Real-Time DC-dinâmico método de polarização para a mudança de melhoria no tempo em Severamente subamortecido Fringing-campo eletrostático MEMS Atuadores
15 de agosto de 2014
O design robusto dispositivo de franja-campo eletrostático atuadores MEMS resultados em condições de amortecimento de compressão de filme inerentemente baixos e longos tempos de sedimentação ao realizar operações de comutação usando polarização passo convencional. Em tempo real a mudança melhora o tempo com formas de ondas DC-dinâmicos reduz o tempo de estabilização de franjas em campo MEMS atuadores quando a transição entre-se para baixo e para baixo-à-up estados.
O objetivo geral do experimento a seguir é melhorar o tempo de acomodação de atuadores microeletromecânicos de campo eletrostático com amortecimento severamente subamortecido. Isso é alcançado pela microfabricação do atuador eletrostático MAMs. Em um segundo passo, o substrato sob o atuador é seletivamente gravado, o que reduz significativamente o amortecimento por filme de compressão e intensifica as condições de subamortecimento severo. Em seguida, formas de onda de polarização dinâmica são empregadas em tempo real para determinar os parâmetros ideais da forma de onda que proporcionam um tempo rápido de acomodação.
Obtêm-se resultados que mostram uma melhoria significativa no tempo de comutação com base na comparação com a polarização típica por degrau unitário. Embora o método seja usado para melhorar o tempo de comutação de atuadores eletrostáticos por campo de franja, ele também pode ser aplicado a áreas como a micro-metrologia para extrair parâmetros de filmes finos, como módulo de Young, razão de Poisson e tensão de tração biaxial. O primeiro passo na fabricação das vigas MEMS por campo de franja eletrostático é a litografia UV.
Inicie com um substrato de silício oxidado e de baixa resistividade devidamente limpo, com dimensões de 25 milímetros por 50 milímetros e espessura de 0,5 milímetro. Neste vídeo, representações esquemáticas da seção transversal e da vista superior do substrato mostrarão o andamento da fabricação. Coloque o substrato sobre o porta-substratos de uma centrífuga para aplicação de resistência fotolitográfica, faça a centrifugação, aplique hexametildissilazano e, em seguida, a resistência fotolitográfica positiva.
Resista cada um a 3.500 RPM por 30 segundos. Transfira a amostra para uma placa aquecida ajustada a 105 graus Celsius e faça a pré-secagem do fotoresiste por 90 segundos. Esta é a vista esquemática da amostra neste ponto.
Uma vez feito isso, transfira a amostra para um alinhador de máscara. Utilize o dispositivo, cuja máscara tem uma versão simplificada mostrada, e exponha a amostra à radiação UV com comprimento de onda entre 350 e 450 nanômetros e energia de exposição de 391 milijoules por centímetro quadrado. Em seguida, leve a lâmina a dois béqueres preparados, um contendo revelador à base de hidróxido de tetraetilamônio e outro com água desionizada, cada um com volume suficiente para submergir a amostra; submerja a amostra exposta no revelador por 12 a 20 segundos e agite suavemente.
Em seguida, remova rapidamente a amostra e mergulhe-a na água de enxágue por 10 segundos. Após enxaguar completamente a amostra e secá-la com nitrogênio, examine-a ao microscópio para verificar se é necessária uma nova revelação. Esta figura representa a amostra quando a revelação está concluída.
Prossiga com a corrosão úmida utilizando ácido fluorídrico tamponado para remover a camada de óxido. Em seguida, remova a resina fotossensível usando acetona e álcool isopropílico após a remoção da resina fotossensível. O próximo passo é uma corrosão química com hidróxido de tetraetilamônio.
Utilize uma placa aquecedora com um termopar para manter a temperatura, um agitador magnético, um béquer limpo de quatro litros e um cesto de teflon que possa ser apoiado dentro do béquer. Despeje tetraetilamônio a 25% em peso até a marca de dois litros do béquer e adicione o agitador magnético; fixe o termopar na solução. Em seguida, aqueça previamente a solução até 80 graus Celsius assim que a solução atingir 80 graus Celsius.
Coloque a amostra no cesto, pendure o cesto na solução a partir da borda do béquer. Certifique-se de deixar espaço para que o bastão de agitação magnético possa girar. Ajuste a velocidade de rotação do bastão de agitação para 400 RPM e realize a corrosão até uma profundidade de quatro a cinco micrômetros.
Após cerca de 15 minutos, enxágue e seque adequadamente a amostra e verifique a altura do degrau com um perfilômetro. Esta figura mostra a amostra quando a altura do degrupamento foi atingida. O próximo passo é remover o dióxido de silício.
Prepare um béquer de teflon com ácido fluorídrico, 49% em volume, suficiente para cobrir a amostra, e um outro béquer de teflon semelhantemente preparado com água desionizada. Coloque a amostra no ácido fluorídrico até que todo o dióxido de silício seja removido em menos de 30 segundos. Transfira a amostra para a água desionizada e deixe-a lá por 10 a 20 segundos.
Continue com a lavagem adicional e também remova os resíduos orgânicos da amostra. Pegue a amostra limpa e seca e realize uma oxidação térmica úmida para crescer 500 nanômetros de dióxido de silício em sua superfície. Abaixo está a representação da amostra após a etapa de crescimento, quando a camada de dióxido de silício está completa; novamente, aplique hexametilxilazina por centrifugação, seguido de fotoresiste positivo sobre a amostra.
Após o pré-recozimento do fotoresiste, utilize um alinhador de máscara para expor a amostra à radiação UV de 350 a 400 nanômetros. Com uma energia de exposição de 391 milijoules por centímetro quadrado, a máscara representada é simplificada. Em seguida, desenvolva uma amostra em um revelador à base de hidróxido de tetraetilamônio.
Complete a gravação com ácido fluorídrico tamponado e remova a foto. Resist O espécime está agora pronto para a deposição por pulverização catódica da camada semente para eletrodeposição depositada por pulverização catódica. Depósitos de 20 nanômetros de titânio seguidos por 100 nanômetros de ouro.
Isso mostra a amostra após ter sido recuperada. Em seguida, realize uma nova aplicação por centrifugação com hexa metil DIY a 3.500 RPM por 30 segundos. Depois, aplique um fotoresiste positivo a 2.000 RPM por 30 segundos, alinhe a amostra em um alinhador de máscaras e exponha-a à luz ultravioleta de 350 a 450 nanômetros.
Com uma energia de exposição de 483 milijoules por centímetro quadrado, desenvolva uma amostra em um revelador à base de hidróxido de tetraetilamônio. Após enxaguar completamente, inspecione a amostra com um microscópio para determinar se é necessário um desenvolvimento adicional. Quando o desenvolvimento estiver concluído, eletrodeposite a viga MEMS de ouro preenchendo primeiro um béquer de vidro limpo de um litro com 700 mililitros de solução eletrodepositada de ouro.
Coloque o béquer em uma placa aquecedora e ajuste a temperatura da placa para 60 graus Celsius. Utilize um termopar para garantir que a temperatura permaneça na temperatura desejada. Quando a temperatura atingir 60 graus Celsius, prenda a amostra a um suporte que também segura o termopar e um anodo de aço inoxidável.
Eletrorrevestir a amostra usando uma densidade de corrente de dois miliampères por centímetro quadrado até que o tempo necessário tenha decorrido. Após cerca de dois minutos, desligue a fonte de corrente e remova os eletrodos. Para recuperar a amostra.
Verifique a conclusão da eletrodeposição. Utilizando um perfilômetro e microscópio, faça a gravação da foto. Moldagem com resistência fotográfica enchendo primeiro um recipiente de vidro com um removedor específico de resistência fotográfica.
Coloque isso em uma placa aquecedora e aqueça até 110 graus Celsius. Quando a temperatura for atingida, mergulhe a amostra na solução por uma hora. Ao final da hora, retire o béquer da placa aquecedora e deixe a solução e a amostra esfriarem até a temperatura ambiente.
Esses esboços representam o que deve ser observado após a limpeza da amostra. A região amarela à direita representa a camada de ouro depositada. As regiões douradas representam as vigas eletrodeposicionadas.
Após o embrutecimento da superfície, mergulhe a amostra em um béquer de teflon com gravação a ouro por 30 a 45 segundos. Ao concluir, interrompa rapidamente a corrosão mergulhando a amostra em água deionizada por 10 a 20 segundos, até que todo o ouro seja removido. Após novo embrutecimento, submerja a amostra em solução gravadora de ácido fluorídrico tamponado à temperatura ambiente por três a seis segundos, enxágue e seque para, então, inspecionar a corrosão, garantindo que todo o titânio tenha sido removido das áreas expostas, conforme mostrado esquematicamente aqui. Como etapa final, realize uma corrosão seca isotrópica com fluoreto de xenônio. Isso removerá seletivamente o silício e liberará as vigas fixas de ouro.
Esta é a configuração final do feixe após a fabricação dos feixes fixos. O próximo passo é a validação experimental. Coloque a amostra na porta-amostras de uma estação de prova de corrente contínua e fixe-a.
Em seguida, utilize o microscópio da estação de sondagem para posicionar com precisão as pontas da sonda de tungstênio. Coloque a ponta da sonda de sinal ativo sobre o contato da viga fixa. Coloque a ponta da sonda de terra sobre o contato dos eletrodos de tração nos contatos de polarização DC do dispositivo.
Em seguida, ajuste os parâmetros da forma de onda no gerador de funções. Com base no cálculo, encaminhe a saída do gerador de funções para um amplificador linear de alta velocidade e alta tensão. Monitore a saída com o osciloscópio digital com uma taxa de amostragem de 300 megahertz.
Com o gerador de funções desligado, conecte a saída do amplificador linear aos manipuladores de corrente contínua. Posicione agora o barômetro a laser Doppler sobre a amostra e ligue o laser. Use o microscópio integrado para identificar o feixe desejado e foque o laser em seu centro.
Selecione a taxa de amostragem de saída e os modos de medição. Com os preparativos concluídos, aplique o sinal de polarização às pontes MEMS. Comece a ajustar os parâmetros de tempo e tensão no gerador de funções. Trabalhe para obter a menor oscilação possível do feixe nas operações de puxar para baixo e liberar.
Uma vez encontrados os valores ideais, desligue o sinal de polarização e o modo de medição contínua do barômetro a laser Doppler. Levante as pontas da sonda dos terminais de polarização. Em seguida, opere o dispositivo em modo de varredura única utilizando um viter conforme descrito no protocolo textual complementar.
Retorne as pontas do sonda CC aos terminais de polarização da ponte MEMS. Ative a varredura de sinal e capture os dados de deslocamento em função do tempo. Abaixo estão as deflexões da viga em função do tempo para uma ponte MEMS em resposta a uma tensão de entrada de polarização de 60 volts em quatro condições diferentes.
As respostas de liberação em degrau são mostradas em preto e exibem oscilação. As medições de liberação dinâmica mostradas em vermelho são realizadas após o ajuste dos tempos e das medições de tensão. Estas mostram que as oscilações são amplamente eliminadas.
Uma vez encontrado, a forma de onda dinâmica é útil para todos os espaços, não apenas para aquele associado a uma polarização de entrada de 60 volts. Aqui, a resposta de puxar para baixo é mostrada para várias alturas de espaço correspondentes a diferentes tensões de polarização de entrada. Em cada caso, as oscilações são limitadas.
Da mesma forma, aqui estão as respostas de liberação em todos os casos. Observe que virtualmente todas as oscilações foram eliminadas. Lembre-se de que trabalhar com produtos químicos como ácido fluorídrico e TMAH pode ser extremamente perigoso.
Portanto, precauções como o uso de equipamento de proteção individual devem ser adotadas ao realizar este procedimento.
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Visão Geral
Este estudo foca na melhoria do tempo de acomodação de atuadores MEMS de campo de franjas eletrostático, que são caracterizados por condições de baixo amortecimento. Ao empregar formas de onda de polarização dinâmica, a pesquisa tem como objetivo aprimorar significativamente os tempos de comutação em comparação com métodos tradicionais.
Componentes Principais do Estudo
Área de Ciência
- Sistemas microeletromecânicos (MEMS)
- Electrostática
- Fabricação de dispositivos
Contexto
- Os atuadores MEMS eletrostáticos com campo marginal apresentam baixo amortecimento por filme de compressão.
- O polarização convencional por degrau resulta em longos tempos de estabilização.
- Formas de onda de polarização dinâmica podem otimizar o desempenho de comutação.
- As aplicações estendem-se à micro-metrologia para extração de propriedades dos materiais.
Objetivo do Estudo
- Reduzir o tempo de estabilização em atuadores MEMS severamente subamortecidos.
- Explorar os efeitos da gravação do substrato nas condições de amortecimento.
- Identificar parâmetros de forma de onda ideais para tempos de comutação aprimorados.
Métodos Utilizados
- Microfabricação de atuadores MEMS eletrostáticos.
- Gravação seletiva do substrato para reduzir o amortecimento.
- Implementação de formas de onda de polarização dinâmica em tempo real.
- Comparação dos resultados com a polarização típica por degrau unitário.
Resultados Principais
- Observou-se melhoria significativa nos tempos de comutação.
- Formas de onda dinâmicas superaram métodos convencionais.
- O método é aplicável a outras áreas, como micro-metrologia.
- Os resultados contribuem para a compreensão do desempenho de atuadores.
Conclusões
- O polarização dinâmica melhora efetivamente os tempos de acomodação.
- A gravação seletiva do substrato é benéfica para o desempenho do atuador.
- Os resultados têm implicações mais amplas para aplicações em MEMS.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Este método aborda o desafio dos longos tempos de estabilização em atuadores MEMS subamortecidos, um fator crítico em triagens de alto rendimento e desenvolvimento de ensaios, onde a atuação rápida e confiável influencia a qualidade dos dados e a produtividade. Ao melhorar o desempenho de comutação por meio de polarização dinâmica e modificação do substrato, a abordagem aumenta a confiança preditiva em biossensores baseados em MEMS e plataformas laboratório-em-um-chip utilizadas na validação de alvos e triagem fenotípica. A técnica apoia a redução de riscos mecanicistas ao permitir controle preciso sobre a resposta mecânica, reduzindo a variabilidade nas leituras biológicas subsequentes.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia e Farmacêuticos
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite a investigação de hipóteses terapêuticas por meio de atuação precisa e repetível em biossensores baseados em MEMS para detecção de biomarcadores.
- Valor Operacional: Reduz o tempo de estabilização, aumentando a produtividade em ensaios de validação de alvos funcionais que exigem estabilização rápida do sinal.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Valor Científico: Prepara interfaces biológicos validados em plataformas MEMS para triagem de compostos posteriores com fidelidade de sinal aprimorada.
- Valor Operacional: Aborda a padronização e reprodutibilidade do ensaio ao minimizar artefatos de oscilação mecânica em leituras baseadas em deslocamento.
- Valor Estratégico: Apoia matrizes escalonáveis e reutilizáveis de sensores MEMS para campanhas de triagem de alto conteúdo.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Alinha-se a sistemas relevantes para doenças ao permitir a extração precisa de propriedades mecânicas de filmes finos (por exemplo, módulo de Young) relevantes para modelos de engenharia de tecidos.
- Valor Operacional: Garante continuidade do descobrimento até a validação pré-clínica, fornecendo atuação estável e com baixo amortecimento para monitoramento longitudinal.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método se insere no continuum de descoberta, desde a validação inicial do alvo até a modelagem pré-clínica, onde atuadores MEMS atuam como transdutores em plataformas de biossensores que exigem resposta mecânica rápida e estável.
- Biologia da Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses e a elucidação de vias ao permitir o controle preciso e dinâmico de biossensores baseados em MEMS na detecção em tempo real de biomarcadores.
- Triagem: Melhora a prontidão dos ensaios e a confiabilidade dos resultados quantitativos ao reduzir o tempo de estabilização e as oscilações nas medições de deslocamento.
- Análises: Fornece dados de deslocamento versus tempo com alta largura de banda e baixo ruído, permitindo comparações precisas entre condições experimentais.
- Pesquisa Translacional: Conecta-se à continuidade pré-clínica por meio da extração de propriedades dos materiais (por exemplo, tensão biaxial) relevantes para a imitação da matriz extracelular.
- Reutilização Empresarial: Posiciona a abordagem de fabricação e polarização de MEMS como uma plataforma reutilizável em múltiplos formatos de ensaio e classes de alvos.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Confiança preditiva no desempenho de biossensores baseados em MEMS, redução da ambiguidade mecanicista na resposta mecânica.
- Valor Operacional: Padronização, reprodutibilidade e escalabilidade da atuação em matrizes de MEMS em escala de wafer.
- Valor Estratégico: Tomada de decisões mais eficaz sobre avançar ou não em desenvolvimentos de ensaios, eficiência de capital por meio de aumento na produtividade e redução de falsos negativos biológicos devido à instabilidade do sinal.
- Impacto no Portfólio: Priorização ajustada ao risco de ferramentas diagnósticas e de triagem baseadas em MEMS, com base na fidelidade de atuação validada.
Considerações sobre a Implementação
- Exige experiência em microfabricação de MEMS, fotolitografia e processos de ataque úmido.
- Depende do acesso a amplificadores de alta velocidade e alta tensão e à vibrometria a laser por efeito Doppler para validação de desempenho.
- Necessita padronização entre equipes envolvidas em microfabricação, desenvolvimento de ensaios e grupos de análise de dados.
- Envolve considerações de adaptação ao transferir a etapa de remoção do substrato para diferentes sistemas de materiais ou geometrias de MEMS.
- As limitações práticas incluem exigências agressivas quanto à taxa de variação (slew rate) em bombas de carga para integração em chip e compatibilidade com processamento CMOS de final de linha (back-end-of-line).
