Real-Time DC-dinamica Metodo di polarizzazione per il tempo di commutazione miglioramento Severamente sottosmorzato frangente campo elettrostatico MEMS Attuatori
August 15th, 2014
Il design robusto dispositivo di frange di campo elettrostatico attuatori MEMS risultati in condizioni di smorzamento squeeze film intrinsecamente bassi e lunghi tempi di assestamento durante l'esecuzione di operazioni di commutazione con passo polarizzazione convenzionale. Commutazione miglioramento del tempo con forme d'onda DC-dinamici in tempo reale riduce il tempo di assestamento di frange campo MEMS attuatori durante le transizioni tra up-to-down e down-to-up Stati.
L'obiettivo generale del seguente esperimento è quello di migliorare il tempo di assestamento di attuatori di sistemi microelettromeccanici con campo di frange elettrostatiche fortemente smorzato. Ciò si ottiene mediante microfabbricazione dell'attuatore elettrostatico MAMs Come seconda fase, il substrato sotto l'attuatore viene inciso selettivamente, il che riduce significativamente lo smorzamento del film di compressione e migliora le condizioni di forte umidità. Successivamente, le forme d'onda di polarizzazione dinamica vengono impiegate in tempo reale per determinare i parametri ottimali della forma d'onda per un tempo di assestamento rapido.
Si ottengono risultati che mostrano un significativo miglioramento del tempo di commutazione in base al confronto con la tipica polarizzazione a gradini unitari. Sebbene il metodo venga utilizzato per migliorare il tempo di commutazione degli attuatori di campo di frange elettrostatiche, può anche essere applicato a campi come la micrometrologia per estrarre parametri di film sottili come il modulo di Young, il rapporto di pance e la sollecitazione di trazione biassiale. Il primo passo nella fabbricazione dei fasci MEMS del campo di frange elettrostatiche è la litografia UV.
Iniziare con un substrato di silicio ossidato a bassa resistività adeguatamente pulito, di 25 millimetri per 50 millimetri e di 0,5 millimetri di spessore. In questo video, le rappresentazioni schematiche della sezione trasversale del substrato e la vista dall'alto mostreranno l'avanzamento della fabbricazione. Posizionare il substrato sul mandrino di un spinner spinner fotoresist, centrifugo esagonale, e poi foto positiva.
Resisti a ciascuno a 3, 500 giri/min per 30 secondi. Trasferire il campione su una piastra calda impostata a 105 gradi Celsius e cuocere delicatamente il fotoresist per 90 secondi. Questa è la vista schematica dell'esempio a questo punto.
Una volta fatto ciò, spostare il campione su un allineatore di maschere. Utilizzare il dispositivo, mascherare una versione semplificata del quale viene mostrata ed esporre il campione a radiazioni UV con una lunghezza d'onda da 350 a 450 nanometri e un'energia di esposizione di 391 millijoule per centimetro quadrato. Quindi, portare il vetrino su due becher preparati, uno con sviluppatore a base di idrossido di tetraetilammonio e un altro con acqua deionizzata, ciascuno con volume sufficiente per immergere il campione, immergere il campione esposto nello sviluppatore per 12-20 secondi e agitarlo delicatamente.
Quindi rimuovere rapidamente il campione e immergerlo nell'acqua di risciacquo per 10 secondi. Dopo che il campione è stato accuratamente risciacquato e quindi asciugato con azoto, ispezionare il campione al microscopio per vedere se è necessario un ulteriore sviluppo. Questa cifra rappresenta il campione al termine dello sviluppo.
Procedere con la mordenzatura a umido con acido fluoridrico tamponato per rimuovere lo strato di ossido. Quindi rimuovere il fotoresist usando acetone e alcol isopropilico dopo aver rimosso il fotoresist. Il passo successivo è un'incisione chimica con idrossido di tetraetilammonio.
Utilizzare una piastra riscaldante con una coppia termica per mantenere la temperatura, un'ancoretta magnetica, un peaker pulito da quattro litri e un cestello in teflon che può essere appoggiato nel becher. Versare il tetraetil ammonio al 25% in peso fino alla tacca dei due litri del becher e aggiungere la termocoppia di appoggio della barra di agitazione nella soluzione. Quindi preriscaldare la soluzione a 80 gradi Celsius una volta che la soluzione è a 80 gradi Celsius.
Posizionare il campione nel cestello, appendere il cestello nella soluzione dal bordo del becher. Assicurarsi di lasciare spazio per la rotazione dell'ancoretta magnetica. Impostare la velocità di rotazione dell'ancoretta a 400 giri/min e incidere a una profondità di quattro o cinque micrometri.
Dopo circa 15 minuti, sciacquare e asciugare adeguatamente il campione e controllare l'altezza del gradino con un profilometro. Questa figura raffigura il campione quando l'altezza del gradino è stata raggiunta. Il prossimo passo è rimuovere il biossido di silicio.
Preparare un becher di teflon con acido fluoridrico, 49% in volume sufficiente a coprire il campione, e un becher di teflon preparato in modo simile con acqua deionizzata. Immergere il campione nell'acido fluoridrico fino a rimuovere tutto il biossido di silicio in meno di 30 secondi. Trasferire il campione nell'acqua deionizzata e lasciarlo lì per 10-20 secondi.
Continuare con un ulteriore risciacquo e rimuovere anche i residui organici dal campione. Prelevare il campione pulito e asciutto ed eseguire l'ossidazione termica a umido per far crescere 500 nanometri di biossido di silicio sulla sua superficie. Ecco la rappresentazione del campione dopo la fase di crescita quando lo strato di biossido di silicio è completato, ancora una volta, spin code hexa metil xilazina seguito da fotoresist positivo sul campione.
Dopo aver cotto delicatamente il fotoresist, utilizzare un allineatore a maschera per esporre il campione a radiazioni UV da 350 a 400 nanometri. Con un'energia di esposizione di 391 millijoule per centimetro quadrato, la maschera raffigurata è semplificata. Successivamente, ha sviluppato un campione in uno sviluppatore a base di idrossido di ammonio tetraetile.
Completare l'incisione con acido fluoridrico tamponato e rimuovere la foto. Resist Il campione è ora pronto per la deposizione sputter dello strato di semi di elettroplaccatura. 20 nanometri di titanio seguiti da 100 nanometri di oro.
Questo rappresenta il campione dopo che è stato recuperato. Ora gira di nuovo rivestito con esametile fai-da-te a 3, 500 giri/min per 30 secondi. Quindi, fotoresist positivo a 2000 giri/min per 30 secondi su un allineatore a maschera, allineare ed esporre il campione a raggi UV da 350 a 450 nanometri.
Con un'energia di esposizione di 483 millijoule per centimetro quadrato, è stato sviluppato un campione in uno sviluppatore a base di idrossido di ammonio tetraetile. Dopo averlo risciacquato accuratamente, ispezionare il campione con un microscopio per determinare se è necessario un ulteriore sviluppo. Una volta completato lo sviluppo, galvanizzare il fascio di mems d'oro riempiendo prima un becher di vetro pulito da un litro con 700 millilitri di soluzione galvanica d'oro.
Posizionare il bicchiere su una piastra calda e impostare la piastra riscaldante a 60 gradi Celsius. Utilizzare una termocoppia per assicurarsi che la temperatura rimanga alla temperatura desiderata. Quando la temperatura è di 60 gradi Celsius, collegare il campione a un dispositivo che contenga anche una termocoppia e un anodo in acciaio inossidabile.
Galvanizzare il campione utilizzando una densità di corrente di due milliampere per centimetro quadrato fino a quando non è trascorso il tempo necessario. Circa due minuti, spegnere l'alimentazione di corrente e rimuovere gli elettrodi. Per recuperare il campione.
Verificare il completamento della galvanica. Utilizzando un profilometro e un microscopio, incidi la foto. Resisti alla muffa riempiendo prima un altoparlante in vetro con uno spogliarellista fotografico dedicato.
Mettilo su una piastra calda e scaldalo a 110 gradi Celsius. Quando la temperatura è raggiunta, immergere il campione nella soluzione per un'ora. Alla fine dell'ora, togliere il becher dalla piastra calda e lasciare raffreddare la soluzione e il campione a temperatura ambiente.
Questi schizzi rappresentano ciò che dovrebbe essere visto dopo che il campione è stato pulito. La regione gialla a destra rappresenta lo strato d'oro depositato. Le regioni dorate rappresentano i raggi galvanici.
Dopo aver irruvidito la superficie, immergere il campione in un becher di teflon con incisione in oro per 30-45 secondi Al termine, terminare rapidamente l'incisione immergendo il campione in acqua deionizzata per 10-20 secondi quando tutto l'oro è stato rimosso e, dopo un'ulteriore irruvidenza, immergere il campione in acido fluoridrico tamponato a temperatura ambiente per tre-sei secondi, Risciacquare, asciugare e ispezionare l'incisione per assicurarsi che tutto il titanio sia stato rimosso dalle aree esposte come mostrato qui schematicamente. Come passaggio finale, eseguire un bordo di fluoruro allo xeno isotropo a secco. Questo rimuoverà selettivamente il silicio e rilascerà le travi fisse e fisse d'oro.
Questo rappresenta la configurazione finale della trave dopo la fabbricazione delle travi fisse. Il passo successivo è la convalida sperimentale. Posizionare il campione sul mandrino di una stazione di sonda CC e fissarlo.
Quindi, utilizzare il microscopio della stazione della sonda per posizionare con precisione le punte della sonda in tungsteno. Posizionare la punta della sonda del segnale live sul pad per il raggio fisso fisso. Posizionare la punta della sonda di terra sopra il pad per gli elettrodi di trazione verso il basso sopra i pad di polarizzazione CC del dispositivo.
Quindi, imposta i parametri della forma d'onda sul generatore di funzioni. In base al calcolo, passare l'uscita del generatore di funzioni a un amplificatore lineare ad alta velocità e alta tensione. Monitora l'uscita con l'oscilloscopio digitale con una frequenza di campionamento di 300 megahertz.
Con il generatore di funzioni spento, collegare l'uscita dell'amplificatore lineare ai manipolatori CC. Ora posiziona il barometro laser doppler sul campione e accendi il laser. Utilizzare il microscopio integrato per identificare il raggio desiderato e focalizzare il laser sul suo centro.
Selezionare l'uscita della frequenza di campionamento e le modalità di misurazione Al termine delle preparazioni. Applicare il segnale di polarizzazione ai ponti MEMS. Iniziare a regolare i parametri di temporizzazione e tensione sul generatore di funzioni Lavorare per ottenere un'oscillazione minima del raggio durante le operazioni di abbassamento e rilascio.
Una volta trovati i valori ottimali, disattivare il segnale di polarizzazione e la modalità di misurazione del barometro laser doppler continuo. Sollevare le punte della sonda dai cuscinetti di polarizzazione. Quindi eseguire il dispositivo in modalità di scansione singola utilizzando un viter come descritto nel protocollo di testo allegato.
Riportare le punte della sonda CC sulle piazzole di polarizzazione del ponte MEMS. Attiva la scansione del segnale e acquisisci i dati di spostamento rispetto al tempo. Ecco le deflessioni del fascio in funzione del tempo per un ponte MEMS in risposta a una polarizzazione di ingresso a 60 volt per quattro diverse condizioni.
Le risposte di rilascio del passo sono mostrate in nero e mostrano oscillazione. Le misurazioni del rilascio dinamico mostrate in rosso vengono effettuate dopo che le misurazioni di temporizzazione e tensione sono state sintonizzate. Questi mostrano che le oscillazioni sono in gran parte rimosse.
Una volta trovata, la forma d'onda dinamica è utile per tutte le lacune, non solo per quella associata a una polarizzazione di ingresso a 60 volt. Qui, la risposta di pull down viene mostrata per diverse altezze di gap corrispondenti a diverse tensioni di polarizzazione di ingresso. In ogni caso, le oscillazioni sono limitate.
Allo stesso modo, ecco le risposte di rilascio in ogni caso. Si noti che praticamente tutte le oscillazioni vengono rimosse. Ricorda che lavorare con sostanze chimiche come l'acido fluoridrico e il TMAH può essere estremamente pericoloso.
Pertanto, è necessario prendere precauzioni come indossare dispositivi di protezione individuale durante l'esecuzione di questa procedura.
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Panoramica
Questo studio si concentra sul miglioramento del tempo di assestamento degli attuatori MEMS a campo fringing elettrostatico, che sono caratterizzati da condizioni di smorzamento basse. Impiegando forme d'onda di biasing dinamiche, la ricerca mira a migliorare significativamente i tempi di commutazione rispetto ai metodi tradizionali.
Componenti principali dello studio
Area della scienza
- Sistemi microelettromeccanici (MEMS)
- Elettrostatica
- Fabbricazione dei dispositivi
Contesto
- Gli attuatori MEMS elettrostatici a campo fringing presentano un basso smorzamento del film di compressione.
- Il biasing a gradino convenzionale porta a lunghi tempi di assestamento.
- Le forme d'onda di biasing dinamiche possono ottimizzare le prestazioni di commutazione.
- Le applicazioni si estendono alla micrometria per l'estrazione delle proprietà dei materiali.
Obiettivo dello studio
- Ridurre il tempo di assestamento negli attuatori MEMS gravemente sottosmorzati.
- Esplorare gli effetti dell'incisione del substrato sulle condizioni di smorzamento.
- Identificare i parametri ottimali delle forme d'onda per tempi di commutazione migliorati.
Metodi utilizzati
- Fabbricazione micro di attuatori MEMS elettrostatici.
- Incisione selettiva del substrato per ridurre lo smorzamento.
- Implementazione di forme d'onda di biasing dinamiche in tempo reale.
- Confronto dei risultati con il tipico biasing a gradino unitario.
Principali risultati
- Miglioramento significativo nei tempi di commutazione osservato.
- Le forme d'onda dinamiche hanno superato i metodi convenzionali.
- Il metodo è applicabile ad altri campi come la micrometria.
- I risultati contribuiscono alla comprensione delle prestazioni degli attuatori.
Conclusioni
- Il biasing dinamico migliora efficacemente i tempi di assestamento.
- L'incisione selettiva del substrato è vantaggiosa per le prestazioni degli attuatori.
- I risultati hanno implicazioni più ampie per le applicazioni MEMS.
Domande frequenti
Executive Industry Relevance
This method addresses the challenge of long settling times in underdamped MEMS actuators, a critical factor in high-throughput screening and assay development where rapid, reliable actuation impacts data quality and throughput. By improving switching performance through dynamic biasing and substrate modification, the approach enhances predictive confidence in MEMS-based biosensors and lab-on-a-chip platforms used for target validation and phenotypic screening. The technique supports mechanistic de-risking by enabling precise control over mechanical response, reducing variability in downstream biological readouts.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through precise, repeatable actuation in MEMS-based biosensors for biomarker detection.
- Operational Value: Reduces settling time, increasing throughput in functional target validation assays requiring rapid signal stabilization.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological interfaces on MEMS platforms for downstream compound screening with improved signal fidelity.
- Operational Value: Addresses assay standardization and reproducibility by minimizing mechanical oscillation artifacts in displacement-based readouts.
- Strategic Value: Supports scalable, reusable MEMS sensor arrays for high-content screening campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Aligns with disease-relevant systems by enabling accurate extraction of thin-film mechanical properties (e.g., Young's modulus) relevant to tissue engineering models.
- Operational Value: Ensures continuity from discovery through preclinical validation by providing stable, low-damping actuation for longitudinal monitoring.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from early target validation to preclinical modeling, where MEMS actuators serve as transducers in biosensing platforms requiring rapid, stable mechanical response.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling precise, dynamic control of MEMS-based biosensors in real-time biomarker detection.
- Screening: Enhances assay readiness and quantitative output reliability by reducing settling time and oscillation in displacement measurements.
- Analytics: Delivers high-bandwidth, low-noise displacement versus time data that enables accurate comparison of experimental conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity through material property extraction (e.g., biaxial tensile stress) relevant to extracellular matrix mimicry.
- Enterprise Reuse: Positions the MEMS fabrication and biasing approach as a reusable platform capability across multiple assay formats and target classes.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in MEMS-based biosensor performance, reduction of mechanistic ambiguity in mechanical response.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of actuation across wafer-scale MEMS arrays.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions in assay development, capital efficiency through increased throughput, and reduced biological false negatives due to signal instability.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of MEMS-based diagnostic and screening tools based on validated actuation fidelity.
Implementation Considerations
- Requires expertise in MEMS microfabrication, photolithography, and wet etching processes.
- Depends on access to high-speed, high-voltage amplifiers and laser Doppler vibrometry for performance validation.
- Necessitates cross-team standardization between microfabrication, assay development, and data analysis groups.
- Involves adaptation considerations when transferring the substrate removal step to different MEMS material systems or geometries.
- Practical limitations include aggressive slew rate demands on charge pumps for on-chip integration and compatibility with back-end-of-line CMOS processing.
