تصنيع أنظمة الكربون الكهروميكانيكية الدقيقة ثلاثية الأبعاد (C-ميمس)

الهدف العام من هذا الإجراء هو تصنيع هياكل كربونية ثلاثية الأبعاد باستخدام عمليات النظام الكهروميكانيكي الدقيق التقليدية وغير التقليدية للكربون مع مصادر الكربون من بوليمر SU-8 وشعر الإنسان ، على التوالي. قبل 20 عاما ، بدأنا بالفعل عملية جديدة كاملة حيث نستبدل السيليكون كمادة رئيسية لصنع أجهزة MEMS ، والأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة. فكرتنا هي أن الكربون مادة أفضل من السيليكون لصنع هذه الأشكال ثلاثية الأبعاد.

على وجه التحديد ، نأخذ سلائف بوليمر ، ونصممها ، ثم نحولها إلى كربون عند درجة حرارة عالية ، حوالي 900 إلى 1000 درجة مئوية ، في جو خامل. ما يحدث في هذه العملية هو الحفاظ على الشكل ، لكنه يتقلص. بالترتيب ، لديك انكماش متساوي القياس ، وينتهي بك الأمر بأي شكل كربون ثلاثي الأبعاد قد تتخيله.

وهذا ما يسمى MEMS الكربونية. إنه أقل تكلفة بكثير لأن كل ما أفعله هو أخذ سلائف كربونية ، بوليمر ، ونمطها في ثلاثة أبعاد ثم تحويلها إلى كربون. يأتي الكربون في العديد من المتآصلات ، من الماس إلى الجرافيت إلى الكربون الزجاجي.

اعتمادا على كيفية معالجتي مسبقا لسلاسل البوليمر ، يمكن أن ينتهي بي الأمر بهيكل كربوني ثلاثي الأبعاد أكثر رسومية أو أكثر شبها بالماس أو يشبه الكربون الزجاجي. اليوم ، سيتم عرض عملية MEMS الكربونية من قبل طالب الدراسات العليا ، إشام شوملو. لبدء إجراء تصنيع هيكل البوليمر ، اضبط أولا لوح تسخين على 95 درجة مئوية.

قم بتشغيل المغطي الدوار ومضخة التفريغ المتصلة. قم ببرمجة تسلسل طلاء الدوران المكون من خطوتين مع الخطوة الأولى مدتها 10 ثوان عند 500 دورة في الدقيقة والخطوة الثانية مدتها 30 ثانية عند 1,000 دورة في الدقيقة ، وكلاهما بمعدل منحدر يبلغ 100 دورة في الدقيقة في الثانية. ضع رقاقة من السيليكون أو ركيزة أخرى على حامل الفراغ لآلة الطلاء الدورانية.

ابدأ الفراغ لتثبيت الركيزة على الحامل. قم بتطبيق ما يكفي من مقاومة الضوء السلبية القائمة على راتنجات الايبوكسي لتغطية سطح الركيزة. قم بتشغيل تسلسل طلاء الدوران المكون من خطوتين لتحقيق سمك نهائي مقاوم للضوء من واحد إلى 250 ميكرون.

حرر الركيزة من الحامل. باستخدام الملقط ، انقل الركيزة بعناية إلى لوح التسخين 95 درجة مئوية دون إزعاج الطبقة الرقيقة. اخبز الركيزة على حرارة 95 درجة مئوية لمدة دقيقة إلى 40 دقيقة ، اعتمادا على سمك مقاومة الضوء.

أثناء الخبز الناعم ، قم بتشغيل نظام الأشعة فوق البنفسجية للطباعة الحجرية الضوئية واضبط وقت التعرض على 12 ثانية. بمجرد اكتمال الخبز الناعم ، انقل الركيزة إلى نظام الأشعة فوق البنفسجية. قم بتثبيت القناع المزخرف بحامل قناع فراغ.

ضع حامل القناع مع القناع على نظام التعرض للأشعة فوق البنفسجية. ضع الركيزة المطلية بمقاومة الضوء على مسرح نظام التعرض للأشعة فوق البنفسجية. قم بتغطية الركيزة بالقناع المزخرف ، واضغط برفق على القناع على الركيزة.

قم بتعريض الركيزة لضوء الأشعة فوق البنفسجية للمدة المحددة ، ثم افصل القناع عن الركيزة ، قم بإجراء خبز ما بعد التعرض عند 95 درجة مئوية لمدة دقيقة إلى 15 دقيقة ، اعتمادا على سمك مقاومة الضوء. اغمر الركيزة في حل المطور المناسب لمدة دقيقة إلى 20 دقيقة مع هز الحاوية برفق. جفف الرقاقة المزخرفة تحت تيار من غاز النيتروجين أو الهواء المضغوط.

افحص الرقاقة تحت المجهر بتكبير 50 مرة للتحقق من أن النمط المطلوب على شكل جيد. بعد ذلك ، ضع الرقاقة المزخرفة في فرن أنبوبي مضغوط مفتوح. اضبط معدل التدفق لأول 15 دقيقة من التسلسل على 1.5 ضعف حجم أنبوب الفرن في الدقيقة ثم إلى حجم أنبوب الفرن في الدقيقة لبقية التسلسل.

اضبط تسلسلا من التكثيف على 300 درجة مئوية عند خمس درجات مئوية في الدقيقة ، مع الاستمرار عند 300 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة ، والارتفاع إلى 900 درجة مئوية بنفس المعدل والاحتفاظ به لمدة ساعة واحدة ، ثم التبريد إلى 300 درجة مئوية عند 10 درجات مئوية في الدقيقة. ثم قم بتشغيل تسلسل التدفئة والتبريد. بمجرد اكتمال التسلسل ، انتظر حتى تبرد العينة المحللة حراريا إلى درجة حرارة الغرفة تحت تيار من غاز النيتروجين.

ثم قم بإيقاف تشغيل الفرن وتدفق الغاز. بعد ذلك ، قم بإزالة العينة بالحرارة بعناية من الفرن وانتقل إلى التوصيف. لبدء تصنيع بنية كربونية ثلاثية الأبعاد مشتقة من الشعر ، اغسل عينة من شعر الإنسان بالماء منزوع الأيونات.

جفف عينة الشعر تحت تيار من غاز النيتروجين. احصل على رقاقة السيليكون أو قارب من السيراميك. رتب الشعيرات الفردية بالتكوين المطلوب على الرقاقة أو في القارب.

إذا كنت تستخدم رقاقة السيليكون ، فقم بتثبيت الشعر على الرقاقة باستخدام بوليمر قائم على الإيبوكسي. ثم ضع العينة في فرن أنبوبي مضغوط مفتوح النهاية. قم بتشغيل تسلسل الانحلال الحراري لتثبيت العينة أولا ثم تفحيمها.

اترك العينة تبرد إلى درجة حرارة الغرفة تحت تدفق النيتروجين. بعد ذلك ، قم بإزالة العينة بعناية من الفرن ، باستخدام الملقط عند الضرورة ، وانتقل إلى التوصيف. تم تحضير ألياف الكربون الدقيقة المشتقة من الشعر بأنماط مختلفة ، اعتمادا على الترتيب الأولي لعينة الشعر.

تم إجراء التحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة للطاقة والتحليل الطيفي رامان قبل وبعد الانحلال الحراري. ظهرت قمتان فقط تتوافق مع النطاقين D و G في طيف رامان بعد الانحلال الحراري. أشارت نسبة الشدة بين القمم إلى أن الهياكل المجهرية كانت تتكون بشكل أساسي من الكربون الزجاجي.

تم تصنيع المستشعرات الكهروكيميائية باستخدام الكربون العاري أو الأنابيب النانوية الكربونية أو ألياف الكربون المشتقة من الشعر. أظهر القياس الفولتاميتري الدوري لمحاليل الدوبامين وحمض الأسكوربيك أن القطب الكهربائي الذي يشتمل على ألياف الكربون المشتقة من الشعر أظهر أداء محسنا مقارنة بالكربون العاري ، على الرغم من أنها لا تتطابق مع أداء الأنابيب النانوية الكربونية. آمل أن يلهم هذا الفيديو القصير عن MEMS الكربوني الكثير منكم لاستكشاف العملية بأنفسكم.

في الواقع ، هناك العديد والعديد من التطبيقات التي يمكنني رؤيتها تخرج من هذه العملية البسيطة. يمكن أن يتراوح هذا من البطاريات الجديدة ، وخلايا الوقود الجديدة ، وأجهزة الاستشعار الجديدة ، وما إلى ذلك. ربما ، تجاوز السيليكون كأهم مادة MEMS.