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 oddziaływaniach, 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 prowadzonych eksperymentów. Zastosowanie mikrodźwigni integrujących w swojej strukturze elektromagnetyczny aktuator wychylenia pozwala na tworzenie łatwych w integracji systemów pomiarowych. W wypadku tego typu aktuatorów widmo drgań mikrodźwigni pozbawione jest artefaktów związanych z występowaniem pasożytniczych częstotliwości rezonansowych pobudzających układów pośrednich.

1. Politechnika Wrocławska, Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Zakad Metrologii Mikro- i Nanostruktur e-mail: daniel.kopiec@pwr.edu.pl
Streszczenie
Dźwinie mikromechaniczne aktuowane siłą Lorentza
Modyfikacja narzędzi 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 kHz
Zmiana dobroci drgań: ∆Q = 459
Stała sprężystości: k = 22,4 N/m
Siła 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 oddziaływań 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 Wrocław
2
Instytut Technologii Elektronowej, ul. Al. Lotników 32/46, 02-668 Warszawa
Zmiana parametrów mechanicznych
dźwigni w wyniku modyfikacji przyrządu
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 pomiarów
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 dźwigni mikromechanicznych aktuowanych siłą Lorentza
w pomiarach oddziaływań 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
( )tUU
e
UUUU ACDCACDCCPD ω
ϕ
sin+−
∆
=+−=
( )








+





±
∆
−= 2
2
2
1
2
1
ACDCDC UU
edz
dC
zF
ϕ
( ) ( )tUU
edz
dC
zF ACDCEL ω
ϕ
ω sin
2
1






±
∆
−=
( ) ( )tU
dz
dC
zF ACEL ωω 2cos
4
1 2
2 =
2
2
1
U
dz
dC
dz
dW
FEL −=−=
Składowe siły elektrostatycznej
Model ostrze-powierzchnia
Pomiar oddziaływań elektrostatycznych z wykorzystaniem dźwigni aktuowanej siłą 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