Politechnika Wrocławska, Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Zakad Metrologii Mikro- i Nanostruktur e-mail: daniel.kopiec@pwr.edu.pl

Streszczenie

Dźwinie mikromechaniczne aktuowane sił ą Lorentza

Modyfikacja narz ędzi pomiarowych w mikro - i nanoskali

Daniel Kopiec1, Andrzej Sierakowski2, Piotr Kunicki1,Wojciech Majstrzyk1, Paweł Janus2, Piotr Grabiec2, Teodor Gotszalk1

Pomiary oddziaływań elektrostatycznych z wykorzystaniem mikrodźwigni sprężystych aktuowanych siłą Lorentza

Spektroskopia sił elektrostatycznych jest jedną z technik charakteryzacji właściwości elektrycznych materiałów przewodzących, półprzewodnikowych oraz dielektrycznych w mikro- i nanoskali. O jej atrakcyjności decyduje to, że należy do grupy technik nieniszczących. Analiza krzywych elektrostatycznych umożliwia ilościowe określenie występujących oddziaływań, wartości kontaktowej różnicy potencjałów a także pracy wyjścia badanych materiałów. W pracy zaprezentowano nowatorskie struktury mikromechaniczne wyworzone w Instytucie Technologii Elektronowej w Warszawie zmodyfikowane za pomocą zogniskowanej wiązki jonów (ang. Focused Ion Beam - FIB) w Zakładzie Metrologii Mikro- i Nanostruktur Wydziału Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej. Przedstawiona została ich zasada działania, wykorzystanie w spektroskopii sił elektrostatycznych oraz zaprezentowano wyniki uzyskane w trakcie prowadzonych eksperymentów. Zastosowanie mikrodźwigni integrujących w swojej strukturze elektromagnetyczny aktuator wychylenia pozwala na tworzenie łatwych w integracji systemów pomiarowych. W przypadku tego typu aktuatorów widmo drgań mikrodźwigni pozbawione jest artefaktów związanych z występowaniem pasożytniczych częstotliwości rezonansowych pobudzających układów pośrednich.

FL – siła Lorentza, i – prąd płynący w pętli aktuatora, B – pole

magnetyczne, l – długość „aktywnego” odcinka aktuatora, α –

kąt między wektorem pola magnetycznego a wektorem prądu

Masa kulki: m = 531,2 ng Zmiana częstotliwości rezonansowej: ∆f = 13,345 kHzZmiana dobroci drgań: ∆Q = 459Stała sprężystości: k = 22,4 N/mSiła grawitacji działająca na przyrząd: Fg = 5,21 N

#1

#2

#3

Schematyczne zobrazowanie zasady działania układów mikromechanicznych aktuowanych siłą Lorentza. 1 – detektor czterosekcyjny głowicy pomiarowej OBD, 2 – źródło pola magnetycznego, 3 – struktura mikromechaniczna ze zintegrowanym aktuatorem wychylenia, 4 - źródło prądowe

Dźwignia fR [kHz] k [N/m]

#1 11,4 1,4

#2 35,8 54,7

#3 50,5 28,2

Przykłady struktur mikromechanicznych wytwarzanych w Instytucie Technologii Elektronowej w Warszawie

W wyniki modyfikacji uzyskano strukturę mikromechaniczną aktowaną siłą Lorentza o łatwo definiowalnym kształcie „ostrza” pomiarowego. Ostrze stanowi kulka złota o średnicy 37 µm, w wyniku połączenie z pętlą aktuatora uzyskano kontakt elektryczny umożliwiający zadanie określonego potencjału względem mierzonej powierzchni. Uzyskany w ten sposób przyrząd stanowi narzędzie idealne dla mikroskopii sił elektrostatycznych w badaniach rozkładu ładunku oraz kontaktowej różnicy potencjałów z wykorzystaniem metody Kelvina.

kontakt elektryczny wytworzony w procesie osadzania platyny wspomaganego wiązką elektronową

l

i

B

∆z

i(t)

Fel

1

2

3

4 Źródła pola magnetycznego

• magnes NdFeB

• macierz Halbacha

• cewki Helmholtza

Siła Lorentza w pomiarach oddziaływa ń elektrostatycznych

Prace są częściowo finansowane w ramach programu TEAM - “High-resolution force and mass metrology using actuated MEMS/NEMS devices – FoMaMet” (Grant Nr TEAM/2012-9/3) organizowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej, współfinansowanego przez Europejski Fundusz Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka oraz w ramach grantu nr 4/2013 z programu Mistrz Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Struktury mikromechaniczne

aktuowane elektromagnetycznie wytworzono w ramach projektu NCN EmagTool

1 Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej, ul. Janiszewskiego 11/17, 50-372 Wrocław2 Instytut Technologii Elektronowej, ul. Al. Lotników 32/46, 02-668 Warszawa

Zmiana parametrów mechanicznych dźwigni w wyniku modyfikacji przyrz ądu

Amplituda drgań dźwigni mikromechanicznej w zależności od fazy sygnału w jednym z ramion pętli. Maksymalny prąd płynie gdy faza pomiędzy sygnałami wynosi 180 °.

Globalna spektroskopia elektrostatyczna – wyniki pom iarów

Spektroskopia elektrostatyczna w układzie kula-powierzchnia. W pomiarach wykorzystano powierzchnię złota. Zmiana potencjału ostrza (kulki) skutkowała przesunięciem krzywej elektrostatycznej rejestrowanej jako składowa siły Fωel(z). Miejsce zerowania oddziaływań odpowiada kontaktowej różnicy potencjałów UCPD.

Analiza składowych siły występujących w widmie drgań dźwigni mikromechanicznej w zależności od prądu płynącego w pętli aktuatora. Pomiary realizowane w obecności stałego pola magnetycznego 140 mT.

Pomiar pojemności układu ostrze (kulka Au)-powierzchnia w zależności od odległości pomiędzy nimi. Pojemność wyznaczona analitycznie.

Spektroskopia elektrostatyczna w układzie ostrze (kulka Au) - powierzchnia Au w obecności par izopropanolu, toluenu. Zaobserwowano wyraźny wpływ rozpuszczalników na wartość kontaktowej różnicy potencjałów między powierzchniami.

z

UDC

UAC

Idea zastosowania d źwigni mikromechanicznych aktuowanych sił ą Lorentza w pomiarach oddziaływa ń elektrostatycznych

• pobudzanie dźwigni do drgań realizowane jest za pomocą siły Lorentza, działającej na prostoliniowy odcinek pętli, prostopadły do linii sił pola magnetycznego B,

• sterowanie ramion pętli napięciem UAC o regulowanej fazie sygnału umożliwia sterowanie prądem oraz ustalenie potencjału na końcu pętli,

• sterowanie potencjałem ostrza (złotej kulki), odbywa się po przez dodane to obu ramion pętli tego samego potencjału UDC

U

( )tUUe

UUUU ACDCACDCCPD ωϕsin+−∆=+−=

( )

+

±∆−= 22

2

1

2

1ACDCDC UU

edz

dCzF

ϕ

( ) ( )tUUedz

dCzF ACDCEL ωϕ

ω sin2

1

±∆−=

( ) ( )tUdz

dCzF ACEL ωω 2cos

4

1 22 =

2

2

1U

dz

dC

dz

dWFEL −=−=

Składowe siły elektrostatycznej

Model ostrze-powierzchnia

Pomiar oddziaływa ń elektrostatycznych z wykorzystaniem d źwigni aktuowanej sił ą Lorentza

Zmiana częstotliwości rezonansowej dźwigni mikromechanicznej wywołana zmianą potencjału UDC w zależności od odległości od badanej powierzchni ∆z . Zmiany ∆f rejestrowano dla częstotliwości pobudzenia mechanicznego (siłą Lorentza). W badaniach wykorzystano pętlę synchronizacji fazowej EasyPLL (Nanosurf)

B = 140 mT