Właściwości i zastosowanie układów mikro- i

Właściwości i zastosowanie układów mikro- i nanomechanicznych
w pomiarach nanosił
mgr inż. Daniel Kopiec
Politechnika Wrocławska, Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki,
Wydziałowy Zakład Metrologii Mikro- i Nanostruktur
W rozprawie doktorskiej przedstawiono wyniki prac badawczych dotyczących właściwości
i zastosowania układów mikro- i nanoelektromechanicznych MEMS (ang. Micro-ElectroMechanical Systems, MEMS) oraz NEMS (Nano-Electro-Mechanical Systems, NEMS)
w pomiarach sił z zakresu nanoniutonów.
Mikro- i nanotechnologie stanowią temat naukowych zainteresowań wielu grup badawczych na całym świecie. Intensywnie prowadzone badania obejmują m.in. projektowanie,
wytwarzanie oraz zastosowanie mikro- i nanostruktur materiałowych i przyrządowych o coraz
bardziej doskonałych właściwościach elektrycznych i mechanicznych. Postępowi w miniaturyzacji i wytwarzaniu nowych materiałów oraz struktur towarzyszyć musi również postęp
w metrologii, czyli w ilościowym opisie obserwowanych zjawisk i właściwości stosowanych
narzędzi typu MEMS i NEMS. Ilustracją tego procesu są między innymi precyzyjne pomiary
sił, w których opracowane metody i techniki eksperymentalne powinny zapewniać rozdzielczość obserwacji rzędu pikoniutonów w zakresie oddziaływań do ok. 100 nN.
Przedstawioną rozprawę doktorską można podzielić na trzy główne części. Pierwsza część
rozprawy, obejmująca rozdziały 1, 2, omawia zasadniczy cel podjętych badań oraz opisuje
zagadnienia związane ze współczesną metrologią sił w technice mikrosystemów i nanotechnologii. Opisane zostały stosowane przez autora narzędzia pomiarowe, metody detekcji i aktuacji ich wychylenia, z uwzględnieniem struktur mikromechanicznych opracowanych we
współpracy autora z Instytutem Technologii Elektronowej w Warszawie. Przedstawiono
również zasadę działania nowatorskich struktur z magnetoelektrycznym aktuatorem wychylenia.
Druga część rozprawy, obejmująca rozdziały 3 – 5, porusza zagadnienia związane z kalibracją układów pomiaru ugięcia struktur wspornikowych i kalibracją parametrów metrologicznych przetworników mikromechanicznych. Ponadto omówiono konstrukcję mikroskopu
sił atomowych, zoptymalizowaną przez autora rozprawy pod kątem prowadzonych eksperymentów. Opisane zostały układy pomiaru ugięcia przetworników belkowych optycznych oraz
integrujących w swojej budowie piezorezystywne detektory ugięcia. Zaprezentowano szereg
danych eksperymentalnych dotyczących optymalizacji układów pomiaru ugięcia a także procedury i rezultaty prowadzonych kalibracji przyrządów mikromechanicznych stosowanych
w badaniach sił z zakresu nanoniutonów.
W trzeciej części rozprawy, obejmującej rozdziały 6 – 9, przedstawiono potencjalne zastosowania układów m.in. w: pomiarach lokalnych i globalnych właściwości elektrycznych powierzchni z zastosowaniem struktur wzbudzanych magnetoelektrycznie, bezpośrednim pomiarze molekularnych naprężeń powierzchniowych z zastosowaniem układów wzbudzanych
magnetoelektrycznie a także mikroskopii sił ścinających z zastosowaniem piezorezystywnych
struktur aktuowanych magnetoelektrycznie.
Properties and application of micro- and nanomechanical systems in
nanoforces measurements
Daniel Kopiec, MSc, Eng
Wrocław University of Technology, Faculty of Microsystems Electronics and Photonics,
Division of Metrology of Micro- and Nanostructures
In the presented dissertation the research results concerning properties and application of
micro- and nanoelectromechanical systems (MEMS and NEMS) in measurements of forces
in the range of nanonewtons was presented.
Micro- and nanotechnologies are a subject of scientific interest of many research teams
worldwide. Intensive research includes such aspects as: design, production and application of
material and instrumental micro- and nanostructures with continuously improved electrical
and mechanical properties. The progress in miniaturisation and production of new materials
must be supported by the progress in metrology, i.e. in a quantitative description of the observed phenomena and features of MEMS and NEMS tools. This process is illustrated for
instance by precise measurement of forces, in which the developed experimental methods and
techniques should provide a resolution at the level of piconewtons in the extent of interaction
of approximately 100 nN.
The presented thesis can be divided into three main parts. The first part, containing chapters 1 and 2, discuss the essential goal of conducted research and describes issues linked with
the modern metrology of forces in microsystems and nanotechnology. There is also a description of the measurement devices used by the author, the method of actuation and detection of
their deflection taking into consideration the micromechanical structures developed by the
author in cooperation with the Warsaw Institute of Electron Technology. The first part also
includes the principle of operation of innovative structures with a magnetoelectric actuator of
deflection.
The second part of the thesis, containing chapters 3 – 5, discusses problems concerning the
calibration of measurement systems of micromechanical structures and the calibration of metrological parameters of micromechanical transducers. Moreover, this part features a description of the construction of an atomic force microscope optimised by the author for the purpose
of the conducted experiments. The author describes the measurement systems of cantilever
bending for both optical and integrated piezoresistive deflection detectors in their structure. It
presents a series of experimental data of deflection system measurements, procedures and the
results carried out during calibration of micromechanical devices used in measurements of
forces in the range of nanonewton.
In the third part of the thesis, containing chapters 6 - 9, the author presented potential applications of systems which cover, among others: measurements of local and global electric
properties with an application of structures actuated magnetoelectrically, direct measurements
of molecular surface stresses with an usage of systems actuated magnetoelectrically and shear
force microscopy with the use of piezoresistive structures actuated magnetoelectrically.