 2008 IEEE Ultrasonics Symposium
(2008
), pp. 2100
–2102
.20.
B. T.
Khuri-Yakub
and O.
Oralkan
, J. Micromech. Microeng.: Struct., Devices, Syst.
21
, 054004
(2011
).21.
Y.
Tsaturyan
, A.
Barg
, E. S.
Polzik
, and A.
Schliesser
, Nat. Nanotechnol.
12
, 776
(2017
).22.
J. D.
Thompson
, B. M.
Zwickl
, A. M.
Jayich
, F.
Marquardt
, S. M.
Girvin
, and J. G. E.
Harris
, Nature
452
, 72
(2008
).23.
T.
Bagci
, A.
Simonsen
, S.
Schmid
, L. G.
Villanueva
, E.
Zeuthen
, J.
Appel
, J. M.
Taylor
, A.
Sorensen
, K.
Usami
, A.
Schliesser
, and E. S.
Polzik
, Nature
507
, 81
(2014
).24.
R. W.
Andrews
, R. W.
Peterson
, T. P.
Purdy
, K.
Cicak
, R. W.
Simmonds
, C. A.
Regal
, and K. W.
Lehnert
, Nat. Phys.
10
, 321
(2014
).25.
J. M.
Fink
, M.
Kalaee
, A.
Pitanti
, R.
Norte
, L.
Heinzle
, M.
Davanço
, K.
Srinivasan
, and O.
Painter
, Nat. Commun.
7
, 12396
(2016
).26.
S. M.
Leinders
, W. J.
Westerveld
, J.
Pozo
, P. L. M. J.
van Neer
, B.
Snyder
, P.
O'Brien
, H. P.
Urbach
, N.
de Jong
, and M. D.
Verweij
, Sci. Rep.
5
, 14328
(2015
).27.
K.
Jensen
, R.
Budvytyte
, R. A.
Thomas
, T.
Wang
, A. M.
Fuchs
, M. V.
Balabas
, G.
Vasilakis
, L. D.
Mosgaard
, H. C.
Stærkind
, J. H.
Müller
, T.
Heimburg
, S.-P.
Olesen
, and E. S.
Polzik
, Sci. Rep.
6
, 29638
(2016
).28.
A.
Xuereb
, C.
Genes
, and A.
Dantan
, Phys. Rev. Lett.
109
, 223601
(2012
).29.
A.
Xuereb
, C.
Genes
, G.
Pupillo
, M.
Paternostro
, and A.
Dantan
, Phys. Rev. Lett.
112
, 133604
(2014
).30.
A.
Xuereb
, A.
Imparato
, and A.
Dantan
, New J. Phys.
17
, 055013
(2015
).31.
A.
Dantan
, B.
Nair
, G.
Pupillo
, and C.
Genes
, Phys. Rev. A
90
, 033820
(2014
).32.
C. B.
Møller
, R. A.
Thomas
, G.
Vasilakis
, E.
Zeuthen
, Y.
Tsaturyan
, M.
Balabas
, K.
Jensen
, A.
Schliesser
, K.
Hammerer
, and E. S.
Polzik
, Nature
547
, 191
(2017
).33.
B.
Nair
, A.
Naesby
, and A.
Dantan
, Opt. Lett.
42
, 1341
(2017
).34.
R.
Christian
, Vacuum
16
, 175
(1966
).35.
A.
Prak
, F. R.
Blom
, M.
Elwenspoek
, and T. S.
Lammerink
, Sens. Actuators, A
27
, 691
(1991
).36.
F. R.
Blom
, S.
Bouwstra
, M.
Elwenspoek
, and J. H. J.
Fluitman
, J. Vac. Sci. Technol. B: Microelectron. Nanometer Struct. Process., Meas., Phenom.
10
, 19
(1992
).37.
R.
Legtenberg
and H. A.
Tilmans
, Sens. Actuators, A
45
, 57
(1994
).38.
S.
Dohn
, R.
Sandberg
, W.
Svendsen
, and A.
Boisen
, Appl. Phys. Lett.
86
, 233501
(2005
).39.
J. F.
Vignola
, J. A.
Judge
, J.
Jarzynski
, M.
Zalalutdinov
, B. H.
Houston
, and J. W.
Baldwin
, Appl. Phys. Lett.
88
, 041921
(2006
).40.
M.
Li
, H. X.
Tang
, and M. L.
Roukes
, Nat. Nanotechnol.
2
, 114
(2007
).41.
L.
Khine
and M.
Palaniapan
, J. Micromech. Microeng.
19
, 015017
(2009
).42.
O.
Svitelskiy
, V.
Sauer
, N.
Liu
, K.-M.
Cheng
, E.
Finley
, M. R.
Freeman
, and W. K.
Hiebert
, Phys. Rev. Lett.
103
, 244501
(2009
).43.
K. L.
Ekinci
, V.
Yakhot
, S.
Rajauria
, C.
Colosqui
, and D. M.
Karabacak
, Lab Chip
10
, 3013
(2010
).44.
J. J.
Blech
, J. Lubr. Technol.
105
, 615
(1983
).45.
C.
Genes
and A.
Dantan
, J. Phys. B: At., Mol. Opt. Phys.
50
, 105502
(2017
).© 2017 Author(s).
2017
Author(s)
You do not currently have access to this content.
