Upload
daniel-kopiec
View
67
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Politechnika Wrocławska, Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Zakad Metrologii Mikro- i Nanostruktur e-mail: [email protected]
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