Desarrollo de microvigas para microscopia de barrido

Abstract

Este trabajo presenta el diseño y desarrollo de microvigas en voladizo, con la finalidad de estudiar su comportamiento para su futura aplicación en microscopía de barrido (SPM), y el caso particular de la microscopía de fuerza atómica (AFM). Para ello, se analiza el caso de la flexión de microvigas por efecto de un campo eléctrico resultante de la diferencia de potencial entre la viga y un electrodo paralelo a ella que la recubre parcialmente. En este sentido, se lleva a cabo el análisis de elementos finitos (FEM) para modelos de viga-electrodo, considerando 4 longitudes comerciales de microvigas y 4 diferentes longitudes de electrodos. En consecuencia, se realizan análisis estáticos, de respuesta temporal y de las frecuencias propias. Seguidamente, se llevan a cabo 3 ensayos experimentales a las microestructuras basadas en los modelos ya mencionados: en el primero se analiza la ruptura dieléctrica del aire a pequeñas separaciones entre electrodos de silicio sometidos a una diferencia de potencial variable, luego se obtiene la flexión en función del potencial aplicado para las combinaciones de viga-electrodo y finalmente se determina el factor de calidad para la primera frecuencia natural en dos longitudes de vigas, al ser actuadas mediante diferentes longitudes de electrodos. Los resultados del ensayo de potencial de ruptura llevan al establecimiento de 300V como el límite de la zona segura de actuación de las microvigas. El análisis estático mediante elementos finitos presenta mejor aproximación a los resultados experimentales al considerar 130 GPa como módulo de elasticidad y para los modelos con la máxima longitud de electrodo simulada. Por otro lado, los factores de calidad determinados de las simulaciones difieren considerablemente de los valores experimentales, evidenciando en todo caso una respuesta subamortiguada. Asimismo, los resultados evidencian que cuando el electrodo no recubre toda la longitud de la microviga, es posible lograr desplazamientos en su extremo libre superiores a 1/3 de la separación inicial viga-electrodo, sin que la viga entre en contacto con el electrodo y en consecuencia colapse. Por lo tanto, la flexión apalancada resultante de usar electrodos de longitud menor que la viga, ampliará el rango de desplazamiento en la viga y permitirá actuarla a frecuencias cercanas a la de resonancia, siendo una buena opción a evaluar para desarrollos futuros orientados al área de microscopia de barrido, en el caso particular de AFM.