Development of cantilevers for biomolecular measurements
- Autores: Luis Guillermo Villanueva Torrijo
- Directores de la Tesis: Joan Bausells Roigé (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2006
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Emilio Lora-Tamayo D'Ocón (presid.), Gabriel Abadal Berini (secret.), Josep Samitier Martí (voc.), José Antonio Plaza Plaza (voc.), Julio Gómez Herrero (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
Aquesta tesi ha estat realitzada al Centre Nacional de Microelectrònica, Institut de Microelectrònica de Barcelona (CNM-IMB) que és un institut d'investigació que forma part del Consell Superior d'Investigacions Científiques (CSIC). La memòria és un recull de la feina realitzada per en Luis Guillermo Villanueva Torrijo sota la direcció del Professor d'Investigació Joan Bausells Roigé al període comprès entre setembre de 2002 i octubre de 2006. El treball queda dividit en tres apartats, tots tres relacionats amb el disseny i la fabricació de bigues de mida micromètrica (micro-cantilevers en anglès) per a diferents aplicacions. Al segon capítol es descriu la feina realitzada amb bigues piezoresistives. L'objectiu fonamental d'aquesta part del treball consistia en la fabricació d'un element sensor capaç de detectar forces dins del rang de 10 a 100 pN. Per això, en primer lloc, es va realitzar una anàlisi teòrica del comportament d'aquestes estructures mecàniques quan se les hi aplica una força al seu extrem lliure. També es va estudiar el soroll (tant electrònic com mecànic) que presentaven. D'aquesta manera, es van establir uns criteris per a la maximització de la sensibilitat i la resolució del sensor. Els resultats analítics es van comparar amb els resultats de simulacions per elements finits, obtenint divergències molt baixes. Això va ser interpretat com una validació dels resultats analítics. Es van dissenyar i fabricar unes bigues piezoresistives de polisilici amb forma de "U". Les dimensions i la resta de paràmetres es van determinar mitjançant els criteris obtinguts per l'optimització del comportament de les bigues. Aquestes es van fabricar a la Sala Blanca del CNM i també fent servir una tecnologia CMOS comercial (0.8 m de AustriaMicroSystems). Els processos de fabricació dins de la Sala Blanca del CNM es van optimitzar per augmentar el rendiment de les oblies. Així, finalment, es va arribar a un rendiment que estava a prop del 95% (aproximadament 95 de cada 100 dispositius es van obtenir correctament). Es va optimitzar el post procés dels xips CMOS al CNM per obtenir un alt rendiment. En aquest cas no només es va considerar la supervivència de les estructures, sinó també la dels circuits CMOS integrats al costat de les bigues. Aquests circuits, dissenyats al ETH de Zürich, consisteixen en un filtre i un amplificador per a millorar la resolució del sensor. Una vegada fabricats, els dispositius es van caracteritzar. La part principal d'aquesta caracterització recollia dos aspectes: la mesura del soroll del senyal de sortida del circuit i la determinació de la sensibilitat dels dispositius. Considerant tots dos resultats es va calcular la resolució dels sensors. Els millors resultats obtinguts van ser aproximadament 30 nN per a les bigues fabricades al CNM i 30 pN per les bigues fetes amb tecnologia CMOS. Aquesta diferència de tres ordres de magnitud a la resolució és deguda als circuits amplificadors i ens permetria mesurar forces al rang requerit. Per altra banda, amb l'objectiu de realitzar mesures de conducció en un ambient líquid, es van fabricar unes bigues conductores però aïllades. La capa conductora en aquestes bigues (una capa d'or) ha d'estar aïllada del exterior per una capa dielèctrica (nitrur de silici) per disminuir d'aquesta manera les capacitats paràsites. Al extrem lliure, s'ha de situar una punta de polisilici afilada per poder escanejar superfícies. La punta ha d'estar coberta per or i, sobre l'or, tenir nitrur a tot arreu menys al vèrtex. Per obtenir aquests dispositius, es va optimitzar el gravat de puntes de polisilici obtenint finalment puntes amb un diàmetre de vèrtex més petit que 20 nm (fent servir un atac sec en un equip DRIE seguit d'unes oxidacions per esmolar). A més, es va realitzar un estudi dels esforços interns per intentar obtenir bigues planes. A l'última part del treball, es va dur a terme la fabricació de sondes per AFM (bigues amb una punta esmolada al seu extrem lliure). Aquests dispositius es fan servir moltíssim actualment per caracteritzar superfícies i realitzar experiments que requereixen molta precisió i/o resolució. L'objectiu fonamental d'aquesta feina era el possibilitar la fabricació de sondes per AFM al nostre centre de manera que els dissenys poguessin ser triats pels investigadors d'acord amb les necessitats de cadascú d'ells. Per això, es van considerar diferents materials i processos de fabricació de puntes. La millor opció va ser el gravat sec amb un equip DRIE d'unes puntes "tipus coet" amb una part superior afilada, situada al cim d'una columna cilíndrica. Els processos de gravat es van optimitzar per així obtenir una alta uniformitat arreu de l'oblia, així com uns perfils de puntes apropiats per poder fer-les servir en un AFM. A continuació, es van fabricar sondes completes. Per comprovar com de bona era la tecnologia de fabricació que havíem dissenyat, es van fabricar dispositius de dos tipus diferents: per fer-les servir en mode contacte (constant elàstica baixa) i per fer-les servir en mode dinàmic (constant elàstica alta). Aquests dispositius es van utilitzar per escanejar unes mostres d'alumini i es van comparar amb els resultats obtinguts amb sondes comercials, obtenint resultats similars en ambdós casos. Finalment, es van fabricar sondes per a aplicacions específiques: sondes amb puntes amb la part superior plana per l'estudi de la elasticitat de polímers i materials biològics (molt baix mòdul de Young) i sondes amb bigues d'una geometria especial per a que les freqüències de ressonància del mode fonamental i del primer harmònic transversal estiguessin més juntes, per així millorar la detecció del potencial de superfície en la tècnica KPFM. Amb la fabricació d'aquestes puntes, es va demostrar que el disposar d'una tecnologia que permetés la fabricació de sondes pot ser molt útil per al desenvolupament de noves aplicacions de l'AFM.
