Real-Time DC-динамичный Смещение Метод коммутации Улучшение времени в строго Underdamped окантовкой поля электростатических MEMS приводов
15 августа 2014 г.
Прочная конструкция устройства окантовка-полевых электростатических MEMS приводы результатов в своей сути низких сжатие пленок условиях затухания и долго времени установления при выполнении переключений с помощью обычной стадии смещения. Переключение улучшение времени с DC-динамических сигналов в реальном времени уменьшает осаждения время окантовки поля МЭМС приводов при переходе между до-до-вниз и вниз-к-до государств.
Общая цель следующего эксперимента заключается в сокращении времени установления severely under damped (сильно недодемпфированных) актуаторов микроэлектромеханических систем на базе краевых электростатических полей. Это достигается путем микроизготовления электростатического актуатора MAMs. На втором этапе выполняется селективное травление подложки под актуатором, что значительно снижает демпфирование за счет сжатия пленки и усиливает условия сильного недодемпфирования. Затем в режиме реального времени применяются динамические формы сигнала смещения для определения оптимальных параметров формы сигнала, обеспечивающих минимальное время установления.
Полученные результаты демонстрируют значительное сокращение времени переключения по сравнению с типичным смещением единичным ступенчатым сигналом. Хотя данный метод используется для улучшения времени переключения электростатических актуаторов с краевым полем, он также может быть применен в таких областях, как микрометрология, для определения параметров тонких пленок, таких как модуль Юнга, коэффициент Пуассона и двуосное растягивающее напряжение. Первым этапом изготовления МЭМС-балок с электростатическим краевым полем является УФ-литография.
Начните с правильно очищенной окисленной кремниевой подложки с низким удельным сопротивлением размером 25 мм на 50 мм и толщиной 0,5 мм. В данном видео схематические изображения поперечного сечения и вида сверху подложки будут демонстрировать ход процесса изготовления. Поместите подложку на патрон центрифуги для нанесения фоторезиста, нанесите гексаметилдисилан методом центрифугирования, а затем нанесите позитивный фоторезист.
Раскручивайте каждый образец при 3 500 RPM в течение 30 секунд. Перенесите образец на нагревательную поверхность, установленную на 105 °C, и подвергните фоторезист мягкому запеканию в течение 90 секунд. На данном рисунке представлена схематическая модель образца на этом этапе.
После выполнения этого переместите образец в установку для совмещения маски. Используя устройство и маску, упрощенная версия которой показана на рисунке, подвергните образец воздействию УФ-излучения с длиной волны от 350 до 450 нанометров и энергией облучения 391 миллиджоуль на сантиметр квадратный. Затем перенесите предметное стекло в два подготовленных стакана — один с проявителем на основе тетраэтиламмонийгидроксида, другой с деионизированной водой, при этом объем в каждом должен быть достаточным для полного погружения образца; погрузите облученный образец в проявитель на 12–20 секунд и осторожно перемешайте.
Затем быстро извлеките образец и погрузите его в промывочную воду на 10 секунд. После тщательной промывки и высушивания образца потоком азота осмотрите его под микроскопом, чтобы определить необходимость дальнейшего проявления. На данном рисунке представлен образец после завершения проявления.
Выполните мокрое травление буферным раствором плавиковой кислоты для удаления оксидного слоя. Затем удалите фоторезист с помощью ацетона и изопропилового спирта. Следующим этапом является химическое травление гидроксидом тетраэтиламмония.
Используйте heating plate с термопарой для поддержания температуры, магнитный перемешивающий элемент, чистый стакан объемом четыре литра и тефлоновую корзину, которую можно закрепить в стакане. Налейте 25% по весу тетраэтиламмония до отметки двух литров в стакане, добавьте перемешивающий элемент и поместите термопару в раствор. Затем предварительно нагрейте раствор до 80 °C; дождитесь, пока раствор достигнет температуры 80 °C.
Поместите образец в корзину, затем подвесьте корзину с раствором за край стакана. Убедитесь, что осталось достаточно места для вращения магнитного якоря. Установите скорость вращения якоря на 400 RPM и проведите травление до достижения глубины от четырех до пяти микрометров.
Примерно через 15 минут тщательно промойте и высушите образец, затем измерьте высоту ступени с помощью профилометра. На данном рисунке представлен образец, достигший требуемой высоты ступени. Следующим этапом является удаление диоксида кремния.
Подготовьте тефлоновый стакан с 49-процентной (по объему) плавиковой кислотой в количестве, достаточном для полного покрытия образца, а также аналогичный тефлоновый стакан с деионизированной водой. Поместите образец в плавиковую кислоту на время менее 30 секунд до полного удаления диоксида кремния. Перенесите образец в деионизированную воду и оставьте его там на 10–20 секунд.
Продолжите промывку, чтобы также удалить из образца органические остатки. Возьмите чистый и сухой образец и проведите мокрое термическое окисление для выращивания слоя диоксида кремния толщиной 500 nanometers на его поверхности. Перед вами образец после этапа выращивания, когда слой диоксида кремния был полностью сформирован; повторно нанесите на образец гексаметилдисилазан методом центрифугирования, а затем нанесите позитивный фоторезист.
После мягкого запекания фоторезиста используйте установку для совмещения масок, чтобы подвергнуть образец воздействию УФ-излучения с длиной волны от 350 до 400 нанометров. На представленной упрощенной маске энергия экспозиции составляет 391 миллиджоуль на сантиметр квадратный. Затем проведите проявление образца в проявителе на основе тетраэтиламмония гидроксида.
Завершите травление с помощью буферного раствора плавиковой кислоты и удалите фоторезист. Теперь образец готов к магнетронному напылению seed-слоя для гальванопластики. Напылите 20 nanometers титана, а затем 100 nanometers золота.
На данном изображении показан образец после извлечения. Теперь снова нанесите гексаметил-DIY методом центрифугирования при 3 500 RPM в течение 30 секунд. Затем нанесите позитивный фоторезист при 2000 RPM в течение 30 секунд, после чего с помощью масочного aligner-а совместите и подвергните образец воздействию УФ-излучения в диапазоне от 350 до 450 нанометров.
При энергии экспозиции 483 millijoules/cm² образец проявили в проявителе на основе гидроксида тетраэтиламмония. После тщательного промывания образец осмотрели под микроскопом, чтобы определить необходимость дальнейшего проявления. По завершении проявления провели гальваническое золочение МЭМС-балки, предварительно наполнив чистый стеклянный стакан объемом один литр 700 milliliters раствора для золочения.
Поместите стакан на нагревательную плитку и установите ее температуру на 60 °C. Используйте термопару, чтобы контролировать поддержание заданной температуры. Когда температура достигнет 60 °C, закрепите образец в держателе, в котором также расположены термопара и анод из нержавеющей стали.
Выполните электроосаждение образца при плотности тока 2 mA/cm² до истечения необходимого времени. Примерно через две минуты выключите источник тока и извлеките электроды, чтобы достать образец.
Проверьте завершение процесса гальванопокрытия. Используя профилометр и микроскоп, удалите фоторезист. Сначала наполните стеклянный стакан специальным растворителем фоторезиста.
Поместите это на нагревательную плитку и нагрейте до 110 °C. По достижении этой температуры погрузите образец в раствор на один час. По истечении часа снимите стакан с плитки и дайте раствору и образцу остыть до комнатной температуры.
На этих схемах представлено то, что должно быть видно после очистки образца. Желтая область справа обозначает осажденный слой золота. Области золотого цвета представляют собой гальванически осажденные балки.
После шероховатая обработки поверхности погрузите образец в тефлоновый стакан с раствором для травления золота на 30–45 секунд. По завершении быстро остановите процесс травления, погрузив образец в деионизированную воду на 10–20 секунд. Когда все золото будет удалено, и после повторного создания шероховатости, погрузите образец в буферный раствор плавиковой кислоты для травления при комнатной температуре на три-шесть секунд, промойте, высушите и проверьте результат травления, чтобы убедиться, что весь титан удален с открытых участков, как показано здесь на схеме. В качестве заключительного этапа проведите сухое изотропное травление дифторидом ксенона. Это позволит селективно удалить кремний и высвободить закрепленные золотые балки.
На данном этапе представлена окончательная конфигурация балок после изготовления фиксированных балок. Следующим шагом является экспериментальная проверка. Поместите образец на зажим зондовой станции постоянного тока и закрепите его.
Затем с помощью микроскопа зондовой станции точно установите вольфрамовые зонды. Расположите зонд сигнала над контактной площадкой закрепленного балочного элемента. Расположите заземляющий зонд над контактной площадкой электродов прижима над площадками подачи постоянного напряжения устройства.
Затем установите параметры формы сигнала на генераторе функций. Согласно расчетам, направьте выходной сигнал генератора функций на высокоскоростной высоковольтный линейный усилитель. Контролируйте выходной сигнал с помощью цифрового осциллографа с частотой дискретизации 300 megahertz.
При выключенном генераторе функций подключите выход линейного усилителя к манипуляторам постоянного тока. Теперь расположите лазерный доплеровский барометр над образцом и включите лазер. С помощью встроенного микроскопа найдите нужный пучок и сфокусируйте лазер в его центре.
Выберите выходную частоту дискретизации и режимы измерения. После завершения подготовки подайте смещающий сигнал на МЭМС-мосты. Начните настройку параметров времени и напряжения на генераторе функций, стремясь добиться минимальных колебаний балки при операциях притягивания и отпускания.
После нахождения оптимальных значений выключите смещающий сигнал и режим непрерывного измерения давления с помощью лазерного доплерометра. Поднимите кончики зондов с контактных площадок смещения. Затем запустите устройство в режиме одиночного сканирования, используя viter, как описано в прилагаемом текстовом протоколе.
Верните наконечники зондов постоянного тока на смещающие контактные площадки МЭМС-моста. Запустите сканирование сигнала и зафиксируйте данные о смещении в зависимости от времени. Ниже представлены значения прогиба балки как функция времени для МЭМС-моста при подаче смещающего напряжения 60 вольт для четырех различных условий.
Отклики на ступенчатый сброс показаны черным цветом и характеризуются наличием осцилляций. Измерения динамического сброса, показанные красным цветом, выполнены после настройки временных параметров и напряжения. На них видно, что осцилляции в значительной степени устранены.
После обнаружения динамическая форма сигнала оказывается полезной для всех зазоров, а не только для того, который связан с входным смещением 60 вольт. Здесь показан отклик при притягивании для нескольких высот зазора, соответствующих различным напряжениям входного смещения. В каждом случае колебания ограничены.
Аналогично, ниже представлены ответы при высвобождении для каждого случая. Обратите внимание, что практически все осцилляции устранены. Пожалуйста, помните, что работа с такими химическими веществами, как плавиковая кислота и TMAH, может быть крайне опасной.
Следовательно, при выполнении данной процедуры необходимо соблюдать меры предосторожности, такие как использование средств индивидуальной защиты.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
Данное исследование посвящено сокращению времени установления в МЭМС-актуаторах на основе краевых электростатических полей, которые характеризуются условиями низкого демпфирования. Посредством применения динамических форм сигналов смещения в данной работе ставится цель значительно сократить время переключения по сравнению с традиционными методами.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Микроэлектромеханические системы (МЭМС)
- Электростатика
- Изготовление устройств
Теоретические основы
- Электростатические МЭМС-актуаторы с краевым полем характеризуются низким демпфированием из-за сжатия пленки.
- Традиционное ступенчатое смещение приводит к длительному времени установления.
- Динамические формы сигналов смещения позволяют оптимизировать характеристики переключения.
- Области применения включают микрометрологию для определения свойств материалов.
Цель исследования
- Для сокращения времени установления в сильно недодемпфированных МЭМС-актуаторах.
- Для изучения влияния травления подложки на условия демпфирования.
- Для определения оптимальных параметров формы сигнала с целью сокращения времени переключения.
Используемые методы
- Микроизготовление электростатических MEMS-актуаторов.
- Селективное травление подложки для снижения демпфирования.
- Реализация динамических форм сигналов смещения в режиме реального времени.
- Сравнение результатов с типичным ступенчатым смещением единичного скачка.
Основные результаты
- Наблюдалось значительное сокращение времени переключения.
- Динамические формы сигналов оказались эффективнее традиционных методов.
- Метод применим и в других областях, таких как микрометрология.
- Результаты способствуют пониманию рабочих характеристик актуатора.
Выводы
- Динамическое смещение эффективно сокращает время установления.
- Селективное травление подложки благотворно влияет на характеристики актуатора.
- Полученные результаты имеют более широкое значение для применения МЭМС.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Данный метод решает проблему длительного времени установления в недодемпфированных приводах МЭМС, что является критическим фактором при высокопроизводительном скрининге и разработке анализов, где быстрое и надежное срабатывание влияет на качество данных и пропускную способность. Благодаря улучшению характеристик переключения за счет динамического смещения и модификации подложки, данный подход повышает прогностическую достоверность биосенсоров на основе МЭМС и платформ «лаборатория на чипе», используемых для валидации мишеней и фенотипического скрининга. Этот метод способствует снижению технических рисков при изучении механизмов, обеспечивая точный контроль над механическим откликом и уменьшая вариабельность последующих биологических показателей.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: Позволяет проверять терапевтические гипотезы посредством точного и воспроизводимого воздействия в биосенсорах на базе МЭМС для детектирования биомаркеров.
- Практическая ценность: Сокращает время установления сигнала, увеличивая пропускную способность в анализах функциональной валидации мишеней, требующих быстрой стабилизации сигнала.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Подготовка валидированных биологических интерфейсов на MEMS-платформах для последующего скрининга соединений с повышенной точностью сигнала.
- Практическая ценность: Решение проблем стандартизации и воспроизводимости анализа путем минимизации артефактов механических колебаний при считывании показателей смещения.
- Стратегическая ценность: Обеспечение масштабируемых и многоразовых массивов MEMS-датчиков для проведения кампаний высококонтентного скрининга.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Соответствует системам, релевантным для изучения заболеваний, обеспечивая точное определение механических свойств тонких пленок (например, модуля Юнга), имеющих значение для моделей тканевой инженерии.
- Практическая ценность: Обеспечивает непрерывность процесса от этапа открытия до доклинической валидации, предоставляя стабильное срабатывание с низким демпфированием для лонгитюдного мониторинга.
Интеграция конвейера и рабочих процессов
Данный метод вписывается в континуум открытий — от ранней валидации мишеней до доклинического моделирования, где актуаторы MEMS служат преобразователями в биосенсорных платформах, требующих быстрого и стабильного механического отклика.
- Биологические исследования: способствует проверке гипотез и уточнению путей передачи сигналов, обеспечивая точный динамический контроль биосенсоров на базе MEMS при детектировании биомаркеров в режиме реального времени.
- Скрининг: повышает готовность анализа и надежность количественных результатов за счет сокращения времени установления и уменьшения осцилляций при измерениях смещения.
- Аналитика: предоставляет высокочастотные данные о смещении во времени с низким уровнем шума, что позволяет точно сравнивать различные экспериментальные условия.
- Трансляционные исследования: обеспечивает преемственность с доклиническими исследованиями посредством определения свойств материалов (например, двуосного растягивающего напряжения), имеющих значение для имитации внеклеточного матрикса.
- Корпоративное повторное использование: позиционирует подход к изготовлению и смещению MEMS как многократно используемую платформу, применимую для различных форматов анализов и классов мишеней.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Прогностическая уверенность в рабочих характеристиках биосенсоров на базе MEMS, снижение механистической неопределенности механического отклика.
- Операционная ценность: Стандартизация, воспроизводимость и масштабируемость активации в MEMS-массивах на уровне пластины.
- Стратегическая ценность: Более обоснованные решения о целесообразности дальнейшей разработки анализа, эффективность использования капитала за счет повышения пропускной способности и сокращение числа ложноотрицательных биологических результатов, вызванных нестабильностью сигнала.
- Влияние на портфель: Приоритизация диагностических и скрининговых инструментов на базе MEMS с поправкой на риск на основе подтвержденной точности активации.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области микропроизводства МЭМС, фотолитографии и процессов мокрого травления.
- Необходим доступ к высокоскоростным высоковольтным усилителям и лазерной доплеровской виброметрии для подтверждения рабочих характеристик.
- Требуется межкомандная стандартизация между группами микропроизводства, разработки анализа и анализа данных.
- Необходимо учитывать особенности адаптации при переносе этапа удаления подложки на другие системы материалов или геометрии МЭМС.
- Практические ограничения включают высокие требования к скорости нарастания сигнала зарядных насосов для интеграции на чипе и совместимость с технологическим процессом CMOS на заключительном этапе производства (back-end-of-line).
