Relazione Mems microgocce - Tesi

Introduzione

I sistemi MEMS basati sull’ effetto della massa risonante

hanno:

alta sensibilità Adatto a rilevare micro o nano

 piccole dimensioni particelle e a monitorare

 micro-processi

fisici e biologici

Processi fisici cambiamenti

Misura della massa di massa

di: Evaporazione

Batteri e virus 

 Bacillus antracis Deposizione

Escherichia colI 

• Crioconservazione

Funghi 

• Altre applicazioni biologiche

Cellule di mammiferi  2

Introduzione

I sensori MEMS sono i candidati ideali per

lo

studio dell’evaporazione di fluidi e

microgocce

Applicazioni: Processo complesso:

• •

Semiconductor Pressione del gas

•

surface cleaning Entalpia di

• Ink-jet printing evaporazione

• •

Self-assembly Area della superficie

della micro- goccia

• Temperatura

dell’ambiente

• Concentrazione del gas

nell’aria 3

Aspetti Critici

La distribuzione di massa della micro goccia cambia

durante il processo di evaporazione.

E’ necessario avere una sensibilità

il più possibile costante sulla

superficie del sensore

La struttura a

cantilever

tradizionale

non è

ottimale! 4

Aspetti Critici

La dinamica dell’evaporazione può essere molto rapida

Il tasso di campionamento delle

misura della massa della goccia

deve essere sufficientemente alto 5

Sensor design

Mass Sensitivity and Design Strategy

Rapporto tra lo shift della

SENSIBILITA’ frequenza di risonanza e la

variazione di massa del sensore

In condizione di risonanza:

=

E E

kin _ total strain 1 1

ω ω

= + = + ∆

2 2 2 2 2

E E E m a m a U ( z )

∆ + ∆ + ∆ ∆

kin _ total kin _ sensor kin _ m 0 n n m n m n n m

2 2

1 ω

≈ 2 2

E m a

strain 0 n n

2

ω ω ω ω

ω −

∆ 2 2

U ( z )

= = ≈

+ ∆ + ∆ ∆ 2

n n m n m n m n U ( z )

∆

n m

ω ω

∆ ∆ +

m m m ( ) 2 m

+ ∆

0 n n m 0 6

Sensor design

Mass Sensitivity and Design Strategy

Variazione della sensibilità in funzione della coordinata nel piano

di attacco della massa

ω ω

∆ ∆ − ∆ ∆ −

2 2

( m ) ( m ) U U

∆ = =

max min max min

S ω

∆ ∆ 2

( m ) U

max max

Geometrie specifiche

analizzate con software di

L’andamento normalizzato analisi numerica (ANSYS)

del modo di vibrazione Un [ ]{ [ ]{

Governing equations:

} } { }

(z) deve essere il più + =

M u K u 0





costante possibile sul sito [ ] [ ] { }

ω

− =

2

di adesione della massa K M 0 7

Sensor design

Mass Sensitivity and Design Strategy

Prima soluzione

studiata

Piattaforma centrale

fissata al substrato con

4 micro-travi

Le micro-travi

trasferiscono la forza di

flessione direttamente

alla piattaforma

Massimo di deflessione

al centro della

piattaforma

Springs : Sensitività non uniforme sulla

4 μm larghezza piattaforma

∆S = 5 .

87 %

2 μm spessore 8

Sensor design

Mass Sensitivity and Design Strategy

Seconda soluzione

studiata

“Four-folded spring

structure”

Massimi di deflessione

distribuiti ai bordi della

struttura

L’angolo formato dalle

micro-travi converte la

forza di flessione in

momento di torsione

Sensitività uniforme al centro

della piattaforma

∆S = 3 .

11 % 9

Sensor design

Analisi parametrica delle dimesioni strutturali del sensore

Viene presa in

considerazione la

“Four-folded spring

structure”

Analisi numerica al

variare dei parametri L, d

e θ

L = lunghezza delle

micro-travi

d = distanza tra le

micro-travi e il

centro della piattaforma

θ = angolo delle 10

micro-travi

Sensor design

Analisi parametrica delle dimesioni strutturali del sensore

Variazione della sensibilità

in funzione di L e θ

(step-size = 30°/1μm)

Variazione della

sensibilità in

funzione di d e θ

(per L = 10 μm)

(step-size =

10°/4μm) Dimensioni strutturali ideali:

L = 10μm θ = 0° d = 4 μm 11

Sensor design

Analisi parametrica delle dimesioni strutturali del sensore

Dimensioni strutturali realizzate:

Difficoltà L = 10μm

tecnologic θ = 45°

he! d = 0 μm

Parametri del

sensore

∆S = 4.06%

fris = 182 kHz

k = 21.6 N/m 12

Processo di fabbricazione

Wafer di silicio di 2µm di spessore con l’aggiunta di 0,3µm di

materiale ossidato.

(A)

1) Applico 25µm di biossido di silicio come strato isolante elettrico

tra il silicio di partenza e i successivi strati

(B) 13

Processo di fabbricazione

2) I° processo di litografia:

• Photoresist S-1508 (AZ Electronic Materials Corp.)

• LOR-3A (Microchem Corp.) per la fase di liftof

3) I° Deposito: Cromo (10nm) e Oro (50nm) tramite evaporatore

electron beam,

Fase di liftof (C)

4) Lo strato di metallo (Cr + Au) insieme a un nuovo strato di

photoresist AZ-9260 (AZ Electronic Materials Corp.) è utilizzato

per definire l’area da attaccare (etching) per definire la struttura

14

del sensore (base e molle)

Processo di fabbricazione

5) Fase di etching ICP RIE per definire le molle e la base

(D)

6) III° Photolitografia con LOR-20B (Microchem Corp.) e AZ-9260 per

liftof.

II° Deposito strato di Cromo (100 nm) e Oro (900 nm) per le

piastrine di contatto con i cavi.

(E) 15

Processo di fabbricazione

7) IV° photolitrografia con AZ-9260 (F)

Fase di etching RIE (G)

(F) (G)

8) Il wafer viente tagliato in chip singoli prima delle prossime

lavorazioni 16

Processo di fabbricazione

9) Fase di etching con XeF2 per rilascio struttura e formazione di

buca sotto la piattaforma e le molle

(H)

10)Rimozione del photoresist con BHF etching

Pulizia della superficie con solventi

(I) 17

Processo di fabbricazione

11)Deposito di uno strato di biossido di silicio (100 nm) tramite

vapori chimici (PECVD)

(J) 18

Processi tecnologici 19

Packaging

Step 1: l’ossido PDMS sulle piazzole viene inciso per i collegamenti

(wire-bondings)

Step 2: ogni componente è collegato a una board PCB e collegato.

Step 3: uno strato di PDMS (6 mm) è posto sul componente e viene

isolato

Polidimetilsilossano PDMS : resistenza alla temperatura, agli attacchi chimici,

all'ossidazione, ottimo isolante elettrico e resistente all’invecchiamento; otticamente

20

pulito (trasparente), è biocompatibile, inerte, non è né tossico né infiammabile

Set-up sperimentale

Campioni

utilizzati:

Acqua (H20)

Dimetilsolfossi

do

((CH3)2SO) 21

Set-up sperimentale

Attuazione

elettromagnetica

Due magneti N52 generano

campo magnetico costante

(0.4 T)

Corrente di attuazione

sinusoidale passa

attraverso le molle e la

piattaforma



 

Forza di Lorentz indotta sul

∫

= ×

F I d l B

sensore nella direzione

verticale

l 22

Set-up sperimentale

Attuazione

elettromagnetica

Linearità dell’attuazione

elettromagnetica

confermata dall’analisi

della deflessione in regime

pseudo statico (10 kHz) 23

Set-up sperimentale

Misura della velocità del

sensore

Misura ottica realizzata

mediante un Velocimetro

Laser Doppler

MSV-300 Misura senza contatto, non

Polytech altera lo stato di vibrazione

del sensore v θ

∆ =

f 2 cos

D λ 24

Set-up sperimentale

Caratterizzazione della

risposta in frequenza del

sensore

Risposta in frequenza G(jω)

misurata in aria

Modellizzabile come un

risuonatore armonico del

secondo ordine

ω = 160 .

4 kHz

ris

=

Q 216 . 7

Ritardo LDV = ⋅

b 77

. 3

nN s / m

(~1.9 µs) ω 2

= =

k m 16

.

9 N / m

ris plat

=

( m 16 .

6 ng )

plat 25

Set-up sperimentale

Misura della frequenza di

oscillazione durante

l’evaporazione

Il sensore viene mantenuto

in vibrazione alla frequenza

di risonanza

La misura di frequenza

viene efettuata sul segnale

in uscita dall’amplificatore:

• Frequency counter per

DMSO

(34401A Agilent)

• Oscilloscopio digitale per

acqua 26

(DSO8064A Agilent)

Set-up sperimentale

Circuito di feedback per

l’auto-oscillazione

L’uscita dello stadio è un

Il circuito ha 2 funzioni: segnale di tensione a

dente di sega (±4V) la

• amplificazione del segnale cui frequenza è funzione

• shift della fase del segnale della massa della

per microgoccia

garantire l’auto-oscillazione

del sensore 27

Set-up sperimentale

Circuito di feedback per

l’auto-oscillazione

2° stadio

1° stadio 3° stadio

1° stadio: stadio non invertente a guadagno fissato

con filtro passa-alto

2° stadio: filtro passa-tutto per shift di fase

3° stadio: stadio non invertente a guadagno 28

Set-up sperimentale

Circuito di feedback per

l’auto-oscillazione

2°

1° stadio 3°

stadio stadio

La fase della risposta in

frequenza del circuito è

dettata dal 2° stadio

ω ω

∠ = −

H ( j ) 180 2 arctan( RC )

=

C 1

nF

= − Ω

R 1 11

k 29

Set-up sperimentale

Circuito di feedback per

l’auto-oscillazione

Per mantenere il sistema in

auto-oscillazione deve essere

verificato il criterio di

Barkhausen

ω ω

⋅ ≥

H ( j ) G ( j ) 1

[ ]

ω ω π

∠ ⋅ =

H ( j ) G ( j ) 2 n

fmin di funzionamento,

fissata fase e guadagno

dello stadio  

k 1 1

 

= −

0

m (

t )  

π 2 2 2

4 f (

t ) f

 

r 0 30

Risultati sperimentali

Misura della massa delle

microgocce durante

l’evaporazione

Le microgocce (20 -30

ng) vengono depositate

sul sensore con un

microiniettore

(IM300 Narishige Group)

• Uso di un

micromovimentatore

• Trattamento al plasma

di o