Real-Time DC-dynamique Méthode de sollicitation pour Temps de commutation amélioration de franges champ gravement sous-amorti électrostatiques MEMS Actionneurs

L'objectif général de l'expérience suivante est d'améliorer le temps de stabilisation des actionneurs microélectromécaniques à champ électrostatique de bord très insuffisamment amortis. Cela est réalisé par la microfabrication de l'actionneur électrostatique MAMs. Dans une deuxième étape, le substrat situé sous l'actionneur est gravé sélectivement, ce qui réduit considérablement l'amortissement dû au film de fluide coincé et accentue les conditions de sous-amortissement prononcé. Ensuite, des formes d'onde de polarisation dynamique sont appliquées en temps réel afin de déterminer les paramètres optimaux de la forme d'onde pour un temps de stabilisation rapide.

Des résultats sont obtenus, montrant une amélioration significative du temps de commutation par comparaison avec un biais typique en échelon unitaire. Bien que la méthode soit utilisée pour améliorer le temps de commutation des actionneurs électrostatiques à champ de bord, elle peut également être appliquée à des domaines tels que la micro-métrologie afin d'extraire des paramètres de couches minces comme le module de Young, le coefficient de Poisson et la contrainte de traction biaxiale. La première étape dans la fabrication des poutres MEMS à champ de bord électrostatique est la lithographie UV.

Commencez avec un substrat de silicium oxydé et de faible résistivité correctement nettoyé, de 25 millimètres sur 50 millimètres et d'une épaisseur de 0,5 millimètre. Dans cette vidéo, des représentations schématiques de la coupe transversale et de la vue de dessus du substrat montreront l'avancement de la fabrication. Placez le substrat sur le mandrin d'une centrifugeuse pour dépôt de résine photosensible, appliquez une rotation, de l'hexa méthyl dine, puis une résine photosensible positive.

Centrifuger chaque échantillon à 3 500 tr/min pendant 30 secondes. Transférer l'échantillon sur un bloc chauffant réglé à 105 degrés Celsius et effectuer une cuisson douce de la résine photosensible pendant 90 secondes. Il s'agit de la vue schématique de l'échantillon à ce stade.

Une fois cette étape terminée, déplacez l'échantillon vers un aligneur de masque. Utilisez l'appareil, dont un masque dont une version simplifiée est illustrée, et exposez l'échantillon à un rayonnement UV dont la longueur d'onde est comprise entre 350 et 450 nanomètres et dont l'énergie d'exposition est de 391 millijoules par centimètre carré. Ensuite, placez la lame dans deux béchers préparés, l'un contenant un révélateur à base d'hydroxyde de tétraéthylammonium et l'autre de l'eau déionisée, chacun ayant un volume suffisant pour immerger l'échantillon ; immergez l'échantillon exposé dans le révélateur pendant 12 à 20 secondes et agitez-le doucement.

Ensuite, retirez rapidement l'échantillon et immergez-le dans l'eau de rinçage pendant 10 secondes. Une fois l'échantillon soigneusement rincé, séchez-le à l'azote, puis examinez-le au microscope pour déterminer s'il nécessite un développement supplémentaire. Cette figure représente l'échantillon une fois le développement terminé.

Procéder à la gravure humide à l'acide fluorhydrique tamponné pour éliminer la couche d'oxyde. Ensuite, enlever la résine photosensible à l'aide d'acétone et d'alcool isopropylique après le retrait de la résine photosensible. L'étape suivante consiste en une gravure chimique à l'hydroxyde de tétraéthylammonium.

Utilisez une plaque chauffante équipée d'un thermocouple pour maintenir la température, un barreau d'agitation magnétique, un bécher propre de quatre litres et un panier en téflon pouvant être supporté dans le bécher. Versez du tétraéthylammonium à 25 % en masse jusqu'au trait de deux litres du bécher, puis ajoutez le barreau d'agitation et fixez le thermocouple dans la solution. Préchauffez ensuite la solution à 80 degrés Celsius une fois que la solution a atteint 80 degrés Celsius.

Placer l'échantillon dans le panier, suspendre le panier dans la solution au bord du bécher. Veiller à laisser suffisamment d'espace pour permettre la rotation de l'agitateur magnétique. Régler la vitesse de rotation de l'agitateur à 400 tr/min et procéder à la gravure jusqu'à une profondeur de quatre à cinq micromètres.

Après environ 15 minutes, rincez et séchez correctement l'échantillon, puis vérifiez la hauteur de marche à l'aide d'un profilomètre. Cette figure représente l'échantillon une fois la hauteur de marche atteinte. L'étape suivante consiste à éliminer le dioxyde de silicium.

Préparez à l’avance un bécher en téflon contenant de l’acide fluorhydrique à 49 % en volume, suffisant pour recouvrir l’échantillon, ainsi qu’un autre bécher en téflon préparé de manière identique contenant de l’eau déionisée. Plongez l’échantillon dans l’acide fluorhydrique jusqu’à ce que toute la silice soit éliminée, en moins de 30 secondes. Transférez ensuite l’échantillon dans l’eau déionisée et laissez-le y tremper de 10 à 20 secondes.

Procédez à un rinçage supplémentaire et éliminez également les résidus organiques de l'échantillon. Prenez l'échantillon propre et sec et effectuez une oxydation thermique humide afin de faire croître 500 nanomètres de dioxyde de silicium à sa surface. Voici la représentation de l'échantillon après l'étape de croissance, lorsque la couche de dioxyde de silicium est terminée ; appliquez à nouveau du code spin hexa méthyl xylazine, suivi d'une résine photosensible positive sur l'échantillon.

Après la cuisson douce de la résine photosensible, utiliser un aligneur de masque pour exposer l'échantillon à un rayonnement UV de 350 à 400 nanomètres. Avec une énergie d'exposition de 391 millijoules par centimètre carré, le masque représenté est simplifié. Ensuite, développer un échantillon dans un révélateur à base d'hydroxyde de tétraéthylammonium.

Terminez la gravure avec de l'acide fluorhydrique tamponné et retirez la résine photosensible. L'échantillon est maintenant prêt pour le dépôt par pulvérisation cathodique de la couche germe de galvanoplastie déposée par pulvérisation : 20 nanomètres de titane suivis de 100 nanomètres d'or.

Ceci représente l'échantillon après son prélèvement. Effectuez à nouveau un dépôt par centrifugation avec de l'hexa méthyl DIY à 3 500 tr/min pendant 30 secondes. Ensuite, appliquez une résine photosensible positive à 2 000 tr/min pendant 30 secondes, alignez l'échantillon sur un aligneur de masque et exposez-le à une lumière UV de 350 à 450 nanomètres.

Avec une énergie d'exposition de 483 millijoules par centimètre carré, développer un échantillon dans un révélateur à base d'hydroxyde de tétraéthylammonium. Après un rinçage complet, examiner l'échantillon au microscope pour déterminer si un développement supplémentaire est nécessaire. Une fois le développement terminé, électrodéposer la poutre MEMS en or en remplissant d'abord un bécher en verre propre d'un litre avec 700 millilitres de solution d'électrodéposition de l'or.

Placer le bécher sur un agitateur chauffant et régler l'agitateur à 60 degrés Celsius. Utiliser un thermocouple pour s'assurer que la température reste à la température souhaitée. Lorsque la température atteint 60 degrés Celsius, fixer l'échantillon à un support qui maintient également le thermocouple et une anode en acier inoxydable.

Électrodéposez l'échantillon en utilisant une densité de courant de deux milliampères par centimètre carré jusqu'à ce que le temps nécessaire soit écoulé. Après environ deux minutes, éteignez l'alimentation en courant et retirez les électrodes afin de récupérer l'échantillon.

Vérifiez la fin du placage électrolytique. À l’aide d’un profilomètre et d’un microscope, gravez la photo. Remplissez d’abord un verre de monture avec un décapant spécifique pour résine photosensible afin de graver le moule en résine photosensible.

Placer ceci sur un chauffe-plaque et chauffer jusqu'à 110 degrés Celsius. Une fois la température atteinte, immerger l'échantillon dans la solution pendant une heure. Au terme de cette heure, retirer le bécher du chauffe-plaque et laisser refroidir la solution et l'échantillon à température ambiante.

Ces croquis représentent ce qui devrait être observé après le nettoyage de l'échantillon. La région jaune à droite représente la couche d'or déposée. Les régions dorées représentent les poutres électrodéposées.

Après avoir rendu la surface rugueuse, plonger l'échantillon dans un bécher en téflon contenant un réactif de gravure de l'or pendant 30 à 45 secondes. À la fin, interrompre rapidement la gravure en immergeant l'échantillon dans de l'eau déionisée pendant 10 à 20 secondes, une fois tout l'or éliminé. Après une nouvelle rugosification, plonger l'échantillon dans un réactif de gravure acide fluorhydrique tamponné à température ambiante pendant trois à six secondes, rincer, sécher et examiner la gravure afin de s'assurer que tout le titane a été retiré des zones exposées, comme illustré schématiquement ici. Comme étape finale, effectuer une gravure sèche isotrope au difluorure de xénon. Cette étape éliminera sélectivement le silicium et libérera les poutres fixes en or.

Ceci représente la configuration finale du faisceau après la fabrication des faisceaux fixes. L'étape suivante consiste en la validation expérimentale. Placer l'échantillon sur le porte-échantillon d'une station de mesure CC et le fixer solidement.

Ensuite, utilisez le microscope de la station de mesure pour positionner précisément les pointes de la sonde au tungstène. Placez la pointe de la sonde du signal actif sur la pastille du bras fixe. Placez la pointe de la sonde de masse sur la pastille des électrodes de polarisation descendante, au-dessus des pastilles de polarisation continue du dispositif.

Ensuite, réglez les paramètres de l'onde sur le générateur de fonctions. En fonction du calcul, transmettez la sortie du générateur de fonctions à un amplificateur linéaire haute tension et haute vitesse. Surveillez la sortie à l'aide de l'oscilloscope numérique avec une fréquence d'échantillonnage de 300 mégahertz.

Avec le générateur de fonctions éteint, reliez la sortie de l'amplificateur linéaire aux manipulateurs CC. Placez ensuite le baromètre laser Doppler au-dessus de l'échantillon et allumez le laser. Utilisez le microscope intégré pour identifier la poutre souhaitée et focalisez le laser sur son centre.

Sélectionnez la fréquence d'échantillonnage de sortie et les modes de mesure. Une fois les préparatifs terminés, appliquez le signal de polarisation aux ponts MEMS. Commencez à ajuster les paramètres de temporisation et de tension sur le générateur de fonctions. Travaillez à obtenir une oscillation minimale du faisceau lors des opérations de descente et de relâchement.

Une fois les valeurs optimales trouvées, désactivez le signal de polarisation et le mode de mesure continu du baromètre laser Doppler. Retirez les pointes de la sonde des plots de polarisation. Ensuite, faites fonctionner l'appareil en mode balayage unique à l'aide d'un viter, comme décrit dans le protocole accompagnant le texte.

Replacer les pointes de la sonde CC sur les plots de polarisation du pont MEMS. Activer la numérisation du signal et acquérir les données de déplacement en fonction du temps. Voici les déflexions du faisceau en fonction du temps pour un pont MEMS soumis à une tension de polarisation d'entrée de 60 volts dans quatre conditions différentes.

Les réponses à la libération par palier sont indiquées en noir et présentent des oscillations. Les mesures de libération dynamique indiquées en rouge sont effectuées après réglage du temporisation et des mesures de tension. Celles-ci montrent que les oscillations sont en grande partie éliminées.

Une fois trouvée, la forme d'onde dynamique est utile pour tous les intervalles, et pas seulement pour celui associé à une tension d'entrée de 60 volts. Ici, la réponse de descente est présentée pour plusieurs hauteurs d'intervalle correspondant à différentes tensions de polarisation d'entrée. Dans chaque cas, les oscillations sont limitées.

De même, voici les réponses en libération dans chaque cas. Notez que pratiquement toutes les oscillations sont éliminées. Veuillez vous rappeler que manipuler des produits chimiques comme l'acide fluorhydrique et le TMAH peut être extrêmement dangereux.

Par conséquent, des précautions telles que le port d'équipements de protection individuelle doivent être prises lors de l'exécution de cette procédure.