Faza 1

1. STRUCTURI DE TIP CANTILEVER SI SENZORI DE TIP MEMS
Rezonator de tip Beam Piezoelectric
O structura actuata piezoelectric consta dintr-un sandwich - film piezoelectric aflat intre doi electrozi. Stratul subtire piezoelectric determina un stres mecanic cand este suspus unui potential electric prin efectul piezoelectric revers astfel determinand actuarea rezonatorului; pe de alta parte stratul piezoelectric genereaza un current electric de iesire cand este supus unui stress mecanic prin efectul indus, astfel determinand vibratia cantileverului .

O configurare de rezonator piezoelectric [2.20]

[2.20] L. DeVoe, “Piezoelectric Thin Film Micromechanical Beam Resonators”, Sensors and Actuators A (Physical), vol. A88, no.3, pp. 263–272, 2001

 

2. APLICATII BIOLOGICE ALE MICROSTRUCTURILOR DE TIP CANTILEVER

În acest capitol se prezintă aplicabilitatea microcantileverelor şi a microscopului de forţă atomică la scanarea şi caracterizarea mecanică a probelor biologice.

              

Imagine a unui cromozon uman obţinuta cu AFM;                  Strat de proteine obţinut prin AFM [ 3.20]

[3.20] Pustan M, Rymuza Z, Mechanical and Tribological Characterization of MEMS Structures, Cluj-Napoca, Ed. Risoprint, 2007, ISBN 978-973-751-641-1 (143pages)

FAZA 2

Au fost proiectate si simulate 3 variante dimensionale pentru cantilevere (dimensiunile in planul structurii):

1. L=250 µm, l=50 µm
2. L=160 µm, l=80 µm
3. L=400 µm, l=80 µm

      Proprietatile de material utilizate in simulari au fost urmatoarele: SU-8: E=4.4 GPa, ν=0.22, ε=3; Au: E=57 GPa, ν=0.35.
      S-a urmarit determinarea tensiunii electrice minime necesare pentru realizarea contactului mecanic (si implicit a celui electric), a ariei si fortei de contact, precum si a stresului mecanic maxim care este indus in structura.
Valorile obtinute pentru tensiunea minima de actuare (tensiunea de pull-in) au fost urmatoarele:

structura 1: 10V,
 structura 2: 45V,
structura 3: 5.5V.

Simularile (cuplate electro-mecanic) au fost realizate in programul CoventorWare. In figurile urmatoare (fig 6-8) sunt exemplificate pozitiile OFF si ON ale micro-intrerupatorului (structura 3), precum si distributia stresului in structura actionata la tensiunea de pull-in (5.5V in acest caz).

 

Starea ON                                  Starea OFF

 Distributia stresului in starea ON

S-a realizat un set de masti necesare fabricarii prin prelucrarea de suprafata a structurilor de cantilever (vezi figura urmatoare):

 

Vedere laterala finala a structurii de cantilever dupa realizarea fluxului tehnologic

  Imagine SEM a doua cantilevere total eliberate SiO2/CrAu

Imagine SEM a unui  cantilever SiO2/CrAu total eliberat

FAZA 3

Comportamentul  static al micoconsolelor
A fost analizata influenta stresului din stratul metalic asupra starii de echilibru mecanic a structurii de cantilever. Ca rezultat general al actiunii stresului biaxial tensil (de intindere) se obtine o curbare in sus a structurii (Figura 1.23), cu o deformatie care este liniar dependenta de marimea stresului (Figura 1.24).
 

Comportamentul dinamic al microconsolelor

A fost analizata influenta stresului rezidual din stratul metalic asupra modurilor si frecventelor proprii de oscilatie ale cantileverului. Acest tip de analiza este util pentru structurile (dispozitivele) care folosesc efectele vibrationale in functionarea lor.

 

Rezultate experimentale
                    
Fig.1                                                              Fig. 2
Fig. 1: Imagine la microscop optic a configuratiei metalice si a ferestrei pentru depunerea stratului de  structura- detalii pentru o structura

Fig.2: Imagine SEM a ferestrei  deschise in stratul de scarificiu- detaliu

Carcaterizari WLI

Imaginea 3 D a unui grup de console realizata cu WLI. Se poate observa curbarea consolelor datorita tensiunilor dintre materialele ce o alcatuiesc.

FAZA 4

Comportamentul dinamic al microconsolelor

Microcantilevere utilizate în aplicaţii termice au fost investigate cu scopul de a determina dilatarea axială a capătului liber al acestuia sub acţiunea unui câmp de temperatură, precum şi modificări a proprietăţilor mecanice ale structurii. Astfel, la temperatură ridicată s-a determinat o relaxare a materialului sub acţiunea câmpului de temperatură care s-a manifastat prin scăderea în rigiditate şi răspuns a cantileverului sub acţiunea unei forţe perturbatoare. Investigaţiile experimentale s-au realizat prin AFM iar rezultatele au fost în buna corelare cu cele obţinute prin analiza cu elemente finite.

Analiza cu elemente finite a dilatării axiale ux a microcantileverului pentru o temperatura de 100°C aplicata la reazem

Microcantileverele pentru detecţia masei, utilizate în aplicaţii privind măsurarea umidităţii, a particulelor nocive şi a substanţelor poluante dintr-un mediu, prin monitorizarea schimbării în frecvenţa de răspuns sub acţiunea unui semnal electrostatic au fost supuse testării si modelării cu elemente finite. Investigaţii experimentale au fost realizate prin utilizare unui Vibrometru Polytec iar influenţa dimensiunilor geometrice ale microcantileverelor asupra senzitivităţii de măsurare a fost determinată şi comparată cu rezultatele obţinute prin elemente finite.