严重欠阻尼边缘场静电MEMS执行器中用于改善开关时间的实时直流动态偏置方法

以下实验的总体目标是改善严重欠阻尼静电边缘场微机电系统执行器的响应时间。首先通过微加工技术制备静电微机电系统执行器；第二步，选择性地刻蚀执行器下方的衬底，从而显著降低挤压膜阻尼，增强严重欠阻尼状态。随后，实时施加动态偏置波形，以确定实现快速响应时间的最优波形参数。

实验结果表明，与典型的单位阶跃偏置相比，开关时间显著改善。尽管该方法用于改善静电边缘场驱动器的开关时间，但也可应用于微尺度计量学等领域，以提取薄膜参数，如杨氏模量、泊松比和双轴拉伸应力。制备静电边缘场MEMS梁的第一步是紫外光刻。

从一块经过适当清洗的氧化低电阻率硅基底开始，尺寸为25毫米×50毫米，厚度为0.5毫米。在本视频中，基底的截面示意图和俯视图将展示器件制备的进展情况。将基底放置在光刻胶旋涂仪的卡盘上，依次旋涂六甲基二硅氮烷（HMDS），然后涂覆正性光刻胶。

在3,500 RPM条件下离心30秒。将样品转移至设定为105摄氏度的加热板上，对光刻胶进行90秒的前烘处理。此图为当前样品的示意图。

完成此步骤后，将样品转移至掩膜对准仪。使用该设备（其掩膜的简化示意图如图所示），用波长为 350 至 450 纳米、曝光能量为 391 毫焦耳/平方厘米的紫外光照射样品。随后，将载玻片依次放入两个预先准备好的烧杯中，一个装有以四乙基氢氧化铵为基础的显影液，另一个装有去离子水，每个烧杯中的液体体积均足以浸没样品；将曝光后的样品浸入显影液中 12 至 20 秒，并轻轻搅动。

然后迅速取出样品并将其浸入冲洗水中10秒。样品充分冲洗后，用氮气吹干，再在显微镜下检查样品，以确定是否需要进一步显影。此图表示显影完成后的样品状态。

使用缓冲氢氟酸进行湿法刻蚀，以去除氧化层。随后用丙酮和异丙醇去除光刻胶。下一步是使用四乙基氢氧化铵进行化学刻蚀。

使用带有热电偶的加热板以维持温度，配备磁力搅拌子、一个洁净的四升烧杯，以及一个可支撑在烧杯内的聚四氟乙烯（Teflon）篮。将质量分数为25%的四乙基氢氧化铵溶液倒入烧杯至两升刻度线处，加入搅拌子，并将热电偶固定于溶液中。随后将溶液预热至80摄氏度，当溶液达到80摄氏度时开始计时或进行后续操作。

将样品放入篮中，把篮子悬挂在烧杯边缘的溶液中。确保留出空间以便磁力搅拌子能够旋转。将搅拌子的转速设置为400 RPM，并蚀刻至四到五微米的深度。

大约15分钟后，用去离子水充分冲洗并干燥样品，然后使用台阶仪检测台阶高度。该图显示了达到目标台阶高度时的样品形貌。下一步是去除二氧化硅。

准备一个聚四氟乙烯烧杯，内装体积分数为49%的氢氟酸，用量需足以浸没样品，同时准备另一个相同的聚四氟乙烯烧杯，内装去离子水。将样品放入氢氟酸中，直至二氧化硅完全去除，时间少于30秒。随后将样品转移至去离子水中，浸泡10到20秒。

继续进行进一步清洗，并去除样品上的有机残留物。取洁净干燥的样品，进行湿法热氧化，使其表面生长500纳米的二氧化硅。此处展示的是完成二氧化硅层生长后的样品示意图，随后再次在样品上旋涂六甲基二甲苯并嗪（HMDS），接着涂覆正性光刻胶。

软烘光刻胶后，使用掩模对准仪将样品暴露于350至400纳米的紫外光下。在391毫焦耳/平方厘米的曝光能量下，所示掩模已简化。接着，使用基于四乙基氢氧化铵的显影液对样品进行显影。

使用缓冲氢氟酸完成蚀刻，并去除光刻胶。样品现已准备好进行溅射沉积电镀种子层，先溅射沉积20纳米的钛，再沉积100纳米的金。

这是样品取出后的状态。现在以3,500 RPM的转速旋涂六甲基二硅氧烷（hexa methyl DIY）30秒。然后在掩模对准器上以2000 RPM的转速旋涂正性光刻胶30秒，对准并用350至450纳米的紫外光照射样品。

使用483毫焦每平方厘米的曝光能量，在基于四乙基氢氧化铵的显影液中显影样品。充分冲洗后，用显微镜检查样品，以确定是否需要进一步显影。显影完成后，开始对金MEMS悬臂梁进行电镀：首先将700毫升金电镀液加入一个洁净的1升玻璃烧杯中。

将烧杯放在加热板上，并将加热板温度设置为 60 摄氏度。使用热电偶确保温度保持在所需温度。当温度达到 60 摄氏度时，将样品固定在夹具上，该夹具同时固定热电偶和不锈钢阳极。

使用2毫安/平方厘米的电流密度对样品进行电镀，直至达到所需时间（约两分钟）。然后关闭电源，移除电极，以取出样品。

验证电镀过程是否完成。使用轮廓仪和显微镜拍摄照片。通过先用专用的光刻胶剥离液填充玻璃烧杯，来蚀刻光刻胶模具。

将其置于加热板上，加热至 110 摄氏度。当达到该温度时，将样品浸入溶液中持续一小时。一小时结束后，将烧杯从加热板上取下，使溶液和样品冷却至室温。

这些示意图表示样品清洗后应观察到的结果。右侧的黄色区域代表沉积的金层。金色区域代表电镀形成的悬臂梁。

表面粗化后，将样品浸入聚四氟乙烯烧杯中的金刻蚀液中，刻蚀30至45秒。刻蚀完成后，当所有金均已被去除时，迅速将样品浸入去离子水中10至20秒以终止刻蚀反应；再次进行粗化处理后，将样品在室温下浸入缓冲氢氟酸刻蚀液中3至6秒，冲洗并干燥后检查刻蚀效果，确保暴露区域的钛已完全去除，如图中示意图所示。最后一步，进行干法各向同性的二氟化氙刻蚀，该步骤将选择性地去除硅，从而释放被固定的金固定梁结构。

这表示固定梁制备完成后的最终梁结构。下一步是进行实验验证。将样品放置在直流探针台的卡盘上并固定。

接下来，使用探针台的显微镜精确定位钨探针尖端。将信号探针尖端置于固定-固定梁的焊盘上方，将接地探针尖端置于器件直流偏置焊盘上用于下拉电极的焊盘上方。

接下来，在函数发生器上设置波形参数。根据计算结果，将函数发生器的输出连接至高速、高电压线性放大器。使用采样速率为 300 兆赫兹的数字示波器监测输出信号。

关闭函数发生器后，将线性放大器的输出端连接至直流操纵器。随后将激光多普勒测振仪置于样品上方，并开启激光。使用集成显微镜识别目标梁，并将激光聚焦在其中心位置。

选择采样率输出和测量模式。准备工作完成后，向 MEMS 桥施加偏置信号。开始调节函数发生器上的时序和电压参数，以在下拉和释放操作中实现最小的梁振荡。

找到最佳值后，关闭偏置信号和连续激光多普勒测振模式。将探针尖端从偏置焊盘上抬起。然后按照随附文本方案中所述，使用viter以单次扫描模式运行器件。

将直流探针尖端重新连接至MEMS桥的偏置焊盘。启动信号扫描，采集位移随时间变化的数据。以下是针对四种不同条件下，MEMS桥在施加60伏输入偏置电压时，梁的偏转随时间变化的曲线。

阶跃释放响应以黑色显示，表现出振荡现象。红色显示的动态释放测量结果是在对时间和电压测量进行调谐后获得的，这些结果表明振荡基本被消除。

一旦确定，该动态波形可用于所有间隙，而不仅限于与60伏输入偏压相关的间隙。此处展示了对应于不同输入偏压的多个间隙高度下的下拉响应。在每种情况下，振荡均受到限制。

同样，以下是各种情况下的释放响应。请注意，几乎所有的振荡都已被消除。请务必牢记，操作氢氟酸和四甲基氢氧化铵（TMAH）等化学品可能具有极高的危险性。

因此，在进行此操作时，应采取佩戴个人防护装备等预防措施。