Development of cantilevers for biomolecular measurements

Resumen

Este trabajo queda dividido en tres apartados, todos ellos relacionados con el diseño y fabricación de vigas en voladizo de tamaño micrométrico (micro-cantilevers en inglés) para diferentes aplicaciones. En el segundo capítulo se describe el trabajo realizado con vigas piezorresistivas. El objetivo fundamental de esa parte del trabajo consistía en la consecución de un elemento sensor capaz de detectar fuerzas en el rango de 10 a 100 pN. Para ello, en primer lugar, se realizó un detallado análisis teórico del comportamiento de estas estructuras mecánicas cuando se les aplica una fuerza en su extremo libre. Se estudió asimismo el ruido (tanto eléctrico como mecánico) presente en ellas. De esta manera se establecieron unos criterios para la maximización de la sensibilidad y la resolución del sensor. Los resultados analíticos se compararon con los resultados de simulaciones por elementos finitos, obteniendo divergencias muy bajas, lo cual fue interpretado como una validación de los primeros. Se diseñaron y fabricaron unas vigas piezorresistivas de polisilicio con forma de U. Las dimensiones y demás parámetros se fijaron mediante los criterios obtenidos para la optimización del comportamiento de las vigas. Las vigas se fabricaron tanto en la Sala Blanca del CNM como usando una tecnología CMOS comercial (0.8 m de AustriaMicroSystems). Los procesos de fabricación dentro de la Sala Blanca del CNM se optimizaron para aumentar el rendimiento de las obleas. De esta forma, finalmente, se alcanzó un rendimiento cercano al 95% (aproximadamente 95 de cada 100 dispositivos se obtuvieron correctamente). Se optimizó asimismo el post proceso de los chips CMOS en el CNM para obtener un alto rendimiento. En este caso, se consideró la supervivencia de las estructuras mecánicas así como de la circuitería CMOS integrada junto con las vigas. Esta circuitería, diseñada en el ETH de Zürich, consistía en un filtro y un amplificador para mejorar la resolución del sensor. Una vez fabricados, los dispositivos se caracterizaron. La parte central de esta caracterización englobó dos aspectos: la medida del ruido de la señal de salida del circuito y la determinación de la sensibilidad de los dispositivos. Teniendo en cuenta ambos resultados se calculó la resolución de nuestros sensores. Los mejores resultados obtenidos fueron de unos 30 nN para las vigas fabricadas en el CNM y de unos 30 pN para las provenientes de la tecnología CMOS. Esta diferencia de tres órdenes de magnitud en la resolución es debida a la circuitería adjunta a los dispositivos transductores (vigas) y nos permitiría medir fuerzas del orden de magnitud requerido. Por otro lado, con el objetivo de realizar medidas de conducción en medio líquido, se fabricaron unas vigas conductoras pero aisladas. La capa conductora en dichas vigas (capa de oro) ha de estar aislada del exterior por medio de una capa dieléctrica (nitruro de silicio) para así disminuir las capacidades parásitas. En el extremo libre, se ha de situar una punta de polisilicio afilada para poder escanear superficies. Dicha punta ha de estar cubierta por oro y, sobre el oro, tener nitruro en todas partes salvo en el vértice. Para obtener estos dispositivos, se optimizó el grabado de puntas de polisilicio, obteniendo finalmente puntas con un diámetro de vértice menor que 20 nm (usando un ataque en un equipo DRIE seguido por unas oxidaciones para afilar). Además, se realizó un estudio de los esfuerzos internos para intentar obtener vigas lo más planas posible. En la última parte del trabajo, se llevó a cabo la fabricación de sondas para AFM (vigas con una punta afilada en su extremo libre). Estos dispositivos son ampliamente usados en la actualidad para caracterizar muestras y para realizar experimentos en los que se requiere una alta precisión y/o resolución. El objetivo fundamental de este trabajo era el posibilitar la fabricación de sondas para AFM en nuestro centro de manera que los diseños pudieran ser elegidos a voluntad y acordes con las necesidades de cada investigador. Para ello se consideraron diferentes materiales y procesos de fabricación de puntas. La mejor opción fue la definición por medio de un equipo DRIE de puntas "tipo cohete" con una parte superior afilada, situada sobre una columna cilíndrica. Los procesos de grabado se optimizaron para así obtener una alta uniformidad a lo largo y ancho de la oblea así como unos perfiles de puntas apropiados para poder ser usadas después en un AFM. A continuación, se fabricaron sondas completas. Para comprobar cómo de buena era la tecnología de fabricación que habíamos diseñado, se fabricaron puntas de dos tipos diferentes: para ser usadas en modo contacto (constante elástica baja) y para ser usadas en modo dinámico (constante elástica alta). Dichos dispositivos se usaron para escanear algunas muestras y se compararon con algunos disponibles comercialmente, obteniendo resultados similares tanto para modo contacto como para dinámico. Finalmente, se fabricaron sondas para aplicaciones específicas: sondas con puntas con la parte superior plana para el estudio de la elasticidad de polímeros y materiales biológicos (con bajo módulo de Young) y sondas con vigas de una geometría especial para que las frecuencias de resonancia del modo fundamental y del primer harmónico transversal estuvieran más juntas, para así mejorar la detección del potencial de superficie en la técnica KPFM. Con la fabricación de estas puntas, se demostró que el disponer de una tecnología que permita la consecución de puntas puede ser muy útil para el desarrollo de nuevas aplicaciones del AFM.

Fecha de lectura	14 dic 2006
Idioma original	Indefinido/desconocido
Supervisor	Joan Bausells Roige (Director/a)