تصنيع أجهزة الموجة الصوتية السطحية على Niobate الليثيوم
Summary
اثنين من تقنيات التصنيع، والرفع والنقش الرطب، ويرد وصفها في إنتاج محولات القطب بين الدوديجيت على الركيزة الكهروضوئية، ليثيوم niobate، وتستخدم على نطاق واسع لتوليد موجات صوتية سطح الآن العثور على فائدة واسعة في ميكرو لمائعات النانو. وتظهر الأقطاب كما المنتجة للحث بكفاءة megahertz النظام Rayleigh السطح الموجات الصوتية.
Abstract
التلاعب بالسوائل والجسيمات عن طريق التشغيل الصوتي على نطاق صغير يساعد على النمو السريع لتطبيقات المختبر على رقاقة. Megahertz-ترتيب الموجات الصوتية (SAW) الأجهزة توليد تسارع هائلة على سطحها, تصل إلى 108 م / الثانية2, بدورها مسؤولة عن العديد من الآثار الملاحظة التي أصبحت لتعريف acoustofluidics: تدفق الصوتية وقوى الإشعاع الصوتي. وقد استخدمت هذه الآثار للجسيمات, الخلية, والتعامل مع السوائل في microscale— وحتى في النانو. في هذه الورقة نحن نظهر بوضوح اثنين من أساليب التصنيع الرئيسية لأجهزة SAW على niobate الليثيوم: يتم وصف تفاصيل تقنيات الاقلاع والنقش الرطب خطوة بخطوة. يتم عرض النتائج التمثيلية لنمط القطب المترسب على الركيزة وكذلك أداء SAW المتولدة على السطح بالتفصيل. كما يتم تغطية الحيل تلفيق واستكشاف الأخطاء وإصلاحها. يوفر هذا الإجراء بروتوكولًا عمليًا لتصنيع جهاز SAW عالي التردد وتكامله لتطبيقات microfluidics المستقبلية.
Introduction
الاعتماد على تأثير معكوس كهربائي مُعَد معروف، حيث تخلق ثنائيات القطب الذرية سلالة مطابقة لتطبيق حقل كهربائي، بلورات كهرضغطية مثل الليثيوم niobate LiNbO3 (LN)، الليثيوم التنتاليت LiTaO3 (LT)، يمكن استخدامها كمحولات كهربائية لتوليد منشار للتطبيقات الدقيقة1،,2،,3،,5،,5,6. من خلال تمكين توليد النزوح تصل إلى 1 نانومتر في 10-1000 ميغاهرتز، واهتزازات التي يحركها SAW يتغلب على العقبات النموذجية من الموجات فوق الصوتية التقليدية: تسارع صغير، وأطوال موجية كبيرة، وحجم الجهاز الكبير. وقد تسارعت مؤخرا البحوث لمعالجة السوائل والجسيمات العالقة، مع عدد كبير من الاستعراضات الأخيرة ويمكن الوصولإليها 7،8،9،10.
تصنيع أجهزة microfluidic المندمجة المنشار يتطلب تصنيع الأقطاب الكهربائية – محول بين الدرجية (IDT)11– على الركيزة الكهروضوئية لتوليد المنشار. تخلق الأصابع على شكل مشط ضغطًا وتوترات في الركيزة عند توصيلها بمدخل كهربائي متناوب. وقد تم تقديم تصنيع أجهزة SAW في العديد من المنشورات، سواء باستخدام الاقلاع قبالة التصوير الضوئي فوق البنفسجي جنبا إلى جنب مع المعادن الثرثرة أو عمليات النقش الرطب10. ومع ذلك ، فإن نقص المعرفة والمهارات في تصنيع هذه الأجهزة هو حاجز رئيسي لدخول العديد من المجموعات البحثية إلى acoustofluidics ، حتى اليوم. لتقنية الاقلاع12،13،14، يتم إنشاء طبقة القربان (ضوئي) مع نمط معكوس على السطح ، بحيث عندما يتم إيداع المادة المستهدفة (المعدنية) على الرقاقة بأكملها ، يمكن أن تصل إلى الركيزة في المناطق المطلوبة ، تليها خطوة “الاقلاع” لإزالة ناظر التصوير المتبقي. على النقيض من ذلك ، في عملية النقش الرطب15،16،17،18، يتم إيداع المعدن أولا على رقاقة ثم يتم إنشاء photoresist مع نمط مباشر على المعدن ، لحماية المنطقة المطلوبة من “الحفر” بعيدا عن طريق النقش المعدني.
في التصميم الأكثر استخداما، IDT مستقيم، الطول الموجي للتردد رنانة من الجهاز SAW يتم تعريفها من خلال دورية أزواج الأصابع، حيث عرض الإصبع والتباعد بين الأصابع على حد سواء 
/419. من أجل تحقيق التوازن بين كفاءة نقل التيار الكهربائي وتأثير تحميل الكتلة على الركيزة ، يتم تحسين سمك المعدن المودع على المواد الكهروضوئية لتكون حوالي 1 ٪ من الطول الموجي SAW20. يمكن أن يحدث التسخين المترجم من خسائر أوميتش21، يحتمل أن يؤدي فشل الإصبع السابق لأوانه ، إذا تم إيداع معادن غير كافية. من ناحية أخرى، يمكن أن يؤدي فيلم معدني سميك بشكل مفرط إلى انخفاض في التردد الرنانة لـ IDT بسبب تأثير التحميل الجماعي ويمكن أن يخلق تجاويف صوتية غير مقصودة من الـ IDTs، مما يعزل الموجات الصوتية التي تولدها عن الركيزة المحيطة. ونتيجة لذلك، تختلف معلمات الأشعة الضوئية والأشعة فوق البنفسجية المختارة في تقنية الإقلاع، تبعاً لتصاميم مختلفة لأجهزة SAW، وخاصة التردد. هنا، ونحن وصف بالتفصيل عملية الاقلاع من إنتاج جهاز 100 ميغاهرتز SAW توليد على الوجهين مصقول 0.5 مم سميكة 128 درجة Y-تدوير LN رقاقة، فضلا عن عملية النقش الرطب لتصنيع جهاز 100 ميغاهرتز من تصميم متطابقة. يقدم نهجنا نظام microfluidic يتيح التحقيق في مجموعة متنوعة من المشاكل الفيزيائية والتطبيقات البيولوجية.
Protocol
Representative Results
Discussion
أجهزة SAW ملفقة من أي من الأسلوبين قادرة على توليد موجات السفر مفيدة على السطح، وهذه الأساليب تدعم عمليات أكثر تعقيدا لإنتاج تصاميم أخرى. التردد الرنانة عادة ما يكون أقل قليلا من القيمة المصممة ، وذلك بسبب تأثير التحميل الجماعي للمعدن المودع على القمة. ومع ذلك ، لا تزال هناك بعض النقاط التي …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويعرب المؤلفون عن امتنانهم لجامعة كاليفورنيا ومرفق NANO3 في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو لتوفير الأموال والتسهيلات لدعم هذا العمل. وقد تم تنفيذ هذا العمل جزئيا في البنية التحتية لتكنولوجيا النانو في سان دييغو (SDNI) UCSD، وهو عضو في البنية التحتية الوطنية لتنسيق تكنولوجيا النانو، والتي تدعمها المؤسسة الوطنية للعلوم (Grant ECCS-1542148). وقد تم دعم العمل المقدم هنا بسخاء من خلال منحة بحثية من مؤسسة W.M. Keck. كما يعرب المؤلفان عن امتنانهما لدعم هذا العمل من قبل مكتب البحوث البحرية (عبر المنحة 12368098).
Materials
| Absorber | Dragon Skin, Smooth-On, Inc., Macungie, PA, USA | Dragon Skin 10 MEDIUM | |
| Amplifier | Mini-Circuits, Brooklyn, NY, USA | ZHL–1–2W–S+ | |
| Camera | Nikon, Minato, Tokyo, Japan | D5300 | |
| Chromium etchant | Transene Company, INC, Danvers, MA, USA | 1020 | |
| Developer | Futurrex, NJ, USA | RD6 | |
| Developer | EMD Performance Materials Corp., Philidaphia, PA, USA | AZ300MIF | |
| Dicing saw | Disco, Tokyo, Japan | Disco Automatic Dicing Saw 3220 | |
| Gold etchant | Transene Company, INC, Danvers, MA, USA | Type TFA | |
| Hole driller | Dremel, Mount Prospect, Illinois | Model #4000 | 4000 High Performance Variable Speed Rotary |
| Inverted microscope | Amscope, Irvine, CA, USA | IN480TC-FL-MF603 | |
| Laser Doppler vibrometer (LDV) | Polytec, Waldbronn, Germany | UHF-120 | 4” double-side polished 0.5 mm thick 128°Y-rotated cut lithium niobate |
| Lithium niobate substrate | PMOptics, Burlington, MA, USA | PWLN-431232 | |
| Mask aligner | Heidelberg Instruments, Heidelberg, Germany | MLA150 | Fabrication process is performed in it. |
| Nano3 cleanroom facility | UCSD, La Jolla, CA, USA | ||
| Negative photoresist | Futurrex, NJ, USA | NR9-1500PY | |
| Oscilloscope | Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA | InfiniiVision 2000 X-Series | |
| Positive photoresist | AZ1512 | Denton Discovery 18 Sputter System | |
| Signal generator | NF Corporation, Yokohama, Japan | WF1967 multifunction generator | Wafer Dipper 4" |
| Sputter deposition | Denton Vacuum, NJ, USA | Denton 18 | |
| Teflon wafer dipper | ShapeMaster, Ogden, IL, USA | SM4WD1 |
References
- Ding, X., et al. Standing surface acoustic wave (SSAW) based multichannel cell sorting. Lab on a Chip. 12 (21), 4228-4231 (2012).
- Langelier, S. M., Yeo, L. Y., Friend, J. UV epoxy bonding for enhanced SAW transmission and microscale acoustofluidic integration. Lab on a Chip. 12 (16), 2970-2976 (2012).
- Rezk, A. R., Qi, A., Friend, J. R., Li, W. H., Yeo, L. Y. Uniform mixing in paper-based microfluidic systems using surface acoustic waves. Lab on a Chip. 12 (4), 773-779 (2012).
- Schmid, L., Weitz, D. A., Franke, T. Sorting drops and cells with acoustics: acoustic microfluidic fluorescence-activated cell sorter. Lab on a Chip. 14 (19), 3710-3718 (2014).
- Schmid, L., Wixforth, A., Weitz, D. A., Franke, T. Novel surface acoustic wave (SAW)-driven closed PDMS flow chamber. Microfluidics and Nanofluidics. 12 (1-4), 229-235 (2012).
- Shi, J., Mao, X., Ahmed, D., Colletti, A., Huang, T. J. Focusing microparticles in a microfluidic channel with standing surface acoustic waves (SSAW). Lab on a Chip. 8 (2), 221-223 (2008).
- Friend, J., Yeo, L. Y. Microscale acoustofluidics: Microfluidics driven via acoustics and ultrasonics. Reviews of Modern Physics. 83 (2), 647 (2011).
- Ding, X., et al. Surface acoustic wave microfluidics. Lab on a Chip. 13 (18), 3626-3649 (2013).
- Destgeer, G., Sung, H. J. Recent advances in microfluidic actuation and micro-object manipulation via surface acoustic waves. Lab on a Chip. 15 (13), 2722-2738 (2015).
- Connacher, W., et al. Micro/nano acoustofluidics: materials, phenomena, design, devices, and applications. Lab on a Chip. 18 (14), 1952-1996 (2018).
- White, R. M., Voltmer, F. W. Direct piezoelectric coupling to surface elastic waves. Applied Physics Letters. 7 (12), 314-316 (1965).
- Smith, H. I., Bachner, F. J., Efremow, N. A High-Yield Photolithographic Technique for Surface Wave Devices. Journal of the Electrochemical Society. 118 (5), 821-825 (1971).
- Bahr, A. Fabrication techniques for surface-acoustic-wave devices. Proc. Int. Specialists Seminar on Component Performance and Systems Applications of Surface Acoustic Wave Devices. , (1973).
- Smith, H. I. Fabrication techniques for surface-acoustic-wave and thin-film optical devices. Proceedings of the IEEE. 62 (10), 1361-1387 (1974).
- Wilke, N., Mulcahy, A., Ye, S. R., Morrissey, A. Process optimization and characterization of silicon microneedles fabricated by wet etch technology. Microelectronics Journal. 36 (7), 650-656 (2005).
- Madou, M. J. . Fundamentals of microfabrication: the science of miniaturization. , (2002).
- Köhler, M. . Etching in Microsystem Technology. , (1999).
- Brodie, I., Muray, J. J. . The physics of micro/nano-fabrication. , (2013).
- Dentry, M. B., Yeo, L. Y., Friend, J. R. Frequency effects on the scale and behavior of acoustic streaming. Physical Review E. 89 (1), 013203 (2014).
- Morgan, D. . Surface acoustic wave filters: With applications to electronic communications and signal processing. , (2010).
- Pekarcikova, M., et al. Investigation of high power effects on Ti/Al and Ta-Si-N/Cu/Ta-Si-N electrodes for SAW devices. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 52 (5), 911-917 (2005).
