本文描述了两种在压电基底铌酸锂上制备叉指电极换能器的加工技术:剥离法和湿法刻蚀。铌酸锂是一种广泛用于产生表面声波的材料,目前在微米至纳米尺度的微流控领域具有广泛应用。所制备的电极能够高效激发兆赫级的瑞利表面声波。
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本文描述了两种在压电基底铌酸锂上制备叉指电极换能器的加工技术:剥离法和湿法刻蚀。铌酸锂是一种广泛用于产生表面声波的材料,目前在微米至纳米尺度的微流控领域具有广泛应用。所制备的电极能够高效激发兆赫级的瑞利表面声波。
在微小尺度上通过声学驱动来操控流体和颗粒,正推动着芯片实验室应用的快速发展。兆赫级表面声波(SAW)器件在其表面产生巨大的加速度,高达 108 m/s2,进而引发多种已被确认为声流控学特征的现象:声学射流和声辐射力。这些效应已被用于微尺度甚至纳尺度下的颗粒、细胞和流体操控。本文详细展示了在铌酸锂基底上制备 SAW 器件的两种主要方法:逐步描述了剥离法和湿法刻蚀技术的具体步骤。同时详细展示了沉积在基底上的电极图形的代表性结果,以及表面生成的 SAW 性能。还涵盖了器件制备过程中的实用技巧与故障排除方法。该流程为高频 SAW 器件的制备与集成提供了切实可行的操作方案,适用于未来的微流控应用。
利用众所周知的逆压电效应(即原子偶极子在施加电场时产生应变),诸如铌酸锂 LiNbO3(LN)和钽酸锂 LiTaO3(LT)等压电晶体可作为机电换能器,用于在微尺度应用中产生表面声波(SAW)1,2,3,4,5,6。通过在10–1000 MHz频率范围内实现高达1 nm的位移,SAW驱动的振动克服了传统超声技术的典型局限:加速度小、波长较长以及设备体积大。近年来,针对流体及悬浮颗粒操控的研究进展迅速,已有大量近期且易于获取的综述文献7,8,9,10。
制造集成声表面波(SAW)的微流控器件需要在压电基底上制备电极——即叉指换能器(IDT)
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1. 通过剥离法制备SAW器件
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待测IDT的设计谐振频率为100 MHz,其指状电极的宽度及间距均为10 μm,由此产生的波长为40 μm。图1展示了采用此方法制备的SAW器件及IDT。
通过使用与叉指换能器(IDT)共振频率相匹配的交变电信号,可在压电材料表面产生表面声波(SAW)。激光多普勒测振仪(LDV)利用表面的多普勒效应测量振动,再通过信号处理,可获取并显示振幅、速度、加速度和相位等信息,并通过软件呈现。我们展示了在输入功率为140 mW、峰峰值电压为70 V、峰峰值电流为720 mA的条件下,频率从90 MHz到105 MHz扫频时的频率响应。如图2B所示,在96.5844 MHz的共振频率下,SAW的振幅为19.444 pm。相对于设计值100 MHz的微小频率降低,归因于金属IDT电极的质量负载效应。图2A展示了LDV测得的表面SAW振动,可见波从IDT处向外传播。计算得到的驻波比(SWR)为2.06,该值由最大振幅与最小振幅之比确定(纯行波时S.......
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通过任一方法制备的SAW器件均能在表面产生有用的行波,这些方法也为更复杂工艺以制备其他设计奠定了基础。由于顶部沉积金属的质量负载效应,共振频率通常略低于设计值。然而,仍有一些问题值得讨论,以避免出现故障。
剥离法
光刻胶的选择非常重要。虽然可以使用正性光刻胶进行制备,但这会更加困难。由于未曝光的光刻胶被溶解,残留在基底上的部分会形成梯形结构,尤其是在曝光不足时,如图4A中夸张所示。在该类光刻胶顶部溅射的金属会阻碍溶剂渗透,导致在剥离步骤中难以去除。另一方面,负性光刻胶在紫外光曝光区域被去除,如图4B所示,通常会形成带有悬垂结构的倒梯形,从而使剥离过程更容易。
除了正性光刻胶存在的剥离问题外,由于梯形结构的影响,电极指条最终会比设计的略窄,即指条之间的间距会略微增大。而使用负性光刻胶时,间距则会更小。这些效应会使谐振频率与设计目标值有轻微偏差.......
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢加州大学以及加州大学圣地亚哥分校的NANO3设施为本研究提供的资金和设施支持。本工作部分在加州大学圣地亚哥分校的圣地亚哥纳米技术基础设施(SDNI)完成,SDNI是国家纳米技术协调基础设施的成员,由美国国家科学基金会资助(项目编号ECCS-1542148)。本文所展示的工作还得到了W.M.凯克基金会研究基金的慷慨支持。作者同时感谢美国海军研究办公室(项目编号12368098)对本研究的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 吸收体 | Dragon Skin,Smooth-On, Inc.,美国宾夕法尼亚州麦康基 | Dragon Skin 10 MEDIUM | |
| 放大器 | Mini-Circuits,美国纽约州布鲁克林 | ZHL–1–2W–S+ | |
| 相机 | 日本东京都港区,尼康公司 | D5300 | |
| 铬蚀刻剂 | Transene Company, INC, Danvers, MA, 美国 | 1020 | |
| 开发者 | 美国新泽西州富特里克斯 | RD6 | |
| 开发者 | EMD Performance Materials Corp.,美国宾夕法尼亚州费城 | AZ300MIF | |
| 切割锯 | 日本东京迪斯科 | Disco 自动切片锯 3220 | |
| 金蚀刻剂 | Transene Company, INC, Danvers, MA, 美国 | TFA 型 | |
| 打孔钻 | Dremel,美国伊利诺伊州芒特普罗斯佩克特 | 型号 #4000 | 4000 高性能变频旋转器 |
| 倒置显微镜 | Amscope,尔湾,加利福尼亚州,美国 | IN480TC-FL-MF603 | |
| 激光多普勒测振仪(LDV) | Polytec,德国瓦尔德布隆 | UHF-120 | 4” 双面抛光,0.5 mm 厚,128°Y轴旋转切割的铌酸锂 |
| 铌酸锂基底 | PMOptics,美国马萨诸塞州伯灵顿 | PWLN-431232 | |
| 掩模对准器 | Heidelberg Instruments,德国海德堡 | MLA150 | 在其内部进行 fabrication 过程。 |
| Nano3 洁净室设施 | 美国加利福尼亚州拉霍亚,加州大学圣地亚哥分校 | ||
| 负性光刻胶 | 美国新泽西州富图雷克斯 | NR9-1500PY | |
| 示波器 | 美国加利福尼亚州圣罗莎市是德科技公司 | InfiniiVision 2000 X系列 | |
| 正性光刻胶 | AZ1512 | Denton Discovery 18 溅射系统 | |
| 信号发生器 | 日本横滨,NF 公司 | WF1967 多功能信号发生器 | Wafer Dipper 4" |
| 溅射沉积 | 美国新泽西州登顿真空公司 | 邓顿 18 | |
| 聚四氟乙烯晶圆浸渍器 | ShapeMaster,美国伊利诺伊州奥格登 | SM4WD1 |
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