Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ NA TEMAT: Metrologia zmian masy za pomocą układów MEMS AUTOR Magdalena Moczała PROMOTOR Prof. dr hab. inż. Teodor Gotszalk obszar nauk technicznych, dziedzina nauk technicznych, dyscyplina: elektronika Wrocław 2017 r.
I. WSTĘP, CEL I TEZA PRACY Rozwój nanotechnologii jest ściśle związany z rozwojem nowatorskich metod i technik opracowanych dla badań właściwości mikro- i nanostruktur. Aktywność autorki rozprawy doktorskiej była skupiona wokół zastosowania układów typu MEMS i NEMS jako czujników zmian masy, których istotą jest obserwacja zmiany ich częstotliwości rezonansowych. Dzięki miniaturyzacji czułość pomiarowa i zdolność rozdzielcza tego typu układów stała się na tyle duża, że możliwa jest obserwacja zmian masy wynikająca z adsorpcji pojedynczych molekuł w zakresie joktogramów [1] oraz zmiany siły w zakresie femtoniutonów [2]. Zasadnicze trudności wynikają ze złożonej struktury układów MEMS i NEMS, ich niewielkich wymiarów i dużych częstotliwości rezonansowych tego typu zespołów sięgających często kilku megaherców. Detekcja (analiza jakościowa) na poziomie joktogramów za pomocą układów pracujących w ultra wysokiej próżni (ang. ultra high vacuum, UHV) w temperaturze ciekłego helu (5,5 K) odbywa się na zasadzie pojedynczego eksperymentu [2] i raczej nie ma możliwości jej zastosowania poza specjalizowanym laboratorium badawczym. Zastosowanie struktur MEMS i NEMS jako czujników zmian masy jest niezwykle interesujące z punktu widzenia biotechnologii [3]. Przyszłe zastosowanie takich czujników związane jest z detekcją pojedynczych molekuł białek, wirusów, protein, enzymów czy nici DNA [3]. Prace związane z detekcją masy do zastosowań biochemicznych za pomocą rezonansowych struktur takich jak kamertony kwarcowe [4] czy mikrodźwignie [5] prowadzone były już wcześniej w Wydziałowym Zakładzie Metrologii Mikro- i Nanostruktur (ZMMiN) Wydziału Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki (WEMiF) Politechniki Wrocławskiej (PWr.). W badaniach tych osiągano mniejsze zdolności rozdzielcze, niż te prezentowane w niniejszej rozprawie lub konieczne było zastosowanie złożonych układów pomiarowych (np. głowic optycznych) [6]. Zaproponowane rozwiązanie realizowane w ramach niniejszej rozprawy jest prostsze pod względem odczytu, sterowania i o większej przepustowości niż poprzednie konstrukcje realizowane w ZMMiN PWr. Zastosowanie nowatorskich struktur otoczonych precyzyjnymi układami sterującymi i pomiarowymi w połączeniu z opracowanymi w ramach rozprawy doktorskiej metodami kalibracji narzędzia pomiarowego pozwoliło na ilościową ocenę (pomiar) podstawowych parametrów i zjawisk związanych ze zmianą masy np. podczas procesu adsorpcji molekularnych warstw samoorganizujących się (ang. selfassembling monolayers, SAM). Badania uwzględniały również projekt i charakteryzację układu detekcji i aktuacji drgań przetwornika mechanicznego struktur FoMaMet (force and mass metrology), a także proces wzorcowania odpowiedzi systemu do pomiaru zmian masy za pomocą struktur osadzanych wiązką elektronową (ang. focused electron beam induuced deposition, FEBID). Dodatkowo za pomocą zogniskowanej wiązki jonów (ang. focued ion beam, FIB) przeprowadzona została modyfikacja ustroju mechanicznego np. poprzez zmniejszenie wymiarów struktury. Szczegółowe cele badawcze niniejszej rozprawy przedstawiono w następujących punktach: projekt, wykonanie, modyfikacja oraz charakteryzacja struktur FoMaMet, opracowanie metod i technik aktuowania czujników zmian masy na bazie dwustronnie zamocowanych belek mikromechanicznych, opracowanie metod pomiaru drgań i wychyleń czujników zmian masy, pomiar wychyleń belek dwustronnie zamocowanych w zakresie ugięć rzędu ułamków nanometrów i częstotliwości rzędu kilkuset kiloherców, projekt i charakteryzacja układu pomiaru i aktuacji drgań przetwornika struktur FoMaMet, proces wzorcowania odpowiedzi systemu do pomiaru zmian masy za pomocą struktur osadzanych wiązką elektronową (FEBID),
przeprowadzenie eksperymentów osadzania wybranych molekuł struktur SAM na strukturach FoMaMet, opracowanie odwracalnego procesu osadzania struktur molekularnych SAM. II. OPIS ETAPÓW BADAŃ W ramach badań opisanych w niniejszej rozprawie opracowano rodzinę belek dwustronnie zamocowanych zwanych też mostkami. Dlatego też, dla przejrzystości przedstawionych rezultatów zastosowano podział na nano i mikromostki, uwzględniający grubość struktur, oraz sklasyfikowano je na kolejne generacje. Rodzina struktur FoMaMet została zestawiona w tabeli 1. Poszczególne generacje pokazują etapy ewolucji mostków FoMaMet powstających na bazie kolejnych doświadczeń badawczych. I tak zaczynając od struktur najprostszych nanomostków FoMaMet I, które nie umożliwiały zastosowania elektrycznych metod wzbudzania i detekcji drgań. Na podstawie tych struktur zaprojektowano w kolejnym kroku mikromostki FoMaMet II, dla których wykonano szereg eksperymentów związanych z elektrycznymi metodami aktuacji i detekcji drgań. Eksperymenty te pokazały jak ważna jest konfiguracja mostka pomiarowego i jego kompensacji dla pomiarów zmian napięć generowanych przez siłę elektromotoryczną indukcji. Na tej podstawie zaprojektowano struktury FoMaMet IV, które poprzez zastosowanie pomiarowego mostka Wheatstone a na chipie pozwoliły na całkowitą kompensację mostka pomiarowego. Dodatkowo, także na bazie mikromostków FoMaMet II powstała idea zastosowania struktur osadzanych z zastosowaniem zogniskowanej wiązki elektronów (FEBID) jako detektorów ugięcia, co zostało
zrealizowane na strukturach mikromostków FoMaMet III. Wszystkie doświadczenia zebrane podczas eksperymentów z tymi strukturami zaowocowały w ostatecznej wersji mikromostków FoMaMet V, które wytrawiono na podłożach krzemowych o orientacji <110> i osadzono dodatkową warstwę metalizacji do pomiarów adsorpcji warstw molekularnych. Charakteryzacja za pomocą mikroskopii AFM W związku z niewielkimi wymiarami przetwornika mechanicznego silnie utrudniona jest metrologia struktur MEMS, a to znaczy ilościowe wyznaczanie ich właściwości W celu scharakteryzowania właściwości mechanicznych konieczne jest zastosowanie odpowiednich metod charakteryzacji, które pozwolą na dokładne pomiary wychyleń często mniejszych niż nanometr oraz sił rzędu pikoniutonów. Według autorki rozprawy, techniki to umożliwiające to mikroskopia elektronowa i mikroskopia sił atomowych AFM. W ramach niniejszej pracy mikroskop AFM zastosowano w celu wyznaczenia stałej sprężystości oraz częstotliwości rezonansowej nanomostków FoMaMet I (100). W tym celu wykorzystano technikę spektroskopii sił AFM. Po upewnieniu się, że ostrze znajduje się w centralnej części wzdłuż obu osi nanomostka rejestrowano krzywą wychylenia belki AFM w funkcji ruchu skanera piezoelektrycznego. Na podstawie tych danych możliwe było wyznaczenie siły z jaką działano, natomiast z nachylenia krzywej wychylenia, wyznaczenie stałej sprężystości badanej nanostruktury. Przykładowy wykres prezentujący takie zależności przedstawiono na rysunku 1. Sztywność nanomostka została oszacowana na 9,9 N/m. Rys. 1. Wyniki spektroskopii sił AFM zmierzone dla nanomostka FoMaMet I o wymiarach: długość 49 µm oraz szerokość 10 µm: (a) wychylenie belki pomiarowej AFM w funkcji wychylenia piezoskanera oraz (b) działająca siła w funkcji wychylenia piezoskanera uzyskana z krzywej wychylenia [7,8]. Nowością badań prowadzonych przez autorkę rozprawy było użycie AFM do precyzyjnych pomiarów statycznego wychylenia mikromostków wywołanych elektrotermicznie i elektromagnetycznie. W ten sposób dokonano charakteryzacji dwóch stosowanych metod aktuacji w zakresie wychyleń statycznych. W układzie takim ostrze belki AFM jest w stanie zmierzyć nie tylko różnice wysokości wynikające ze zmian topografii próbki, ale także różnice wynikające z wychylania się struktury jako reakcję na statyczną aktuację. W badaniach tych wykorzystano również możliwość precyzyjnego sterowania siłą nacisku z jaką może być przeprowadzany pomiar w trybie statycznym CM AFM. Mikromostek FoMaMet II aktuowano poprzez modulowany w czasie sygnał stałoprądowy DC. W taki sposób struktura wychylała się dla sygnału elektrycznego o niezerowej amplitudzie, co rejestrowano w trybie statycznym AFM. Wychylenie mikromostka było sterowane sygnałem o przebiegu prostokątnym o zadanej wartości (tj. amplitudzie, np. 1 ma) i okresie trwania (np. 1 s) co zaprezentowano na rysunku 2.
Rys. 2 Przykładowy impuls stosowany do pomiaru aktuacji wychylenia mikromostka FoMaMet II za pomocą mikroskopu AFM [9]. Charakterystykę statycznego wychylenia w funkcji prądu pobudzenia zaprezentowaną na rysunku 3. W pierwszej kolejności wykonano pomiary elektrotermicznej aktuacji. Wychylenie to było kwadratową funkcją prądu przepływającego przez metalizację zgodnie z definicją mocy rozpraszanej w strukturze. Następnie ta sama struktura została umieszczona w stałym polu magnetycznym. Zarejestrowane wychylenia wykazały kształt niesymetrycznej paraboli, która była wynikiem złożenia termicznego parabolicznego oraz liniowego magnetycznego wychylenia. Rys. 3. Statyczne wychylenie mostka FoMaMet II zmierzone w polu magnetycznym: wychylenie (suma) to czarne romby, wychylenie termiczne (bez pola magnetycznego) to zielone punkty oraz różnica tych wychyleń pokazująca magnetyczne wychylenie - niebieskie gwiazdki [9]. Liniową magnetyczną zależność uzyskano przez odjęcie zmierzonych charakterystyk. Na rysunku 3 widoczne jest dwukierunkowe działanie siły elektrodynamicznej, której zwrot związany się z kierunkiem przepływu prądu. Na podstawie otrzymanych zależności wyznaczono 2 czułości/skuteczności poszczególnych aktuacji zgodnie z zależnościami: z eterm = c eterm I DC oraz z emag = c emag I DC, gdzie współczynnik c eterm wynosił 1,28 nm/a 2, natomiast dla c emag 0,70 nm/a (w polu magnetycznym równym 120 mt). Badania drgań i aktuacji wychyleń struktur FoMaMet Zastosowanie struktur MEMS jako czujników masy zakłada, że to ustrój mechaniczny będzie bezpośrednim przetwornikiem, za pomocą którego dokonywany będzie pomiar. Co więcej,
w czujnikach zmian masy opartych na strukturach MEMS najczęściej operuje się pomiarem zmiany drgań własnych struktury. Na rysunku 4 zaprezentowano wyniki pomiarów optycznych uzyskane za pomocą laserowego wibrometru Polytec MSA-500. Są to mapy wychylenia składające się z kilkunastu punktów zeskanowane wzdłuż mikromostka generacji FoMaMet II. Rys. 4. Skany wychylenia wzdłuż całej długości mikromostka FoMaMet II. Pomiary wykonane na wibrometrze laserowym Polytec MSA-500; (a) pierwszy (f 1 = 414,7 khz, A max = 22 nm), (b) drugi (f 2 = 833,7 khz, A max = 10 nm) oraz (c) trzeci (f 3 = 1 257,8 khz, A max = 2 nm) mod drgań. W tym przypadku zastosowano aktuację za pomocą piezoelementu i za pomocą wibrometrii laserowej zarejestrowano kształty poszczególnych modów, częstotliwości rezonansowe, które wyniosły kolejno: f 1 = 414,7 khz, f 2 = 833,7 khz oraz f 3 = 1 257,8 khz oraz maksymalne amplitudy drgań. Zaletą stosowania metod elektrycznych, takich jak elektrotermiczna czy elektromagnetyczna, do wzbudzania drgań struktur mikro- i nanomechanicznych jest czyste widmo drgań, (tzn. nie zawierające dodatkowych pików rezonansowych pochodzących od piezoelementu). Na rysunku 5 przedstawiono wykres demonstrujący wynik aktuacji elektrotermicznej, w której strukturę do drgań rezonansowych wzbudzano przy użyciu dwóch częstotliwości: f rez oraz 1 2 f rez (wychylenia zmierzone za pomocą interferometru firmy SIOS). Porównane zostały wyniki pomiarów przy różnych rodzajach sygnału zasilającego mikromostek. Widoczne jest, że dla zerowej wartości prądu DC aktuacja występuje tylko dla częstotliwości 1 2 f rez. Dla sygnałów zawierających zarówno składową stałą DC jak i zmienną AC drgania można wzbudzić na obu częstotliwościach: f rez oraz 1 2 f rez. Dodatkowo widoczna jest kwadratowa zależność maksymalnej amplitudy drgań dla aktuacji na zastosowanego prądu pobudzenia AC. 1 2 f rezod Rys. 5. Pomiar z aktuacją elektrotermiczną, detekcją optyczną za pomocą wibrometru SIOS [10].
Dzięki zintegrowaniu na mikromostkach ścieżek metalicznych możliwe było wykonanie pomiarów drgań zrealizowanych w sposób czysto elektryczny. Ścieżki te były wykorzystywane zarówno jako element służącym do detekcji drgań, jak i do ich wzbudzenia. Kolejno przedstawione pomiary częstotliwości rezonansowych zrealizowano w drodze rejestracji siły elektromotorycznej indukcji (ang. electromotive force, EMF), realizując je zarówno w próżni, jak i w normalnej atmosferze. W tym celu zaprojektowano i wykonano uchwyt mocujący dwa magnesy neodymowe wokół drgającej struktury. Natężenie pola magnetycznego pomiędzy magnesami zostało zmierzone za pomocą miernika natężenia pola magnetycznego i wynosiło 410 mt. W ramach realizacji detekcji siły elektromotorycznej badano zmiany napięcia pojawiające się na zaciskach mikromostka, wynikające z ruchu mikrostruktury w polu magnetycznym. Wyraźny wzrost badanego napięcia sugeruje, że występuje znaczne zwiększenie wychylenia metalizacji w polu magnetycznym, co jest bezpośrednio związane z drganiami rezonansowymi. Pobudzenie odbywało się za pomocą sygnału zmiennego. Aktuacja elektromagnetyczna opiera się na wykorzystaniu siły elektrodynamicznej powstałej w przewodniku umieszczonym w polu magnetycznym przez który płynie prąd. Prezentowane w niniejszej pracy mikromostki posiadały metalizację, która umożliwiła zastosowanie tego typu aktuacji. Co więcej, mikromostki znajdowały się w stałym polu magnetycznym, które stosowane było w celu realizacji detekcji drgań EMF co pozwoliło na przetestowanie aktuacji elektromagnetycznej bez dodatkowych zmian w układzie. Na rysunku 6 zaprezentowano przykładowe krzywe rezonansowe zarejestrowane w komorze próżniowej z aktuacją elektromagnetyczną. Dzięki zastosowaniu silnego pola magnetycznego o natężeniu 410 mt siła elektrodynamiczna działająca na mikromostki była na tyle duża aby wprawić je w drgania rezonansowe z wychyleniami sięgającymi kilkunastu nanometrów. Siła elektrodynamiczna rozłożona na całej długości mikromostka, dla prądu pobudzenia 10 µa wynosiła w zależności od długości mikromostka od 0,41 do 0,86 nn. Należy pamiętać, że korzystając z pomiarowego mostka typu Wheatstone a prąd pobudzenia był w idealnej sytuacji dwukrotnie mniejszy. Pomiary przeprowadzono dla obniżonego ciśnienia i bardzo małych prądów pobudzania, z powodu dużego wzrostu dobroci drgań i silnego pola magnetycznego. Niesymetryczne kształty pików rezonansowych wynikają z efektów nieliniowych związanych ze zbyt dużymi amplitudami drgań, pojawiającymi się dla prądów pobudzenia większych niż 10 µa w niższych ciśnieniach (w zakresie od 10-3 mbar do 10-5 mbar). Rys. 6. Przykładowe krzywe rezonansowe mikromostków FoMaMet II zarejestrowane w komorze próżniowej z aktuacją elektromagnetyczną, ciśnienie równe 2 10-2 mbar, prąd pobudzenia 10 µa. W ramach rozprawy scharakteryzowano szereg struktur z różnymi kombinacjami metod aktuacji oraz detekcji. Porównując przedstawione powyżej metody aktuacji w zastosowanym układzie z polem magnetycznym do detekcji EMF, aktuacja elektromagnetyczna okazała się najbardziej skuteczną
metodą. Z tego powodu, w celu przeprowadzenia kolejnych pomiarów w próżni, zdecydowano się wykorzystać aktuację elektromagnetyczną z detekcją z siły elektromotorycznej EMF. Aktuacja elektromagnetyczna została wykorzystana także do badania adsorpcji molekularnych warstw samoorganizujących się SAM. W ramach rozprawy zaproponowano także nowatorskie struktury integrujące pomiarowy mostek Wheatstone a na chipie. W strukturze FoMaMet IV dwa oporniki (R1 oraz R2) znajdują się na mikromostku oraz są zrealizowane przez podwójną ścieżkę metalizacji (Rys. 7 (a)). Są to oporniki, na których mierzona była zmiana napięcia na strukturze wygenerowana podczas ruchu mikromostka w rezonansie. Kolejne dwa oporniki (R3 oraz R4) znajdują się na mikromostku podpartym na środku i są one opornikami wzorcowymi (Rys. 7 (a)). Schemat ideowy połączenia pomiarowego mostka Wheatstone a oraz poszczególnych oporników zaprezentowano na rysunku 7(b). Rys. 7. Schemat struktury z w pełni zintegrowanym mostkiem pomiarowym Wheatstone a: (a) powiększona część maski fotolitograficznej z zaznaczonymi poszczególnymi ścieżkami pełniącymi role poszczególnych rezystorów, (b) schemat układu pomiarowego (R1 i R2 ścieżki znajdujące się na mikromostku, R3 i R4 ścieżki dopełniające). Zestawienie krzywych rezonansowych przedstawiających maksymalne wychylenie uzyskane dla tej samej struktury FoMaMet IV z tym samym sygnałem pobudzenia przyłożonym do poszczególnych rezystorów R1, R2 oraz do całej struktury w architekturze mostka Wheatstone a przedstawiono na rysunku 8. Na wykresie dodano prawą oś przedstawiającą wychylenie mikromostka. Zastosowano tutaj sygnał pobudzenia równy 1 µa. Wartość maksymalnego wychylenia dla struktury w architekturze mostka Wheatstone a jest większa o około rząd wielkości. Rys. 8. Krzywe rezonansowe mikromostka FoMaMet IV z aktuacją elektromagnetyczną i detekcją EMF. Porównanie skuteczności aktuacji dla sygnału przyłożonego do obu ścieżek na mikromostku oraz do poszczególnych z osobna.
Należy tutaj przeanalizować skąd wynika aż dziesięciokrotna różnica w sprawności aktuacji. Pierwszym przyczynkiem jest zastosowanie dwukrotnie większej siły elektrodynamicznej indukcji poprzez zastosowanie podwójnej metalizacji ( 2), co wpływa na dwukrotnie większe wychylenie mikromostka (maksymalne wychylenie jest liniowo zależne od siły). W wyniku tego wartość siły EMF po raz kolejny jest dwukrotnie większa ( 2 2). Co więcej dla struktur w architekturze mostka Wheatstone a pomiar zmiany EMF był dokonywany na dwóch rezystorach R1 i R2 jednocześnie, co daje kolejne podwojenie wartości ( 2 2 2). W taki sposób można szacować, że zarejestrowana wartość maksymalnej EMF powinna być ośmiokrotnie większa dla struktury w architekturze mostka Wheatstone a. Autorka rozprawy uważa, że różnica pomiędzy wartością szacowaną a zmierzoną ( 10) wynika z idealnej kompensacji pomiarowego mostka Wheatstone a, a co za tym idzie braku pojemności i rezystancji pasożytniczych, które wpływają na nierównomierne rozprowadzenie prądu pobudzającego strukturę. W wyniku czego, struktury bez kompensacji na chipie nie są w rzeczywistości pobudzane zadanym prądem. Porównując projekt struktur FoMaMet IV w architekturze mostka Wheatstone a z mikromostkami FoMaMet II z pojedynczą metalizacją widać znaczną różnicę w sprawności aktuacji. Z punktu widzenia samej aktuacji jest ona dwa razy większa i wynika to bezpośrednio z zastosowania dwóch ścieżek metalizacji. Co więcej, pomiarowy mostek Wheatstone a jest praktycznie idealnie skompensowany (prąd zasilający strukturę zawsze jest równy ½ prądu zasilającego), gdzie dla struktur kompensowanych za pomocą potencjometrów praktycznie jest niemożliwe do uzyskania z powodu znacznych pojemności pasożytniczych. Należy tutaj podkreślić, że tego typu rozwiązanie zakładające realizację pomiarowego mostka Wheatstone a na strukturze nie zostało jeszcze przedstawione w literaturze przedmiotu i eksperymenty te są pionierskie w skali światowej. Co więcej, z punktu widzenia bardzo małych wymaganych prądów pobudzenia struktury te są dobrym kandydatem do zastosowania w przyszłości w tzw. niskoenergetycznych czujnikach, które nie wymagałyby stałego zasilania. W ramach rozprawy zastosowano technologię osadzania nanostruktur ze wspomaganiem zogniskowaną wiązką elektronów w celu osadzenia struktur służących jako czujniki ugięcia oraz kalibracji czułości mostków na zmianę masy. Mikromostki FoMaMet III były strukturami bazowymi do wytworzenia struktur MEMS i NEMS z detekcją wychylenia na podstawie zmiany rezystancji struktur FEBID składających się z kompozytu Pt-C. Struktury wytworzone z kompozytu Pt-C nazwano rezystorami nanoziarnistymi (ang. nanogranular resistors, NGR). Osadzono struktury o wymiarach 18 2,5 μm 2 o wysokości zadanej 500 nm. Kolejnym krokiem było napromieniowanie struktury wiązką elektronową o parametrach 5,5 na, 2 kv z dawką równą 200 nc/μm 2. Finalną rezystancja mikromostka wynosiła 164 kω, co pozwoliło na uzyskanie rezystywności o wartości 2,7 10-3 Ω m. W celu sprawdzenia właściwości piezorezystancyjnych osadzonych struktur NGR przeprowadzono eksperyment statycznego uginania mikromostków z wykorzystaniem mikroskopu AFM. Wychylenie zadawano oraz śledzono korzystając z sygnałów mikroskopu, natomiast równolegle przeprowadzono pomiar zmiany napięcia na strukturze. Na rysunku 9 zaprezentowano sygnały zarejestrowane podczas statycznego uginania mikromostka za pomocą AFM.
Rys. 9. Wykresy: (a) wychylenie na środku oraz (b) zmiana rezystancji zarejestrowane podczas statycznego uginania mikromostka FoMaMet III z naniesionymi strukturami NGR [11]. Równolegle rejestrowano zmianę rezystancji struktury w czasie. Wynik tego pomiaru przedstawiono na rysunku 9(b), gdzie wyraźnie widoczna jest synchronizacja zmiany rezystancji, która zwiększa się, podczas naciskania mikromostka FoMaMet III. Zwiększanie rezystancji związane jest z wydłużaniem się struktur NGR, czyli zwiększeniem odległości pomiędzy nanoziarnami Pt i zmniejszeniem prawdopodobieństwa tunelowania elektronów. Na podstawie zarejestrowanej zmiany topografii równej 1,72 µm, a co za tym idzie wychylenia na środku mikromostka FoMaMet III oszacowano jego wydłużenie. Odkształcenie względne ε wyniosło 1,86 10-5, natomiast zmiana rezystancji w stosunku do rezystancji początkowej ΔR/R 7,88 10-5. Wyznaczono współczynnik czułości odkształceniowej K dla osadzonych NGR równy 4,25, co jest wartością zbliżoną do wartości przedstawionych w literaturze dla podobnych struktur [12]. Proces osadzania warstw SAM Proces osadzania warstw SAM przeprowadzono na mikromostkach ze złota metalizacją FoMaMet V. Struktura została wstępnie oczyszczona oraz znajdowała się w wysokiej próżni o ciśnieniu równym P = 1 10-4 mbar przez około 3 godziny w celu stabilizacji. Krzywe rezonansowe zarejestrowano przy pobudzeniu elektromagnetycznym prądem o wartości 1 µa i detekcji EMF. Początkowa częstotliwość rezonansowa wynosiła f 1 = 728,696 khz. Proces osadzania oraz kolejne pomiary odbywały się w ciśnieniu równym P = 1 10-1 mbar. Zmiany częstotliwości rezonansowej mikromostka FoMaMet V związane z osadzaniem się molekularnej warstwy tiofenolu przedstawiono na rysunku 10. Już w pierwszej minucie po wprowadzeniu par tiofenolu zaobserwowano przesunięcie częstotliwości o 59 Hz w stronę wyższych częstotliwości. Następnie pomiary wykonano po 10 minutach oraz 90 godzinach, dla których zarejestrowano przesunięcia o odpowiednio 90 Hz oraz 2 539 Hz także w stronę wyższych częstotliwości.
Rys. 10. Zmiany częstotliwości rezonansowej mikromostka FoMaMet V związane z osadzaniem się molekularnej warstwy tiofenolu. Zaobserwowano zjawisko przesuniecie częstotliwości rezonansowej w stronę wyższych częstotliwości, a nie jak się spodziewano w stronę niższych częstotliwości, które związane byłoby z dodaną masą. Ma to związek z powstaniem dodatkowych naprężeń w strukturze belki dwustronnie zamocowanej generowanych poprzez osadzenie molekularnej warstwy. III. PODSUMOWANIE Badania opisane w niniejszej rozprawie dotyczyły charakteryzacji i zastosowania układów MEMS do zastosowania jako czujnik zmian masy rzędu femtogramów. Dodatkowo, celem nadrzędnym było zastosowanie podejścia metrologicznego. Cel ten został osiągnięty przy użyciu odpowiednio małych narzędzi pomiarowych wytwarzanych metodami mikro- i nanotechnologii, które dodatkowo integrowane są z dedykowanym otoczeniem pomiarowym i sterującym. Narzędziami spełniającymi te założenia zaproponowanymi w ramach rozprawy są mikromechaniczne belki sprężyste dwustronnie zamocowane. Ponadto selektywność czujników została osiągnięta przez odpowiednie modyfikacje właściwości chemicznych powierzchni przetworników, tak aby posiadały one wysokie powinowactwo chemiczne do detektowanych substancji poprzez zastosowanie warstw molekularnych. Niniejsza praca jest kontynuacją badań związanych z detekcją masy do zastosowań biochemicznych za pomocą rezonansowych struktur MEMS realizowanych w ZMMiN W12 PWr. Praca ta zapoczątkowała badania nad strukturami belek dwustronnie zamocowanych, które są naturalnym krokiem ku miniaturyzacji ustroju mechanicznego układu MEMS po kamertonach kwarcowych i mikrodźwigniach. Badania te wpisują się w aktualnie realizowane prace przez laboratoria badawcze na całym świecie w celu osiągnięcia jak najlepszych rozdzielczości pomiarowych jednocześnie prostoty konstrukcji układu wzbudzania i detekcji drgań. Celem pracy było opracowanie technologii metrologicznych obejmujących projekt, charakteryzację i modyfikację przetwornika MEMS/NEMS do obserwacji procesu adsorpcji molekularnych warstw samoorganizujących się (SAMs). Badania zostały przeprowadzone w ramach projektu Fundacji na rzecz Nauki Polskiej TEAM High resolution force and mass metrology using actuated MEMS/NEMS devices FoMaMet. Aby zrealizować postawiony celu pracy w trakcie realizacji pracy doktorskiej:
Zaprojektowano szereg konstrukcji tworzących rodzinę struktur FoMaMet, które w końcowym etapie integrują aktuator wychylenia, detektor drgań oraz warstwę receptorową w postaci złotej ścieżki metalicznej. Zastosowano mikroskopię AFM do metrologii właściwości mechanicznych mikro- nanostruktur, a w szczególności sztywności belek dwustronnie zamocowanych z azotku krzemu. Przeprowadzono pomiary charakteryzacji statycznych wychyleń mikromostków FoMaMet spowodowanych aktuacją elektromagnetyczną i elektrotermiczną za pomocą mikroskopii AFM co pozwoliło na charakteryzację tych metod aktuacji. Opracowano metody elektrotermicznej aktuacji oraz detekcji drgań na podstawie obserwacji siły elektromotorycznej indukcji (EMF) realizowane za pomocą tego samego elementu mikrostruktury oraz przeprowadzono je zarówno w próżni jak i warunkach normalnej atmosfery. Zrealizowano pełną integrację na chipie pomiarowego mostka Wheatstone a przez co wyeliminowano problematyczne pojemności i rezystancje pasożytnicze pojawiające się dla wysokich częstotliwości podczas obserwacji siły elektromotorycznej indukcji (EMF). Zaproponowano i zastosowano struktury osadzane ze wspomaganiem zogniskowanej wiązki elektronów (FEBID) jako czujniki naprężeń do detekcji statycznego wychylenia mikromostka na podstawie obserwacji zmiany rezystancji. Zastosowano struktury osadzane ze wspomaganiem zogniskowanej wiązki elektronów (FEBID) w celu wykonania kalibracji czułości pomiarowej struktur FoMaMet. Zaproponowano i przeprowadzono odwracalny proces osadzania warstw samoorganizujących się w warunkach obniżonego ciśnienia. Zademonstrowano możliwość opracowanych metod do pomiaru adsorpcji na mikromostkach z rozdzielczością fg/hz (ag/mhz). IV. LITERATURA [1] J. Chaste, a Eichler, J. Moser, G. Ceballos, R. Rurali, a Bachtold, A nanomechanical mass sensor with yoctogram resolution., Nat. Nanotechnol. 7 (2012) 301 4. doi:10.1038/nnano.2012.42. [2] O.M. Marago, P.H. Jones, F. Bonaccorso, V. Scardaci, P.G. Gucciardi, A.G. Rozhin, A.C. Ferrari, Femtonewton Force Sensing with Optically Trapped Nanotubes, Nano Lett. 8 (2008) 3211 3216. doi:10.1021/nl8015413. [3] K. Eom, H.S. Park, D.S. Yoon, T. Kwon, Nanomechanical resonators and their applications in biological/chemical detection: Nanomechanics principles, Phys. Rep. 503 (2011) 115 163. doi:10.1016/j.physrep.2011.03.002. [4] K. Waszczuk, G. Gula, M. Swiatkowski, J. Olszewski, W. Herwich, Z. Drulis-Kawa, J. Gutowicz, T. Gotszalk, Evaluation of Pseudomonas aeruginosa biofilm formation using piezoelectric tuning fork mass sensors, Sensors Actuators, B Chem. 170 (2012) 7 12. doi:10.1016/j.snb.2010.11.019. [5] K. Nieradka, T.P. Gotszalk, G. Schroeder, A novel method for simultaneous readout of static bending and multimode resonance-frequency of microcantilever-based biochemical sensors, Sensors Actuators B Chem. 170 (2012) 172 175. doi:10.1016/j.snb.2011.05.032. [6] K. Nieradka, K. Kapczyńska, J. Rybka, T. Lipiński, P. Grabiec, M. Skowicki, T. Gotszalk, Microcantilever array biosensors for detection and recognition of Gram-negative bacterial endotoxins, Sensors Actuators, B Chem. 198 (2014) 114 124. doi:10.1016/j.snb.2014.03.023. [7] M. Moczała, A. Sierakowski, R. Dobrowolski, P. Grabiec, T.P. Gotszalk, Fabrication and measurement of micromechanical bridge structures for mass change detection, in: P. Szczepanski, R. Kisiel, R.S. Romaniuk (Eds.), 2013: p. 89021W. doi:10.1117/12.2031053. [8] M. Moczała, D. Kopiec, A. Sierakowski, R. Dobrowolski, P. Grabiec, T. Gotszalk, Investigations of mechanical properties of microfabricated resonators using atomic force microscopy related techniques, Microelectron. Eng. 119 (2014) 164 168. doi:10.1016/j.mee.2014.04.006.
[9] M. Moczała, W. Majstrzyk, a. Sierakowski, R. Dobrowolski, P. Grabiec, T. Gotszalk, Metrology of electromagnetic static actuation of MEMS microbridge using atomic force microscopy, Micron. 84 (2016) 1 6. doi:10.1016/j.micron.2016.02.008. [10] M. Moczała, M. Babij, W. Majstrzyk, a. Sierakowski, R. Dobrowolski, P. Janus, P. Grabiec, T. Gotszalk, Technology of thermally driven and magnetomotively detected MEMS microbridges, Sensors Actuators, A Phys. 240 (2016) 17 22. doi:10.1016/j.sna.2016.01.041. [11] M. Moczała, K. Kwoka, T. Piasecki, P. Kunicki, A. Sierakowski, T. Gotszalk, Fabrication and characterization of micromechanical bridges with strain sensors deposited using focused electron beam induced technology, W Recenzji W Microelectron. Eng. (n.d.). [12] C.H. Schwalb, C. Grimm, M. Baranowski, R. Sachser, F. Porrati, H. Reith, P. Das, J. Muller, F. Volklein, A. Kaya, M. Huth, A tunable strain sensor using nanogranular metals, Sensors (Switzerland). 10 (2010) 9847 9856. doi:10.3390/s101109847. V. DOROBEK NAUKOWY Autorstwo lub współautorstwo 15 artykułów naukowych, z czego 10 z tzw. listy filadelfijskiej. Aktywny udział w ponad 20 konferencjach i seminariach naukowych, z czego 14 międzynarodowych.