Real-Time DC-dinamica Metodo di polarizzazione per il tempo di commutazione miglioramento Severamente sottosmorzato frangente campo elettrostatico MEMS Attuatori
15 agosto 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 fringente elettrostatico, caratterizzati da condizioni di smorzamento ridotto. Attraverso l'impiego di forme d'onda di polarizzazione dinamica, la ricerca mira a potenziare notevolmente i tempi di commutazione rispetto ai metodi tradizionali.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Sistemi microelettromeccanici (MEMS)
- Elettrostatica
- Realizzazione di dispositivi
Sfondo
- Gli attuatori MEMS elettrostatici a campo disperso presentano un ridotto smorzamento da film viscoso.
- L'applicazione convenzionale di una tensione a gradino determina lunghi tempi di assestamento.
- Forme d'onda dinamiche di polarizzazione possono ottimizzare le prestazioni di commutazione.
- Le applicazioni si estendono alla micro-metrologia per l'estrazione delle proprietà dei materiali.
Scopo dello studio
- Per ridurre il tempo di assestamento in attuatori MEMS fortemente sottosmorzati.
- Per esplorare gli effetti dell'incisione del substrato sulle condizioni di smorzamento.
- Per identificare i parametri ottimali dell'onda per migliorare i tempi di commutazione.
Metodi Utilizzati
- Microfabbricazione di attuatori MEMS elettrostatici.
- Incisione selettiva del substrato per ridurre lo smorzamento.
- Implementazione di forme d'onda a polarizzazione dinamica in tempo reale.
- Confronto dei risultati con la polarizzazione tipica a gradino unitario.
Risultati principali
- Osservato un notevole miglioramento nei tempi di commutazione.
- Le forme d'onda dinamiche hanno prestazioni superiori rispetto ai metodi convenzionali.
- Il metodo è applicabile ad altri campi, come la micro metrologia.
- I risultati contribuiscono alla comprensione delle prestazioni degli attuatori.
Conclusioni
- La polarizzazione dinamica migliora efficacemente i tempi di assestamento.
- La corrosione selettiva del substrato è vantaggiosa per le prestazioni dell'attuatore.
- I risultati hanno implicazioni più ampie per le applicazioni MEMS.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Management
Questo metodo affronta la sfida dei lunghi tempi di assestamento negli attuatori MEMS sottosmorzati, un fattore critico nell'analisi ad alto rendimento e nello sviluppo di saggi, in cui un'attuazione rapida e affidabile influenza la qualità dei dati e la produttività. Migliorando le prestazioni di commutazione mediante polarizzazione dinamica e modifica del substrato, l'approccio aumenta l'affidabilità predittiva dei biosensori basati su MEMS e delle piattaforme lab-on-a-chip utilizzate per la validazione di bersagli e l'analisi fenotipica. La tecnica supporta la riduzione del rischio meccanicistico consentendo un controllo preciso della risposta meccanica e riducendo la variabilità nei risultati biologici successivi.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Valore scientifico: Consente l'interrogazione di ipotesi terapeutiche attraverso un'attuazione precisa e ripetibile nei biosensori basati su MEMS per il rilevamento di biomarcatori.
- Valore operativo: Riduce il tempo di assestamento, aumentando la produttività nei saggi di convalida di target funzionali che richiedono una rapida stabilizzazione del segnale.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Prepara interfacce biologiche validate su piattaforme MEMS per lo screening di composti successivi con una maggiore fedeltà del segnale.
- Valore operativo: Affronta la standardizzazione e la riproducibilità dei saggi riducendo al minimo gli artefatti dovuti alle oscillazioni meccaniche nelle letture basate sullo spostamento.
- Valore strategico: Supporta matrici di sensori MEMS scalabili e riutilizzabili per campagne di screening ad alto contenuto informativo.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Si allinea ai sistemi rilevanti per le malattie consentendo l'estrazione accurata delle proprietà meccaniche dei film sottili (ad esempio, il modulo di Young) pertinenti ai modelli di ingegneria tissutale.
- Valore operativo: Garantisce continuità dalla fase di scoperta fino alla validazione preclinica fornendo un'attuazione stabile e a bassa smorzamento per il monitoraggio longitudinale.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si inserisce nel percorso di scoperta che va dalla validazione precoce del bersaglio alla modellizzazione preclinica, in cui gli attuatori MEMS fungono da trasduttori in piattaforme di biosensing che richiedono una risposta meccanica rapida e stabile.
- Biologia della Scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi e la chiarificazione dei percorsi attraverso il controllo preciso e dinamico di biosensori basati su MEMS nella rilevazione in tempo reale di biomarcatori.
- Screening: Migliora la prontezza del saggio e l'affidabilità dell'output quantitativo riducendo il tempo di assestamento e le oscillazioni nelle misurazioni di spostamento.
- Analisi: Fornisce dati ad alta banda passante e a basso rumore di spostamento rispetto al tempo, che consentono un confronto accurato tra condizioni sperimentali.
- Ricerca Translazionale: Si collega alla continuità preclinica attraverso l'estrazione di proprietà dei materiali (ad esempio, sollecitazione meccanica biaxiale) rilevanti per la simulazione della matrice extracellulare.
- Riutilizzo Aziendale: Posiziona l'approccio di fabbricazione e polarizzazione dei MEMS come capacità di piattaforma riutilizzabile in diversi formati di saggio e classi di bersagli.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Affidabilità predittiva nelle prestazioni dei biosensori basati su MEMS, riduzione dell'ambiguità meccanicistica nella risposta meccanica.
- Valore operativo: Standardizzazione, riproducibilità e scalabilità dell'azionamento su array di MEMS su scala wafer.
- Valore strategico: Decisioni più accurate sul proseguimento o meno dello sviluppo del saggio, efficienza del capitale grazie a un aumento della produttività e riduzione dei falsi negativi biologici dovuti all'instabilità del segnale.
- Impatto sul portafoglio: Prioritizzazione corretta rispetto al rischio di strumenti diagnostici e di screening basati su MEMS, in base alla fedeltà dell'azionamento validata.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nella microfabbricazione MEMS, nella fotolitografia e nei processi di incisione umida.
- Richiede l'accesso ad amplificatori ad alta velocità e ad alta tensione e alla vibrometria Doppler laser per la validazione delle prestazioni.
- Necessita di una standardizzazione tra gruppi diversi per quanto riguarda microfabbricazione, sviluppo dei saggi e analisi dei dati.
- Comporta considerazioni di adattamento nel trasferire il passaggio di rimozione del substrato a diversi sistemi di materiali MEMS o a geometrie differenti.
- I limiti pratici includono elevate richieste di slew rate per le pompe di carica nell'integrazione su chip e la compatibilità con i processi CMOS di back-end-of-line.
