Real-Time DC-dinámico Método de polarización de conmutación Tiempo Mejoras en Severamente Subamortiguado Fleco campo electrostático MEMS actuadores

El objetivo general del siguiente experimento consiste en mejorar el tiempo de estabilización de los actuadores microelectromecánicos basados en campos electrostáticos de borde fuertemente subamortiguados. Esto se logra mediante la microfabricación del actuador electrostático MAMs. Como segundo paso, se realiza un grabado selectivo del sustrato situado debajo del actuador, lo que reduce significativamente el amortiguamiento por película de compresión y potencia las condiciones fuertemente subamortiguadas. A continuación, se emplean formas de onda de polarización dinámica en tiempo real con el fin de determinar los parámetros óptimos de la forma de onda para obtener un tiempo de estabilización rápido.

Se obtienen resultados que muestran una mejora significativa en el tiempo de conmutación en comparación con el sesgo típico de escalón unitario. Aunque el método se utiliza para mejorar el tiempo de conmutación de los actuadores electrostáticos de campo de borde, también puede aplicarse a campos como la micro-metrología para extraer parámetros de películas delgadas como el módulo de Young, la relación de Poisson y el esfuerzo de tracción biaxial. El primer paso en la fabricación de las vigas MEMS de campo de borde electrostático es la litografía UV.

Comience con un sustrato de silicio oxidado y de baja resistividad adecuadamente limpio, de 25 milímetros por 50 milímetros y con un espesor de 0,5 milímetros. En este video, representaciones esquemáticas de la sección transversal y la vista superior del sustrato mostrarán el progreso de la fabricación. Coloque el sustrato sobre el portamuestras de una centrífuga para aplicar resist fotográfico, gire recubriendo con hexametildisilazano y luego con resist fotográfico positivo.

Centrifugar cada uno a 3.500 RPM durante 30 segundos. Transferir la muestra a una placa calefactora ajustada a 105 grados Celsius y realizar un prehorneado del fotoresist durante 90 segundos. Esta es la vista esquemática de la muestra en este momento.

Una vez hecho esto, traslade la muestra a un alineador de máscaras. Utilice el dispositivo, cuya máscara se muestra en una versión simplificada, y exponga la muestra a radiación UV con una longitud de onda de 350 a 450 nanómetros y una energía de exposición de 391 milijulios por centímetro cuadrado. A continuación, lleve el portaobjetos a dos vasos preparados, uno con un revelador a base de hidróxido de tetraetilamonio y otro con agua desionizada, cada uno con volumen suficiente para sumergir la muestra; sumerja la muestra expuesta en el revelador durante 12 a 20 segundos y agítela suavemente.

Luego, retire rápidamente la muestra y sumérjala en el agua de enjuague durante 10 segundos. Después de enjuagar bien la muestra y secarla con nitrógeno, inspeccione la muestra bajo un microscopio para determinar si se requiere un desarrollo adicional. Esta figura representa la muestra cuando el desarrollo ha finalizado.

Proceda con el ataque húmedo utilizando ácido fluorhídrico amortiguado para eliminar la capa de óxido. Luego, elimine el fotoresistente usando acetona y alcohol isopropílico tras la eliminación del fotoresistente. El siguiente paso es un ataque químico con hidróxido de tetraetilamonio.

Utilice una placa calefactora con un termopar para mantener la temperatura, una barra de agitación magnética, un vaso de precipitados limpio de cuatro litros y un canasto de teflón que pueda colocarse dentro del vaso. Vierta tetraetilamonio al 25 % en peso hasta la marca de dos litros del vaso y agregue la barra de agitación; coloque el termopar en la solución. Luego caliente previamente la solución a 80 grados Celsius una vez que la solución alcance los 80 grados Celsius.

Coloque la muestra en la cesta, cuelgue la cesta en la solución desde el borde del vaso de precipitados. Asegúrese de dejar espacio para que el agitador magnético pueda girar. Establezca la velocidad de rotación del agitador a 400 RPM y realice la corrosión hasta una profundidad de cuatro a cinco micrómetros.

Después de aproximadamente 15 minutos, enjuague y seque adecuadamente la muestra y verifique la altura del escalón con un perfilómetro. Esta figura muestra la muestra cuando se ha alcanzado la altura del escalón. El siguiente paso consiste en eliminar el dióxido de silicio.

Tenga listo un vaso de precipitados de teflón con ácido fluorhídrico, al 49 % en volumen, suficiente para cubrir la muestra, y otro vaso de precipitados de teflón preparado de forma similar con agua desionizada. Coloque la muestra en el ácido fluorhídrico hasta que se elimine todo el dióxido de silicio en menos de 30 segundos. Transfiera la muestra al agua desionizada y déjela allí durante 10 a 20 segundos.

Continúe con enjuagues adicionales y elimine también los residuos orgánicos de la muestra. Tome la muestra limpia y seca y realice una oxidación térmica húmeda para crecer 500 nanómetros de dióxido de silicio sobre su superficie. A continuación se muestra la representación de la muestra tras el paso de crecimiento, cuando la capa de dióxido de silicio está completa; nuevamente, aplique hexa metil xilazina mediante centrifugado, seguido de un fotoresist positivo sobre la muestra.

Después de hornear suavemente el fotoresist, utilice un alineador de máscaras para exponer la muestra a radiación UV de 350 a 400 nanómetros. Con una energía de exposición de 391 milijoules por centímetro cuadrado, la máscara representada es una versión simplificada. A continuación, revele una muestra en un revelador basado en hidróxido de tetraetilamonio.

Termine el grabado con ácido fluorhídrico tamponado y retire la resistencia fotográfica. La muestra ya está lista para la deposición por pulverización catódica de la capa de siembra para el electroplacado. Deposite 20 nanómetros de titanio seguidos de 100 nanómetros de oro.

Esto muestra la muestra después de haber sido recuperada. Ahora, vuelva a aplicar recubrimiento por centrifugado con hexa metil DIY a 3.500 RPM durante 30 segundos. Luego, aplique resistencia fotopositiva a 2.000 RPM durante 30 segundos en un alineador de máscaras, alinee y exponga la muestra a luz ultravioleta de 350 a 450 nanómetros.

Con una energía de exposición de 483 milijulios por centímetro cuadrado, revele una muestra en un revelador a base de hidróxido de tetraetilamonio. Después de enjuagarla completamente, inspeccione la muestra con un microscopio para determinar si se requiere un desarrollo adicional. Una vez completado el revelado, electrodepósitese la viga MEMS de oro llenando primero un vaso de vidrio limpio de un litro con 700 mililitros de solución de electroplaqueado de oro.

Coloque el vaso de precipitados sobre una placa calefactora y ajuste la placa a 60 grados Celsius. Utilice un termopar para asegurarse de que la temperatura se mantenga en la temperatura deseada. Cuando la temperatura alcance 60 grados Celsius, sujete la muestra a un accesorio que también sostenga el termopar y un ánodo de acero inoxidable.

Electrodeposite la muestra utilizando una densidad de corriente de dos miliamperios por centímetro cuadrado hasta que haya transcurrido el tiempo necesario. Alrededor de dos minutos, apague la fuente de corriente y retire los electrodos. Para recuperar la muestra.

Verifique la finalización del electroplacado. Utilice un perfilómetro y un microscopio para grabar la foto. Rellene primero un vaso de vidrio con un desechador de resistencia fotográfica dedicado para moldear la resistencia fotográfica.

Coloque esto en una placa calefactora y caliente hasta 110 grados Celsius. Cuando se alcance la temperatura, sumerja la muestra en la solución durante una hora. Al final de la hora, retire el vaso de precipitados de la placa calefactora y deje que la solución y la muestra se enfríen a temperatura ambiente.

Estos dibujos representan lo que debería observarse después de limpiar la muestra. La región amarilla de la derecha representa la capa de oro depositada. Las regiones de oro representan las vigas electrodepositadas.

Después de rugosizar la superficie, sumerja la muestra en un vaso de Teflon con atacador de oro durante 30 a 45 segundos. Al finalizar, detenga rápidamente la atacación sumergiendo la muestra en agua desionizada durante 10 a 20 segundos, una vez que todo el oro haya sido eliminado. Después de un nuevo proceso de rugosización, sumerja la muestra en un atacador de ácido fluorhídrico tamponado a temperatura ambiente durante tres a seis segundos, enjuáguela, séquela e inspeccione la atacación para asegurarse de que todo el titanio haya sido eliminado de las áreas expuestas, como se muestra aquí esquemáticamente. Como paso final, realice un ataque seco isotrópico con difluoruro de xenón. Esto eliminará selectivamente el silicio y liberará las vigas fijas de oro.

Esta es la configuración final del haz después de la fabricación de los haces fijos. El siguiente paso es la validación experimental. Coloque la muestra sobre el portamuestras de una estación de prueba de corriente continua y fíjela.

A continuación, utilice el microscopio de la estación de sondas para posicionar con precisión las puntas de las sondas de tungsteno. Coloque la punta de la sonda de señal activa sobre la almohadilla del haz fijo. Coloque la punta de la sonda de tierra sobre la almohadilla de los electrodos de arrastre, encima de las almohadillas de polarización de continua del dispositivo.

A continuación, configure los parámetros de la forma de onda en el generador de funciones. Según el cálculo, pase la salida del generador de funciones a un amplificador lineal de alta velocidad y alto voltaje. Monitoree la salida con el osciloscopio digital con una frecuencia de muestreo de 300 megahercios.

Con el generador de funciones apagado, conecte la salida del amplificador lineal a los manipuladores de corriente continua. Ahora coloque el barómetro láser Doppler sobre la muestra y encienda el láser. Utilice el microscopio integrado para identificar la viga deseada y enfoque el láser en su centro.

Seleccione la frecuencia de muestreo de salida y los modos de medición con los preparativos completos. Aplique la señal de polarización a los puentes MEMS. Comience a ajustar los parámetros de temporización y voltaje en el generador de funciones. Trabaje para lograr una oscilación mínima del haz durante las operaciones de tracción y liberación.

Una vez encontrados los valores óptimos, desactive la señal de polarización y el modo de medición continuo del barómetro láser Doppler. Retire las puntas del sonda de las almohadillas de polarización. A continuación, haga funcionar el dispositivo en modo de escaneo único utilizando un viter, como se describe en el protocolo de texto adjunto.

Devuelva las puntas de la sonda de corriente continua a las almohadillas de polarización del puente MEMS. Active el escaneo de señal y capture los datos de desplazamiento en función del tiempo. A continuación se muestran las deflexiones del haz como función del tiempo para un puente MEMS en respuesta a un voltaje de entrada de 60 voltios bajo cuatro condiciones diferentes.

Las respuestas a la liberación escalonada se muestran en negro y presentan oscilación. Las mediciones de liberación dinámica mostradas en rojo se realizan después de ajustar las mediciones de tiempo y voltaje. Estas muestran que las oscilaciones se eliminan en gran parte.

Una vez encontrado, la forma de onda dinámica es útil para todos los espacios, no solo para el asociado con un sesgo de entrada de 60 voltios. Aquí, se muestra la respuesta de tirado hacia abajo para varias alturas de espacio que corresponden a diferentes voltajes de sesgo de entrada. En cada caso, las oscilaciones son limitadas.

De manera similar, aquí se muestran las respuestas de liberación en cada caso. Tenga en cuenta que prácticamente todas las oscilaciones han sido eliminadas. Recuerde que trabajar con productos químicos como el ácido fluorhídrico y el TMAH puede ser extremadamente peligroso.

Por lo tanto, se deben tomar precauciones como el uso de equipo de protección personal al realizar este procedimiento.