Summary

Изготовление поверхностных акустических волновых устройств на литий-ниобате

Published: June 18, 2020
doi:

Summary

Два метода изготовления, подъем и мокрое офорт, описаны в производстве межцифровых электродных преобразователей на пьезоэлектрическом субстрате, литиевом ниобате, широко используемом для генерации поверхностных акустических волн, которые в настоящее время находят широкую полезность в микро-нанмасштабных жидкостях. Показано, что как произведенные электроды эффективно индуцируют мегагерцовые волны, наводные акустические волны Rayleigh.

Abstract

Манипулирование жидкостями и частицами с помощью акустической активации в небольших масштабах способствует быстрому росту лабораторных приложений. Устройства поверхностных акустических волн (SAW) мегагерцца генерируют огромные ускорения на их поверхности, до 108 м/с2,в свою очередь, отвечают за многие наблюдаемые эффекты, которые стали определять acoustofluidics: акустические потоковое и акустическое излучение. Эти эффекты были использованы для обработки частиц, клеток и жидкости на микромасштабной и даже на наноуровне. В этой работе мы четко демонстрируем два основных метода изготовления устройств SAW на литиевом ниобате: детали методов подъема и мокрого травля описаны шаг за шагом. В деталях отображаются репрезентативные результаты для электродного рисунка, отложенного на субстрате, а также производительность САВ, генерируемого на поверхности. Изготовление трюки и устранение неполадок покрыты, а также. Эта процедура предлагает практический протокол для высокочастотного изготовления устройства SAW и интеграции для будущих приложений микрофлюидики.

Introduction

Опираясь на известный обратный пьезоэлектрический эффект, где атомные диполи создают штамм, соответствующий применению электрического поля, пьезоэлектрические кристаллы, такие как литий ниобат LiNbO3 (LN), литий-танталит LiTaO3 (LT), могут быть использованы в качестве электромеханических презекторов для генерации SAW для микромасштабных применений1,2,,3,4,4,66. Позволяя генерации смещения до 1 нм на 10-1000 МГц, SAW-управляемых вибрации преодолевает типичные препятствия традиционного ультразвука: небольшое ускорение, большие длины волн, и большой размер устройства. Исследования по манипулированию жидкостями и взвешенными частицами недавно ускорились, с большим количеством последних и доступных обзоров7,,8,,9,10.

Изготовление SAW-интегрированных микрофлюидных устройств требует изготовления электродов – межцифрового трансдуцера (IDT)11– на пьезоэлектрическом субстрате для генерации САВ. Пальцы гребнной формы создают сжатие и напряжение в субстрате при подключении к переменному электрическому входу. Изготовление устройств SAW было представлено во многих публикациях, будь то использование подъема ультрафиолетовой фотолитографии наряду с металлическим распылением или влажными процессами травления10. Тем не менее, отсутствие знаний и навыков в изготовлении этих устройств является ключевым препятствием для вступления в acoustofluidics многими исследовательскими группами, даже сегодня. Для техники подъема12,,13,,14,на поверхности создается жертвенный слой (фотореалист) с обратным рисунком, так что, когда целевой материал (металл) откладывается на всю пластину, он может достичь субстрата в нужных регионах, а затем “подъемный” шаг для удаления оставшегося фоторесиста. В отличие от этого, в процессе мокрого офорта15,,16,17,18, металл сначала откладывается на, а затем фотореалист создается с прямым рисунком на металле, чтобы защитить желаемый регион от офорта от металла etchant.

В наиболее часто используемой конструкции, прямой IDT, длина волны резонансной частоты устройства SAW определяется периодичностью пар пальцев, где ширина пальца и расстояние между пальцами оба Equation /419. Для того, чтобы сбалансировать эффективность передачи электрического тока и эффект массовой загрузки на субстрат, толщина металла, отложенного на пьезоэлектрический материал, оптимизирована, чтобы быть около 1% от длины волны SAW20. Локализованное отопление от Ohmic потерь21, потенциально вызывая преждевременный отказ пальца, может произойти, если недостаточно металла откладывается. С другой стороны, чрезмерно толстая металлическая пленка может привести к снижению резонансной частоты IDT из-за эффекта массовой загрузки и, возможно, может создать непреднамеренные акустические полости от IDT, изолируя акустические волны, которые они генерируют из окружающего субстрата. В результате выбранные параметры фоторезиста и УФ-облучения различаются в технике подъема, в зависимости от различных конструкций устройств SAW, особенно частоты. Здесь мы подробно описываем процесс подъема для производства устройства, генерирующего 100 МГц SAW, на двухстороннем полированном 0,5 мм толщиной 128 Y-повернутый разрез LN, а также влажный процесс травировки для изготовления 100 МГц устройство идентичного дизайна. Наш подход предлагает микрофлюидную систему, позволяющую исследовать различные физические проблемы и биологические применения.

Protocol

1. Изготовление устройства SAW с помощью метода подъема Выполните вафельный растворитель очистки в классе 100 чистой комнате объекта, погружая 4 ” (101,6 мм) LN пластины в ацетон, а затем изопропиловый спирт (IPA), то деионизированной воды (DI воды), каждый в sonication ванны на 5 мин. Возьмите пласти?…

Representative Results

Измеренный IDT предназначен для резонансной частоты на уровне 100 МГц, так как ширина пальца и расстояние между ними составляют 10 мкм, создавая длину волны 40 мкм. На рисунке 1 показаны устройство SAW и IDT, изготовленные с использованием этого метода. Используя колеблю?…

Discussion

Устройства SAW, изготовленные из любого метода, способны генерировать полезные волны на поверхности, и эти методы лежат в основе более сложных процессов для создания других конструкций. Резонансная частота, как правило, немного ниже, чем разработанное значение, из-за эффекта массовой за?…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы признательны Калифорнийскому университету и учреждению NANO3 в Калифорнийском университете в Сан-Диего за предоставление средств и средств в поддержку этой работы. Эта работа была выполнена в части в Сан-Диего Нанотехнологии инфраструктуры (SDNI) UCSD, член Национальной нанотехнологии скоординированной инфраструктуры, которая поддерживается Национальным научным фондом (Грант ECCS-1542148). Представленная здесь работа была щедро поддержана исследовательским грантом Фонда В.М. Кека. Авторы также благодарны за поддержку этой работы Управления военно-морских исследований (через Грант 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

Referenzen

  1. Ding, X., et al. Standing surface acoustic wave (SSAW) based multichannel cell sorting. Lab on a Chip. 12 (21), 4228-4231 (2012).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Friend, J., Yeo, L. Y. Microscale acoustofluidics: Microfluidics driven via acoustics and ultrasonics. Reviews of Modern Physics. 83 (2), 647 (2011).
  8. Ding, X., et al. Surface acoustic wave microfluidics. Lab on a Chip. 13 (18), 3626-3649 (2013).
  9. 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).
  10. Connacher, W., et al. Micro/nano acoustofluidics: materials, phenomena, design, devices, and applications. Lab on a Chip. 18 (14), 1952-1996 (2018).
  11. White, R. M., Voltmer, F. W. Direct piezoelectric coupling to surface elastic waves. Applied Physics Letters. 7 (12), 314-316 (1965).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Smith, H. I. Fabrication techniques for surface-acoustic-wave and thin-film optical devices. Proceedings of the IEEE. 62 (10), 1361-1387 (1974).
  15. 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).
  16. Madou, M. J. . Fundamentals of microfabrication: the science of miniaturization. , (2002).
  17. Köhler, M. . Etching in Microsystem Technology. , (1999).
  18. Brodie, I., Muray, J. J. . The physics of micro/nano-fabrication. , (2013).
  19. 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).
  20. Morgan, D. . Surface acoustic wave filters: With applications to electronic communications and signal processing. , (2010).
  21. 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).

Play Video

Diesen Artikel zitieren
Mei, J., Zhang, N., Friend, J. Fabrication of Surface Acoustic Wave Devices on Lithium Niobate. J. Vis. Exp. (160), e61013, doi:10.3791/61013 (2020).

View Video