WO2013182721A1 - Método y sistema de caracterización de estructuras nano y micro mecánicas - Google Patents

Método y sistema de caracterización de estructuras nano y micro mecánicas Download PDF

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WO2013182721A1
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nano
mechanical
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micro
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Francisco Javier Tamayo De Miguel
Valerio PINI
Priscila Monteiro Kosaka
Montserrat Calleja Gómez
Sheila GONZÁLEZ CASTILLA
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Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic)
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Definitions

  • the present invention relates firstly to a method of characterizing nano and micro mechanical structures and secondly to the system for carrying out the described method. Said characterization is carried out by the excitation of the nano and micro mechanical structures by means of a laser beam, the excitation of the structures with signals at different frequencies and the measurement of the different parameters depending on the reflected laser beam.
  • the field of application of the present invention is that of the characterization of the mechanical response of nano and micro structures.
  • micro and nanomechanical systems MEMS and NEMS acronyms of English microelectromechanical systems and nanoelectromechanical systems respectively
  • MEMS and NEMS acronyms of English microelectromechanical systems and nanoelectromechanical systems respectively have allowed the development of advanced scanning technologies for mechanical sensors and has an important relevance in the fields of electronics and power generation.
  • the potential of these systems is based on the fact that their displacement, on the scale of the nanometers and their vibration, is very sensitive to external forces, the forces generated in the plane of their surface and the mass added on them.
  • micro and nanomechanical systems combined with optical or electrical displacement sensors can be applied in the detection of the force between two molecules or atoms with sensitivity in the range of the attonewtons, as well as to measure a mass deposited with sensitivity in the zeptogram and at the same time find the elastic constant with resolution of kilopascals; or for applications in the detection without markers of molecules on the surface through the generated forces.
  • MEMS and NEMS have also been used as radiofrequency filters, accelerometers and high-precision gyroscopes.
  • micro and nanomechanical systems based on cantilevers having a fixed end and a mobile end are known.
  • what is normally detected is the placement and / or movement of the free end.
  • cantilever-based systems fixed at both ends of which the movement of the central part thereof can be detected.
  • the overhangs reproduce in the microscale typically with a thickness of 0.2-1 ⁇ , width between 100-500 ⁇ and length of 100-500 ⁇ ; these can flex the order of a few nanometers in response to forces in the piconewton range. It is in this range where the forces converge between atoms, molecules and biomolecules that govern many of the physicochemical properties of materials as well as many fundamental processes in life.
  • the corresponding deflections of the microvoils can be detected optically and electrically with a resolution of at least 100 pm / Hzl / 2.
  • the optical beam deflection procedure is very sensitive and has the advantage that it can be easily implemented.
  • a segmented photodetector that is split into two segments oriented parallel to the axis of movement of the cantilever is used for capturing the reflected beam.
  • the deflection of the cantilever produces a displacement of the laser point reflected in the photodetector. In this way, the difference in the photocurrents between the two segments is proportional to the deflection of the cantilever.
  • the resonance frequencies of the micro and nano structures have been measured for the scanning of soft surfaces in AFM and for the development of sensors that are based on the addition of masses and the stiffness of the molecules captured in the overhang surface.
  • Cantilevers are normally considered as structures that have a single resonance frequency (fundamental resonance frequency), exciting them at frequencies close to the resonant frequency, however mechanical structures have several vibration modes, at frequencies higher than the frequency fundamental.
  • SDLV can obtain images with high sensitivity of vibration, outside the plane of these systems in the sub-angstrom range and resolution submicrometric WLI gives topography information with a vertical resolution of 1-10 nm. Additionally, the implementation of strobe illumination in WLI has allowed the analysis of vibration modes, although the process is slow, limited bandwidth and The resolution is still insufficient.
  • WLI LDVP Laser Doppler Vibrometer
  • laser beam deflection systems are suitable for measuring both static and dynamic behavior of the elements / cantilevers, for example: maximum deflection, average deflection value, amplitude at a reference frequency (the element can be excited externally by an excitation force that oscillates at a reference frequency), a phase of the movement with respect to an exciter signal, a frequency, etc.
  • the static displacement, the amplitude, the frequency, etc., measured can be related to an object that has to be measured and that interacts with the cantilever, and with the signals used to stimulate the object and / or the cantilever.
  • optical beam deflection technique can resolve deflections of up to 0.1 nm, the implementation
  • the present invention provides an optical microscopy technique based on the method of deflection of a beam that simultaneously and automatically provides a spatial map of static deflection and in the form of five vibration modes with vertical resolution in the range of subangstrom.
  • the present invention relates to a method of characterizing nano and micro mechanical structures.
  • the present invention makes use of at least one mechanical structure that may be a nanomechanical structure or a micromechanical structure.
  • Said mechanical structure may be formed by one or more layers being each one of said layers of different materials.
  • layers of, for example, rust could also appear on metal layers that should be taken into account when performing the characterization procedure considering them as one more layer of the structure.
  • the application of the aforementioned is also planned method on a matrix of mechanical structures composed of nanomechanical structures, micromechanical structures and a combination thereof.
  • the method object of the present invention comprises the following phases:
  • the at least two sinusoidal signals with which the mechanical structure is excited have a frequency that coincides with the frequencies of vibration modes of the mechanical structure.
  • the two-dimensional iterative integration method is a Image reconstruction method in photometric stereography.
  • the excitation of the mechanical structure comprises being performed by means of a piezoelectric actuator located in contact with the mechanical structure so that said actuator transmits the excitation to the structure directly.
  • the excitation of the mechanical structure is carried out by heating the layers that form the mechanical structure by means of a heating element, which causes the structure to vibrate.
  • the mechanical structure is heated and cooled to the frequencies of choice to produce an expansion / contraction of the mechanical structure.
  • the structure must be formed by at least two layers of different materials, since when responding differently to the two materials at the temperature forces are generated between the layers that cause the excitation of the whole mechanical structure.
  • a second object of the present invention is a system for characterizing nano and micro mechanical structures to carry out the procedure described above.
  • Said system at least comprises:
  • the system object of the present invention uses the deflection technique of a beam that can simultaneously detect static deflection / deformation and the form of several vibration modes of a plurality of elements, these elements being preferably: micro and nanomechanics or parts thereof, with vertical resolution in the sub-angstrom range in a single measure.
  • the mechanical structure is a cantilever selected from a microvoladizo and a nanovoladizo.
  • the optometric detector is a two-dimensional linear position detector.
  • the system comprises current-voltage amplifiers that transform the currents generated in the position detector into: the output voltage on the X axis, the output voltage of the Y axis and the intensity voltage of the reflected beam .
  • the frequency excitation means is selected between a piezoelectric actuator and thermal excitation means.
  • the excitation means will depend on any case of the selected technique, among those belonging to the state of the art, to generate the excitation of the mechanical system.
  • the thermal excitation means is a frequency-modulated laser focused on a surface of the mechanical structure. To carry out the frequency excitation of the mechanical structure by thermal means, the mechanical structure must be formed by at least two layers of different material.
  • the present invention is intended for use with micro and nanomechanical systems based on cantilevers having a fixed end and a mobile end.
  • the present invention can also be applied, similarly, to other mechanical elements such as cantilever-based systems fixed at both ends of which the movement of the central part thereof can be detected.
  • cantilever-based systems fixed at both ends of which the movement of the central part thereof can be detected.
  • other micro and nanomechanical structures that are susceptible to movement, deformation or that are flexible such as drums, membranes, cavities, flanges, etc.
  • silicon nanowires which are usually the extension of small-scale overhangs or acoustic surface wave microsystems (SAW acronym for surface acoustic wave) and volume (BAW, acronym for English bulk acoustic wave) where the present invention can be used to measure the deformation of the active, piezoelectric material; and in general another type of micro or nano system where a change in the reflectivity, deformation, stress or movement takes place such as a disc-shaped micro-mirror or transparent, translucent or opaque prism that presents a change in the reflectivity to be illuminated or a multilayer structure.
  • SAW surface acoustic wave
  • BAW acronym for English bulk acoustic wave
  • FIGURES Figure 1. Shows an embodiment of the system for characterizing the displacement of the end of a microvoladizo, object of the present invention.
  • Figure 2a and 2b show a schematic representation of the displacement of the laser beam reflected in a two-dimensional linear position detector (PSD acronym for the English sensitive photo detector) due to the change in the slope shown along the X and e axes. And respectively of the microvoladizo.
  • PSD linear position detector
  • Figure 3. Shows a schematic representation of an exemplary embodiment of the characterization method for multi-frequency excitation / detection, object of the present invention.
  • Figure 4. Shows the 3-dimensional representation of an example of realization of static displacement outside the plane and the shape of five vibration modes of a microvoladizo sensor.
  • Figures 5a and 5b show 3-dimensional representations of the longitudinal (a) and transverse (b) components of the surface stresses generated on the surface of the cantilever of Figure 4 derived from its curvature.
  • Figure 6. Shows the profiles of longitudinal and transverse surface stresses along the longitudinal axis of the cantilever are shown in Figures 5a and 5b.
  • the method and system object of the present invention is based on the automatic scanning in two dimensions of a laser beam very focused through the surface of a mechanical system, an example is that of a microvoladizo, and the collection of the reflected beam on the surface of the two-dimensional PSD oriented orthogonally to the reflected ray.
  • a conventional arrangement of the elements for measuring an optical beam deflection is shown schematically.
  • a light source (1) (usually a laser) emits a focused light beam (2) (directly or through the use of intermediate optical elements, such as mirrors) on the mechanical structure (3), whose displacement has to be measured, for example, on the end of a cantilever (3).
  • the fixed end of the overhang (3) is anchored to a piezoelectric actuator (7).
  • the deflection of the reflected beam (5) is measured with an orthogonal PSD (4), but a segmented photodetector, a continuous location detection photodetector, a formation of photodetectors, etc. could also be used.
  • a coordinate system is defined where the plane XY is the plane of the surface of the microvoladizo (3) and X and Y are along the scanning directions of the beam (2).
  • the incident beam (2) is in the XZ plane and the photodetector (4) is oriented with an axis along the Y direction.
  • the photocurrents along the axes of the photodetector (4) are linearly proportional to the slope of the cantilever (3) along the X addresses and Y at the point of reflection (6).
  • the piezoelectric actuator (7) is fixed to a first micropositioner (8) that travels in the XZ plane and that in turn it moves on a second micropositioner (9) that moves in the YZ plane.
  • Figure 2a shows the deflection of the microvoladizo (3) with its consequent displacement in the X-Z plane (14) when the laser beam (2) strikes.
  • the displacement of the reflected beam (5) in the Z axis is observed due to the deflection of the microvoladizo (3), since initially said microvoladizo (3) is in the XY plane (10) with the beam affecting reflected (5) at a first point (11) of the photodetector (4).
  • the overhang (3) leaves the XY plane by moving the reflected beam (5) on the Z axis to a second point (12) of the photodetector ( 4) .
  • Figure 2b shows another embodiment in which the deflection of the microvoladizo (4) generates a displacement (13) of the reflected beam (5) in the photodetector on the Y axis.
  • FIG. 3 An example of embodiment of the method and system described in the present invention is shown in Figure 3.
  • a cantilever (15) is excited by a signal (16) composed of the sum of five time-dependent sinusoidal signals at different frequencies (W 1 -W5). These signals are chosen so that their frequencies coincide with the frequencies of the vibration modes and the amplitude of each component of the frequencies is tuned to obtain similar responses of the amplitude in the cantilever (15).
  • the signal (16) is applied through a bimorph (structure formed by two layers of two active materials) piezoelectric (17) located nearby from the base of the cantilever (15). The method can be extended to more frequencies but five frequencies have been chosen to limit the amount of data generated.
  • the raw data of the signals of the photodetector slopes ( 20) are multiplexed in static and quadrature amplitudes with respect to each component of the frequency of the excitation signal (16).
  • 23 images (21) are obtained: the static slopes X and Y; and reflectivity; and the amplitudes in phase and quadrature of the slopes X and Y at the five excitation frequencies (wi-w 5 ).
  • the system After scanning the beam (18) on the cantilever (15), the system defines a mask (22) based on the continuous component (23) of the intensity of the reflected beam of light
  • This mask (22) is applied to the dynamic components of the slopes X
  • a 2-dimensional integration method (26) is used to reconstruct the image in photometric stereography to calculate the height at through the normal vector of data.
  • a technique is applied for the determination of the spatial distribution of surface stress and the modal form (physical form having the structure at the normalized resonance frequency) of the first 22 natural modes of vibration of a commercial sensor with eight overhangs (Concentris® brand) that has been coated with a thin gold foil.
  • the dimensions of the overhangs are 500 ⁇ in length, 100 ⁇ in width and 1 ⁇ in thickness.
  • the photocurrents are converted into electrical voltages through current-voltage amplifiers integrated in the photodetector to obtain three output voltages that give the X and Y slopes of the surface and the intensity of the reflected laser beam.
  • the slope values are not sensitive to fluctuations in intensity and variations in the optical properties of the surface.
  • the cantilever has been oriented along the X direction, so that the variations in the channels of the X and Y slopes can be related to the flexural and torsional movement of the cantilever.
  • the excitation signal of the sensor used consists of the sum of five signals at different frequencies.
  • the frequencies are chosen to match the resonance frequencies of different vibration modes.
  • a fast Fourier transform of the PSD channels corresponding to the X slope and the Y slope of the sample reveals static and multimodal displacements outside the plane.
  • the intensity of the PSD channel is used as a mask to obtain the cantilever shape. To reconstruct the topography and the shape of the five vibration modes, an iterative integration method is adopted.
  • Figure 4 shows the resulting topography the shape of the overhang (29) and the shape of five vibration modes (30-34) obtained in a single scan of the invention consisting of 512 lines at a speed of one line per second.
  • the acquisition time per pixel is about 2 ms.
  • the topography data shows that the overhang (29) is folded down (from the face where there is gold to the face where there is silicon) around 22 ⁇ . This bending is a consequence of the high compressive residual stress developed during the thermal evaporation of a 50 ⁇ layer of gold.
  • the five excitation frequencies correspond to the natural modes of vibration I o , 6 o , 14 °, 17 ° and 22 °, respectively, of the cantilever.
  • a notable feature of the technique is the high frequency range, from a few kHz to 1 MHz, displayed in dynamic characterization. This range can be further increased by improving the bandwidth of the PSD reading electronics. It is important to note that although the use of high vibration modes is advantageous (in terms of sensitivity due to both the higher frequency and the quality factor) knowledge of the shape of the vibration mode is absolutely necessary for obtaining quantitative measurements .
  • Figure 5 shows quantitative measurements of the calculation of residual stress on the cantilever surface described in Figure 4 demonstrating the advantage of the present invention.
  • FIGS 5 (a) and 5 (b) show the spatial map of the longitudinal (35) and transverse (36) components of surface stress.
  • the anchor of Cantilever is located on one of the short sides (37) of the representation of the spatial maps shown.
  • the profiles of the longitudinal (38) and transverse surface stresses (39) along the longitudinal axis of the overhang are shown in Figure 6.
  • the images in Figures 5 (a) and 5 (b) are 320 in length. ⁇ and a width of 70 ⁇ . This size has been chosen to indicate the cantilever region near the overhang where there are non-uniform curvatures and to exclude the edges of the overhang where the curvature measurement is very noisy.
  • the noise of the curvature measurement is emphasized due to the inherent noise produced in the numerical derivatives.
  • deflection of the scanning laser beam has advantages for the quantification of stresses in the plane in micromechanical structures.
  • the out-of-plane displacement is measured directly, as is the case with interferometric measurements, the calculation of the curvature requires the second measurement derivative, resulting in a two-step amplification noise.
  • the beam deflection technique directly measures the slope, thereby reducing the steps of numerical bypass to one.
  • the beam deflection technique is extremely sensitive, with noise below 100 pm / Hzl / 2 that is approximately ten times less than the noise of white light interferometry systems, the standard technique for imaging static displacements outside the plane in micromechanical structures.
  • the comparison of the experimental modal form obtained by the method of characterization of micro and nano mechanical structures object of the present invention against a simulation by the finite element method has been made. For this, the characterization of the first 22 modes of a microvoladizo sensor has been carried out.
  • the natural frequencies and modal forms of the microvoils were simulated by the finite element method (FEM), using the Comsol 4.2 commercial software package.
  • FEM finite element method
  • the simulation process consisted of two sequential steps. First, the static tensions of the overhang were calculated when it is subject to a uniformly distributed temperature change. The temperature value was chosen to achieve a doubling of the overhang, due to the bimetallic effect, similar to that found experimentally by the stress generated in the gold coating. The simulation has included the effects of great deformation that emerge from the geometric nonlinearities.
  • the gold-coated face of the micro-overhangs has a high residual stress that results in a significant overhang of the overhang.
  • the effect of surface stress on the simulations has been introduced.

Abstract

Método y sistema de microscopia óptica basada en la deflexión de estructuras micro y nano mecánicas al incidir un haz láser en ellas que provee simultáneamente y de manera automáticade un mapa espacial de la deflexión estática y de la forma de diversos modos de vibración con resolución vertical en el rango de subangstrom. Comprendiendo al menos una estructura mecánica, un haz láser incidente que barre la superficie de la estructura, un detector optométrico para la captura del haz láser y unos medios de excitación en frecuencia que generan al menos dos señales sinusoidales a diferentes frecuencias en la estructura mecánica.

Description

DESCRIPCIÓN
METODO Y SISTEMA DE CARACTERIZACION DE ESTRUCTURAS NANO
MICRO MECÁNICAS
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere en primer lugar a un método de caracterización de estructuras nano y micro mecánicas y en segundo lugar al sistema para llevar a cabo el método descrito. Dicha caracterización se lleva a cabo mediante la excitación de las estructuras nano y micro mecánicas mediante un haz láser, la excitación de las estructuras con señales a diferentes frecuencias y la medición de los distintos parámetros en función del haz láser reflejado. El campo de aplicación de la presente invención es el de la caracterización de la respuesta mecánica de nano y micro estructuras.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La miniaturización de dispositivos mecánicos en la micro y nanoescala, llamados sistemas micro y nanomecánicos (MEMS y NEMS acrónimos del inglés microelectromechanical systems y nanoelectromechanical systems respectivamente) , ha permitido el desarrollo de tecnologías avanzadas de barrido de los sensores mecánicos y tiene una importante relevancia en los campos de la electrónica y la generación de energía. El potencial de estos sistemas se basa en que su desplazamiento, en la escala de los nanómetros y su vibración es muy sensible a las fuerzas externas, las fuerzas generadas en el plano de su superficie y la masa añadida sobre ellos. Estos atributos implican que los sistemas micro y nanomecánicos combinados con sensores de desplazamiento ópticos o eléctricos se pueden aplicar en la detección de la fuerza entre dos moléculas o átomos con sensibilidad en el rango de los attonewton, así como para medir una masa depositada con sensibilidad en el zeptogramo y a la vez hallar la constante elástica con resolución de kilopascales ; o para aplicaciones en la detección sin marcadores de moléculas en la superficie a través de las fuerzas generadas. También se han usado MEMS y NEMS como filtros de radiofrecuencia, acelerómetros y giróscopos de gran precisión.
En el actual estado de la técnica, son conocidos los sistemas micro y nanomecánicos basados en voladizos que tienen un extremo fijo y uno móvil. En estos sistemas, lo que se detecta es normalmente la colocación y/o el movimiento del extremo libre. También son sobradamente conocidos los sistemas basados en voladizos fijados por ambos extremos de los que se puede detectar el movimiento de la parte central del mismo.
En lo sucesivo, cuando se expongan los antecedentes generales de la invención, se hará referencia a los voladizos que tienen un sistema fijo y uno libre cuya deflexión ha de ser medida (la deflexión se refiere al desplazamiento del extremo libre del microvoladizo) en respuesta a la luz, pero los avances en este tipo de arquitecturas son aplicables también a otros diseños citados anteriormente.
Cuando los voladizos se reproducen en la microescala, típicamente con un espesor de 0.2-1 μπι, anchura de entre 100-500 μπι y longitud de 100-500 μπι; éstos pueden flexionarse del orden de unos cuantos nanómetros en respuesta a fuerzas en el rango de piconewton. Es en este rango donde confluyen las fuerzas entre átomos, moléculas y biomoléculas que rigen muchas de las propiedades fisicoquímicas de los materiales así como muchos procesos fundamentales en la vida. Las deflexiones correspondientes de los microvoladizos pueden ser detectadas óptica y eléctricamente con una resolución de al menos 100 pm/Hzl/2. En general, existen diversas técnicas para la lectura de la deflexión del voladizo, tales como la detección capacitiva, detección basada en corriente de túnel, interferometria óptica, lectura piezorresistiva asi como las llamadas técnicas de deflexión de haz óptico. Este último es el método más extendido por su simplicidad, gran sensibilidad y la capacidad de medir en aire, mezclas de gases y fluidos sin entrar en contacto con los sensores de desplazamiento o la circuiteria de lectura.
Como se ha comentado anteriormente, el procedimiento de deflexión de haz óptico es muy sensible y tiene la ventaja de que puede ser implementado fácilmente. Normalmente se emplea para la captura del haz reflejado un fotodetector segmentado que está partido en dos segmentos orientados paralelamente al eje de movimiento del voladizo. La deflexión del voladizo produce un desplazamiento del punto láser reflejado en el fotodetector. De esta manera, la diferencia en las fotocorrientes entre los dos segmentos es proporcional a la deflexión del voladizo.
Además de la deformación estática, se han medido las frecuencias de resonancias de las micro y nano estructuras para el barrido de superficies blandas en AFM y para el desarrollo de sensores que se basan en la adición de masas y la rigidez de las moléculas capturadas en la superficie de los voladizos. Normalmente se consideran los voladizos como estructuras que presentan una única frecuencia de resonancia (frecuencia de resonancia fundamental), excitándolas a las frecuencias cercanas a la frecuencia de resonancia, sin embargo las estructuras mecánicas presentan varios modos de vibración, a frecuencias más altas que la frecuencia fundamental.
Existe un interés creciente en el uso de modos de alta frecuencia para aumentar la sensibilidad y los limites de detección. Sin embargo es extremadamente complejo determinar la forma del modo a las frecuencias que corresponden a las frecuencias de resonancia, muy importante para cuantificar e interpretar las medidas. El conocimiento de la forma del modos de vibración y la medida con precisión de las frecuencias correspondientes es de gran relevancia para el diseño de MEMS y NEMS en todos sus campos de aplicación.
También existen cuestiones sobre el comportamiento dinámico de los voladizos que no han sido resueltos tales como: el efecto del estrés de superficie en las propiedades de resonancia o el acoplamiento entre modos de vibración inducido por el amortiguamiento viscoso, los elementos elásticos o por el contacto intermitente. La llegada de las simulaciones mediante elementos finitos y el aumento creciente de la velocidad de procesado por ordenador está arrojando luz sobre estas cuestiones. Sin embargo, estas simulaciones son muy costosas en tiempo e ignoran los defectos e imperfecciones inherentes a los procesos de micro y nano fabricación. Por otro lado, los parámetros libres en la simulación, como el tamaño de la cuadricula o la definición de las condiciones de contorno y condiciones de pretensado de la estructura no siempre se pueden elegir o determinar de manera realista, por lo que las simulaciones sólo pueden servir como una guia en el diseño de MEMS y NEMS pero no como una herramienta capaz de simular de manera realista el comportamiento de estas estructuras. La medida experimental de la forma de los modos de vibración y determinación de sus frecuencias es una herramienta criticamente necesaria; esta herramienta es el objeto de la invención presentada.
Recientemente la vibrometria de barrido láser de efecto Doppler [Biedermann LB et al. (2009) "Flexural vibration spectra of carbón nanotubes measured using láser Doppler vibrometry" ] (SDLV acrónimo del inglés Scanning Doppler Láser Vibrometry) y la interferometria de cambio de fase [Kelling S. et al. (2009) Simultaneous readout of múltiple microcantilever arrays with phase-shifting interferometric microscopy" ] (WLI acrónimo del inglés White Light Interferometry) han demostrado una habilidad significativa en la caracterización de los sistemas nanomecánicos . SDLV puede obtener imágenes con gran sensibilidad de la vibración, fuera del plano de estos sistemas en el rango sub-angstrom y resolución lateral submicrométrica . WLI da información de la topografía con una resolución vertical de 1-10 nm. Adicionalmente, la implementación de la iluminación estroboscópica en WLI ha permitido el análisis de modos de vibración, aunque el proceso es lento, el ancho de banda limitado y la resolución todavía insuficiente.
Así, a pesar del estado de la técnica existente se necesitan todavía técnicas que puedan dar información simultánea del comportamiento estático y dinámico de los sistemas nanomecánicos con alta sensibilidad de manera rápida y simple.
Concretamente los sistemas más utilizados actualmente para el análisis del movimiento/desplazamiento dinámico, WLI LDVP (Láser Doppler Vibrometer) no pueden obtener simultáneamente la información del movimiento del micro o nano estructura la deformación estática y el movimiento a diversas frecuencias de vibración, siendo necesario realizar más barridos, uno en cada escenario de frecuencia.
Adicionalmente aunque estas técnicas pueden ser prácticas para medir el movimiento/desplazamiento de elementos individuales, muchos usos prácticos de los sistemas de medición de elementos micro y nanomecánicos requieren el uso de matrices de gran número de elementos micromecánicos que comprendan una pluralidad de voladizos dispuestos en una formación y que funcionen en paralelo, proporcionando así mayor velocidad y multifuncionalidad. En esta invención se propone que los sistemas de deflexión por haz láser son adecuados para medir tanto el comportamiento estático como el dinámico de los elementos/voladizos, por ejemplo: la deflexión máxima, el valor medio de la deflexión, la amplitud a una frecuencia de referencia (el elemento puede ser excitado de manera externa mediante una fuerza de excitación que oscila a una frecuencia de referencia) , una fase del movimiento con respecto a una señal excitadora, una frecuencia, etc. El desplazamiento estático, la amplitud, la frecuencia, etc., medidos pueden ser relacionado con un objeto que ha de ser medido y que interactúa con el voladizo, y con las señales utilizadas para estimular el objeto y/o al voladizo.
Aunque la técnica de deflexión de haz óptico puede resolver deflexiones de hasta 0.1 nm, la implementación
de esta técnica para la lectura en matrices de microvoladizos ha resultado un tema complejo de manera que no existe ningún sistema, técnica o método que permita obtener la respuesta de varios alineamientos de sistemas micro y nano mecánicos a diferentes frecuencias simultáneamente. La presente invención provee de una técnica de microscopía óptica basada en el método de la deflexión de un haz que provee simultáneamente y de manera automática de un mapa espacial de la deflexión estática y de la forma de cinco modos de vibración con resolución vertical en el rango de subangstrom.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
En primer lugar la presente invención se refiere a un método de caracterización de estructuras nano y micro mecánicas. Para ello la presente invención hace uso de al menos una estructura mecánica que podrá ser una estructura nanomecánica o una estructura micromecánica . Dicha estructura mecánica podrá estar formada por una o más capas siendo cada una de dichas capas de materiales diferentes. Además también podrían aparecer capas de, por ejemplo, oxido sobre capas metálicas que deberán ser tenidas en cuenta a la hora de realizar el procedimiento de caracterización considerándolas como una capa más de la estructura. También se ha previsto la aplicación del citado método sobre una matriz de estructuras mecánicas compuestas por estructuras nanomecánicas , estructuras micromecánicas y una combinación de las mismas. Asi el método objeto de la presente invención comprende las siguientes fases:
- definir un sistema de coordenadas en el que los ejes X e Y se corresponden con el plano de superficie de la estructura mecánica;
excitar la estructura mecánica mediante una señal compuesta por al menos dos señales sinusoidales a diferentes frecuencias;
- barrer de forma automática mediante un haz láser el plano de superficie de la estructura mecánica;
- capturar un haz láser reflejado del plano de superficie de la estructura mecánica mediante un detector óptico u optométrico situado previamente en la trayectoria del haz reflejado obteniendo unos vectores de pendiente en el plano X y en el plano Y del plano de superficie de la estructura mecánica;
realizar un transformada rápida de Fourier de los vectores de pendiente en los planos X e Y;
- definir una máscara basada en la intensidad del haz láser reflej ado ;
- aplicar la máscara a unas componentes dinámicas de los vectores de pendiente en los planos X e Y obteniéndose un vector de datos normal al plano de superficie estático y multifrecuencia; y,
- reconstruir una topografía y una forma de los al menos dos modos de vibración mediante un método de integración iterativo en dos dimensiones del vector de datos normal.
En una realización particular de la invención, se ha previsto que las al menos dos señales sinusoidales con las que se excita la estructura mecánica tengan una frecuencia que coincide con las frecuencias de unos modos de vibración de la estructura mecánica.
En otra realización de la invención se ha previsto que el método de integración iterativo en dos dimensiones sea un método de reconstrucción de imagen en estereografía fotométrica .
En otra realización de la invención la excitación de la estructura mecánica comprende realizarse mediante un actuador piezoeléctrico situado en contacto con la estructura mecánica de manera que dicho actuador transmite la excitación a la estructura de forma directa.
En otra realización de la invención la excitación de la estructura mecánica se realiza calentando mediante un elemento calefactor las capas que forman la estructura mecánica lo que provoca la vibración de la estructura. De esta manera, la estructura mecánica se calienta y enfría a las frecuencias de elección para producir una expansión/contracción de la estructura mecánica. En este caso particular, la estructura deberá estar formada por al menos dos capas de materiales diferentes, ya que al responder de forma distinta los dos materiales a la temperatura se generan fuerzas entre las capas que provocan la excitación del conjunto de la estructura mecánica.
No obstante, las técnicas para excitar la estructura mecánica son muy variadas y sobradamente conocidas en el estado de la técnica, siendo algunos ejemplos de ellas: excitación optotérmica, excitación acústica, excitación piezoeléctrica, excitación magnética, etc.
Un segundo objeto de la presente invención es un sistema de caracterización de estructuras nano y micro mecánicas para llevar a cabo el procedimiento descrito anteriormente. Dicho sistema al menos comprende:
• al menos una estructura mecánica seleccionada entre una estructura nanomecánica, una estructura micromecánica, partes de ellas y una combinación de las mismas; • un láser para la emisión de un haz láser sobre la estructura mecánica;
• medios de guiado de la estructura mecánica en los ejes X e Y, siendo los ejes X e Y los ejes que definen el plano de superficie de la estructura mecánica;
• un detector optométrico para la captura del haz láser que se refleja sobre la estructura mecánica; y,
• un medio de excitación en frecuencia que genera al menos dos señales sinusoidales a diferentes frecuencias en la estructura mecánica.
Asi pues, el sistema objeto de la presente invención utiliza la técnica de deflexión de un haz que puede detectar simultáneamente la deflexión/deformación estática y de la forma de varios modos de vibración de una pluralidad de elementos, siendo preferentemente estos elementos: elementos micro y nanomecánicos o partes de ellos, con resolución vertical en el rango de sub-angstrom en una única medida.
En una realización preferente del sistema, la estructura mecánica es un voladizo seleccionado entre un microvoladizo y un nanovoladizo .
En otra realización de la invención, el detector optométrico es un detector de posición linear bidimensional .
En otra realización de la invención el sistema comprende amplificadores corriente-tensión que transforman las corrientes generadas en el detector de posición en: la tensión de salida en el eje X, la tensión de salida del eje Y y la tensión de la intensidad del haz reflejado.
En otra realización particular de la invención, el medio de excitación en frecuencia está seleccionado entre un actuador piezoeléctrico y medios de excitación térmicos. Nótese que los medios de excitación dependerán en cualquier caso de la técnica seleccionada, de entre las pertenecientes al estado de la técnica, para generar la excitación del sistema mecánico. En una realización más preferente, los medios de excitación térmicos son un láser modulable en frecuencia enfocado sobre una superficie de la estructura mecánica. Para llevar a cabo la excitación en frecuencia de la estructura mecánica mediante medios térmicos, la estructura mecánica deberá estar formada por al menos dos capas de distinto material.
Preferentemente, la presente invención se ha previsto para su uso con sistemas micro y nanomecánicos basados en voladizos que tienen un extremo fijo y uno móvil. No obstante, la presente invención también puede ser aplicada, de manera similar, a otros elementos mecánicos como pueden ser sistemas basados en voladizos fijados por ambos extremos de los que se puede detectar el movimiento de la parte central del mismo. Igualmente se aplica a otras estructuras micro y nanomecánicas que son susceptibles de moverse, deformarse o que son flexibles como pueden ser tambores, membranas, cavidades, rebordes, etc. También se ha previsto su uso en nanohilos de silicio, que suelen ser la extensión de los voladizos a pequeña escala o los microsistemas acústicos de ondas de superficie (SAW acrónimo del inglés surface acoustic wave) y de volumen (BAW, acrónimo del inglés bulk acoustic wave) donde se puede emplear la presente invención para la medida de la deformación del material activo, piezoeléctrico ; y en general otro tipo de micro o nano sistema donde tenga lugar un cambio en la reflectividad, la deformación, el estrés o el movimiento como puede ser un microespejo en forma de disco o prisma transparente, translúcido u opaco que presenta un cambio en la reflectividad al ser iluminado o una estructura multicapa.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Figura 1.- Muestra un ejemplo de realización del sistema de caracterización del desplazamiento del extremo de un microvoladizo, objeto de la presente invención.
Figura 2.- Las figuras 2a y 2b muestran una representación esquemática del desplazamiento del haz láser reflejado en un detector de posición linear bidimensional (PSD acrónimo del inglés photo sensitive detector) debido al cambio de la pendiente mostrada a lo largo de los ejes X e Y respectivamente del microvoladizo.
Figura 3.- Muestra una representación esquemática de un ejemplo de realización del método de caracterización para la excitación/detección multifrecuencia, objeto de la presente invención.
Figura 4.- Muestra la representación en 3 dimensiones de un ejemplo de realización del desplazamiento estático fuera del plano y la forma de cinco modos de vibración de un sensor de microvoladizos .
Figura 5.- Las figuras 5a y 5b muestran representaciones en 3 dimensiones de las componentes longitudinales (a) y transversales (b) de los estreses de superficie generados en la superficie del voladizo de la figura 4 derivado de su curvatura .
Figura 6.- Muestra los perfiles de los estreses de superficie longitudinales y transversales a lo largo del eje longitudinal del voladizo se muestran en las figuras 5a y 5b .
DESCRIPCIÓN DE VARIOS EJEMPLOS DE REALIZACIÓN DE LA
INVENCIÓN
Seguidamente se realizan, con carácter ilustrativo y no limitativo, una descripción de varios ejemplos de realización de la invención, haciendo referencia a la numeración adoptada en las figuras.
Tal y como se muestra en la figura 1, el método y sistema objeto de la presente invención se basa en el barrido automático en dos dimensiones de un haz láser muy focalizado a través de la superficie de un sistema mecánico, un ejemplo es el de un microvoladizo, y la recolección del haz reflejado en la superficie del PSD bidimensional orientado ortogonalmente al rayo reflejado.
Se muestra de manera esquemática una disposición convencional de los elementos para la medición de una deflexión de haz óptico. Una fuente (1) de luz (normalmente un láser) emite un haz de luz (2) enfocada (directamente o mediante el uso de elementos ópticos intermedios, como espejos) sobre la estructura mecánica (3), cuyo desplazamiento ha de ser medido, por ejemplo, sobre el extremo de un voladizo (3) . El extremo fijo del voladizo (3) está anclado a un actuador piezoeléctrico (7). Preferentemente la deflexión del haz reflejado (5) se mide con un PSD ortogonal (4), pero también podría emplearse un fotodetector segmentado, un fotodetector de detección continua de ubicación, una formación de fotodetectores , etc .
Así, en primer lugar se define un sistema de coordenadas donde el plano X-Y es el plano de la superficie del microvoladizo (3) e X e Y están a lo largo de las direcciones de barrido del haz (2) . Así el desplazamiento fuera del plano del voladizo (3) ocurre a lo largo del eje Z. El haz incidente (2) está en el plano X-Z y el fotodetector (4) está orientado con un eje a lo largo de la dirección Y. Con esta configuración, las fotocorrientes a lo largo de los ejes del fotodetector (4) (determinadas por las coordenadas de haz láser reflejado (5) en el fotodetector (4)) son linealmente proporcionales a la pendiente del voladizo (3) a lo largo de las direcciones X e Y en el punto de reflexión (6) . A su vez, para la realización del barrido del haz (2) sobre la superficie del voladizo (3) se ha previsto que el actuador piezoeléctrico (7) este fijado a un primer microposicionador (8) que se desplaza en el plano XZ y que a su vez se desplaza sobre un segundo microposicionador (9) que se desplaza en el plano YZ .
La figura 2a muestra la deflexión del microvoladizo (3) con su consiguiente desplazamiento en el plano X-Z (14) al incidir el haz láser (2) . En el fotodetector (4) se observa el desplazamiento del haz reflejado (5) en el eje Z debido a la deflexión del microvoladizo (3), ya que inicialmente dicho microvoladizo (3) se encuentra en el plano X-Y (10) incidiendo el haz reflejado (5) en un primer punto (11) del fotodetector (4) . Posteriormente, debido a la incidencia del haz (2) en el punto de reflexión (15), el voladizo (3) sale del plano X-Y desplazándose el haz reflejado (5) en el eje Z hasta un segundo punto (12) del fotodetector (4) . Asi se pueden medir fácilmente los desplazamientos (13) del haz reflejado (5) debidos a la deflexión del microvoladizo (4) . La figura 2b muestra otro ejemplo de realización en el que la deflexión del microvoladizo (4) genera un desplazamiento (13) del haz reflejado (5) en el fotodetector en el eje Y.
En la figura 3 se muestra un ejemplo de realización del método y sistema descrito en la presente invención. Para obtener datos reales del comportamiento dinámico de un voladizo (15), dicho voladizo (15) es excitado por una señal (16) compuesta de la suma de cinco señales sinusoidales dependientes del tiempo a diferentes frecuencias (W1-W5) . Estas señales se eligen de manera que sus frecuencias coincidan con las frecuencias de los modos de vibración y la amplitud de cada componente de las frecuencias se sintoniza para obtener respuestas similares de la amplitud en el voladizo (15) . La señal (16) se aplica a través de un bimorfo (estructura formada por dos capas de dos materiales activos) piezoeléctrico (17) situado cerca de la base del voladizo (15) . El método puede ser extendido a más frecuencias pero se han elegido cinco frecuencias para limitar la cantidad de datos generados.
Una vez el haz incidente (18) se proyecta sobre el microvoladizo (15) y el haz reflejado (19) es capturado digitalmente por un amplificador sintonizado integrado en el fotodetector (20), los datos brutos de las señales de las pendientes del fotodetector (20) son multiplexadas en amplitudes estáticas y en cuadratura respecto de cada componente de la frecuencia de la señal de excitación (16) . De esta manera, para cinco frecuencias (W1-W5) en un único escaneado se obtienen 23 imágenes (21) : las pendientes estáticas X e Y; y la reflectividad; y las amplitudes en fase y en cuadratura de las pendientes X e Y a las cinco frecuencias de excitación ( wi-w5 ) .
Tras el barrido del haz (18) sobre el voladizo (15), el sistema define una máscara (22) basada en la componente continua (23) de la intensidad del haz de luz reflejado
(19) que da la forma del voladizo (15) . Esta máscara (22) se aplica a las componentes dinámicas de las pendientes X
(24) e Y (25) para obtener el vector normal a la superficie del voladizo (15) estático y multifrecuencia . Para la reconstrucción de la topografía (27) y la forma de los cinco modos de vibración excitados (28), se adopta un método de integración en 2 dimensiones (26) utilizado para la reconstrucción de la imagen en estereografía fotométrica para calcular la altura a través del vector normal de datos .
A continuación se describen ejemplos de realización en los que se han realizado experimentos sobre microvoladizos comerciales para la obtención de sus frecuencias de resonancia, formas modales y estrés de superficie. Para demostrar que la técnica produce resultados correctos se han realizado simulaciones de elementos finitos como comprobación del concepto y de la capacidad del método, así como del sistema objetos todos ellos de la presente invención .
Asi, en un ejemplo de realización particular se aplica una técnica para la determinación de la distribución espacial del estrés de superficie y la forma modal (forma física que tiene la estructura a la frecuencia de resonancia normalizada) de los primeros 22 modos naturales de vibración de un sensor comercial con ocho voladizos (marca Concentris®) que ha sido recubierto con una fina lámina de oro. Las dimensiones de los voladizos son 500 μπι de longitud, 100 μπι de anchura y 1 μπι de espesor.
Las fotocorrientes son convertidas en tensiones eléctricas a través de amplificadores corriente-tensión integrados en el fotodetector para obtener tres tensiones de salida que dan las pendientes X e Y de la superficie y la intensidad del haz láser reflejado. Como las fotocorrientes se normalizan respecto a la fotocorriente total, los valores de las pendientes no son sensibles a las fluctuaciones de intensidad y las variaciones de las propiedades ópticas de la superficie. En los experimentos, se ha orientado el voladizo a lo largo de la dirección X, de manera que las variaciones en los canales de las pendientes X e Y pueden relacionarse con el movimiento flexural y torsional del voladizo .
La señal de excitación del sensor empleada consiste en la suma de cinco señales a diferentes frecuencias. Las frecuencias se eligen para coincidir con las frecuencias de resonancias de modos de vibración diferentes. Una transformada rápida de Fourier de los canales del PSD correspondientes a la pendiente en X y a la pendiente en Y de la muestra revela los desplazamientos estáticos y multimodales fuera del plano. La intensidad del canal del PSD se usa como máscara para obtener la forma del voladizo. Para reconstruir la topografía y la forma de los cinco modos de vibración, se adopta un método de integración iterativo .
La figura 4 muestra la topografía resultante la forma del voladizo (29) y la forma de cinco modos de vibración (30- 34) obtenidos en un único barrido de la invención consistente en 512 líneas a una velocidad de una línea por segundo. El tiempo de adquisición por pixel es de alrededor de 2 ms . Los datos de topografía muestra que el voladizo (29) esta doblado hacia abajo (de la cara donde hay oro a la cara donde hay silicio) alrededor de 22 μπι. Este doblamiento es consecuencia del alto estrés residual compresivo desarrollado durante la evaporación térmica de una capa de 50 μπι de oro. Las cinco frecuencias de excitación, 4.58 kHz, 158.2 kHz, 594.6 kHz, 825.1 kHz y 1031 kHz, corresponden con los modos naturales de vibración Io, 6o, 14°, 17° y 22°, respectivamente, del voladizo. Una característica notable de la técnica es el alto margen de frecuencias, desde pocos kHz hasta 1 MHz, exhibidos en la caracterización dinámica. Este rango puede ser aumentado todavía más mejorando el ancho de banda de la electrónica de lectura del PSD. Es importante destacar que aunque el uso de altos modos de vibración es ventajoso (en términos de sensibilidad debidos tanto a la frecuencia más alta y el factor de calidad) el conocimiento de la forma del modo de vibración es absolutamente necesario para la obtención de medidas cuantitativas.
La figura 5 muestra medidas cuantitativas del cálculo del estrés residual en superficie del voladizo descrito en la figura 4 que demuestran lo ventajoso de la presente invención .
Se ha derivado la distribución espacial en dos dimensiones del estrés de superficie calculando la curvatura local y aplicando la relación de Euler-Bernoulli entre el par de torsión y la curvatura. Las Figuras 5(a) y 5(b) muestran el mapa espacial de las componentes longitudinales (35) y transversales (36) del estrés de superficie. El anclaje del voladizo se encuentra en uno de los lados cortos (37) de la representación de los mapas espaciales mostrados. Los perfiles de los estreses de superficie longitudinales (38) y transversales (39) a lo largo del eje longitudinal del voladizo se muestran en la figura 6. Las imágenes de las figuras 5(a) y 5(b) tienen una longitud de 320 μπι y una anchura de 70 μπι. Este tamaño se ha escogido para señalar la región de voladizo cercana al voladizo donde existen curvaturas no uniformes y para excluir los bordes del voladizo donde la medida de curvatura es muy ruidosa.
Los resultados demuestran claramente que el estrés de superficie ni es uniforme ni isotrópico a través del voladizo. El valor absoluto del estrés de superficie longitudinal es máximo cerca del anclaje y decae hasta un valor constate a una distancia del anclaje de alrededor del doble de la anchura del voladizo.
Se hace hincapié en el ruido de la medida de curvatura debido al ruido inherente producido en las derivadas numéricas. En este contexto, la deflexión del haz láser de barrido presenta ventajas para la cuantificación de los estreses en el plano en estructuras micromecánicas . Sin embargo, cuando el desplazamiento fuera del plano se mide directamente, como es el caso de las medidas interferométricas , el cálculo de la curvatura requiere de la derivada segunda de medida, dando lugar a un ruido de amplificación de dos pasos. De forma más ventajosa, la técnica de deflexión de haz mide directamente la pendiente, por lo que reduce los pasos de derivación numérica a uno. Lo que es más, la técnica de deflexión de haz es extremadamente sensible, con ruido por debajo de 100 pm/Hzl/2 que es aproximadamente diez veces menor que el ruido de los sistemas de interferometria de luz blanca, la técnica estándar para hacer imágenes desplazamientos estáticos fuera del plano en estructuras micromecánicas. En otro ejemplo de realización de la invención, se ha realizado la comparación de la forma modal experimental obtenida mediante el método de caracterización de estructuras micro y nano mecánicas objeto de la presente invención frente a una simulación mediante el método de elementos finitos. Para ello se ha realizado la caracterización de los primeros 22 modos de un sensor microvoladizo .
Las frecuencias naturales y formas modales de los microvoladizos se simularon mediante el método de elementos finitos (FEM, acrónimo del inglés finite element modelling) usando el paquete de software comercial Comsol 4.2. Se simuló un microvoladizo recubierto de oro de longitud 500 μπι, anchura 100 μπι, y espesor del sustrato y del recubrimiento 950 nm y 50 nm respectivamente (dimensiones nominales de los microvoladizos usadas en los experimentos) .
El proceso de simulación consistió en dos pasos secuenciales . Primero, se calculó las tensiones estáticas del voladizo cuando éste es sujeto a un cambio de temperatura uniformemente distribuido. El valor de temperatura se eligió para conseguir un doblamiento del voladizo, debido al efecto bimetálico, similar al encontrado experimentalmente por el estrés generado en el recubrimiento con oro. La simulación ha incluido los efectos de gran deformación que salen de las no linealidades geométricas.
Asi, el tensor de tensión de Green y el segundo tensor de estrés de Piola Kirchnoff se usan y la solución se consigue usando una formulación total Lagrangiana. En el segundo paso de la simulación, se obtuvieron las frecuencias propias incluyendo la deformación estática del voladizo obtenida previamente en el primer paso de la simulación. Un estudio de convergencia se realizó afinando los elementos de la malla hasta que el error relativo en la frecuencia natural del voladizo estuviera por debajo de 1CT4. Esto corresponde con una malla de 500000 elementos aproximadamente .
Como se indicó en el ejemplo de realización anterior, la cara recubierta de oro de los microvoladizos presenta un gran estrés residual que da lugar a un doblamiento del voladizo significativo. Para poder comparar los experimentos con rigurosas simulaciones FEM, se ha introducido el efecto del estrés superficial en las simulaciones. Éstas muestran que aunque el estrés de superficie apenas modifica la vibración del modo de vibración en nuestras condiciones, si induce un cambio significativo de la frecuencia de los modos de vibración, dependiendo dicho cambio del tipo de modo (flexural, torsional y en forma de U) . Asi, para se ha obtenido una desviación de la frecuencia teórica a la obtenida mediante la simulación menor del 5% para los seis primeros modos de vibración, aumentando hasta un 10% para los modos de vibración con forma de U.
Estos resultados muestran la habilidad de la presente técnica para obtener rápidamente la forma multimodal de la vibración de los sistemas micro y nanomecánicos y la capacidad de unir este comportamiento dinámico con el campo estrés/tensión del sistema mecánico.

Claims

RE IVI DICACIONES
1.- Método de caracterización de estructuras nano y micro mecánicas, que comprende al menos una estructura mecánica seleccionada entre una estructura nanomecánica y una estructura micromecánica, estando formada la estructura mecánica por al menos una capa donde cada capa es de un material distinto, caracterizado porque comprende las siguientes fases:
- definir un sistema de coordenadas en el que los ejes X e Y se corresponden con el plano de superficie de la estructura mecánica;
excitar la estructura mecánica mediante una señal compuesta por al menos dos señales sinusoidales a diferentes frecuencias;
- barrer de forma automática mediante un haz láser el plano de superficie de la estructura mecánica;
- capturar un haz láser reflejado del plano de superficie de la estructura mecánica mediante un detector óptico /optométrico situado previamente en la trayectoria del haz reflejado obteniendo unos vectores de pendiente en el plano X y en el plano Y del plano de superficie de la estructura mecánica;
realizar un transformada rápida de Fourier de los vectores de pendiente en los planos X e Y;
- definir una máscara basada en la intensidad del haz láser reflej ado ;
- aplicar la máscara a unas componentes dinámicas de los vectores de pendiente en los planos X e Y obteniéndose un vector de datos normal al plano de superficie estático y multifrecuencia; y,
- reconstruir una topografía y una forma de los al menos dos modos de vibración mediante un método de integración iterativo en dos dimensiones del vector de datos normal.
2.- Método de caracterización de estructuras nano y micro mecánicas, según la reivindicación 1, caracterizado porque las al menos dos señales sinusoidales tienen una frecuencia que coincide con las frecuencias de unos modos de vibración de la estructura mecánica.
3. - Método de caracterización de estructuras nano y micro mecánicas, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el método de integración iterativo en dos dimensiones es un método de reconstrucción de imagen en estereografía fotométrica.
4. - Método de caracterización de estructuras nano y micro mecánicas, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la excitación de la estructura mecánica comprende realizarse mediante un actuador piezoeléctrico situado en contacto con la estructura mecánica transmitiéndole la excitación de forma directa .
5. - Método de caracterización de estructuras nano y micro mecánicas, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la excitación de la estructura mecánica se realiza calentando mediante un elemento calefactor la al menos una capa que forma la estructura mecánica .
6. - Sistema de caracterización de estructuras nano y micro mecánicas, para llevar a cabo el procedimiento descrito en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende:
• al menos una estructura mecánica seleccionada entre una estructura nanomecánica, una estructura micromecánica y partes de ellas;
• un láser para la emisión de un haz láser sobre la estructura mecánica;
• medios de guiado de la estructura mecánica en los ejes X e Y, siendo los ejes X e Y los ejes que definen el plano de superficie de la estructura mecánica;
• un detector optométrico para la captura del haz láser que se refleja sobre la estructura mecánica; y, • un medio de excitación en frecuencia que genera al menos dos señales sinusoidales a diferentes frecuencias en la estructura mecánica.
7. - Sistema de caracterización de estructuras nano y micro mecánicas, según la reivindicación 6, caracterizado porque la estructura mecánica es un voladizo seleccionado entre en un microvoladizo y un nanovoladizo .
8. - Sistema de caracterización de estructuras nano y micro mecánicas, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el detector optométrico es un detector de posición linear bidimensional .
9. - Sistema de caracterización de estructuras nano y micro mecánicas, según la reivindicación 8, caracterizado porque comprende amplificadores corriente-tensión que transforman las corrientes generadas en el detector de posición en: la tensión de salida en el eje X, la tensión de salida del eje Y y la tensión de la intensidad del haz reflejado.
10. - Sistema de caracterización de estructuras nano y micro mecánicas, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el medio de excitación en frecuencia está seleccionado entre un actuador piezoeléctrico y medios de excitación térmicos.
11. - Sistema de caracterización de estructuras nano y micro mecánicas, según la reivindicación 10, caracterizado porque los medios de excitación térmicos son un láser modulable en frecuencia enfocado sobre una superficie de la estructura mecánica .
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112372036A (zh) * 2020-10-30 2021-02-19 东北林业大学 一种亚波长闪耀光栅结构的加工方法

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201212701D0 (en) * 2012-07-17 2012-08-29 Silixa Ltd Structure monitoring
CN105712314B (zh) * 2014-12-05 2017-12-01 清华大学 碳纳米管阵列的制备方法和碳纳米管膜的制备方法
DE102015006697B4 (de) * 2015-05-21 2018-08-02 Universität Stuttgart Optisches Verfahren und Anordnung zur Eigenspannungsmessung, insbesondere an beschichteten Objekten
CN109687757B (zh) * 2019-01-30 2020-04-17 宁波大学 六自由度大行程无耦合大中空串并联压电微动平台

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5929440A (en) * 1996-10-25 1999-07-27 Hypres, Inc. Electromagnetic radiation detector
US6169281B1 (en) * 1998-07-29 2001-01-02 International Business Machines Corporation Apparatus and method for determining side wall profiles using a scanning probe microscope having a probe dithered in lateral directions
US6884981B2 (en) * 2001-08-23 2005-04-26 Asylum Research Corp. Diffractive optical position detector
US7119645B2 (en) * 2003-02-25 2006-10-10 The University Of North Carolina Methods and systems for controlling motion of and tracking a mechanically unattached probe
EP1575058A1 (en) * 2004-03-08 2005-09-14 Consejo Superior De Investigaciones Cientificas System and method for detecting the displacement of a plurality of micro- and nanomechanical elements, such as micro-cantilevers
US20060075803A1 (en) * 2004-07-09 2006-04-13 Danmarks Tekniske Universitet Polymer-based cantilever array with optical readout
US20110138506A1 (en) * 2008-06-06 2011-06-09 Infinitesima Ltd Method of probe alignment
US9297827B2 (en) * 2008-06-16 2016-03-29 Roger B. Proksch Quantitative measurements using multiple frequency atomic force microscopy
US20110041224A1 (en) * 2009-08-06 2011-02-17 Purdue Research Foundation Atomic force microscope including accelerometer
US8448261B2 (en) * 2010-03-17 2013-05-21 University Of Tennessee Research Foundation Mode synthesizing atomic force microscopy and mode-synthesizing sensing

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BIEDERMANN LB ET AL., FLEXURAL VIBRATION SPECTRA OF CARBON NANOTUBES MEASURED USING LASER DOPPLER VIBROMETRY, 2009
BURDESS, JS ET AL.: "A System for the Dynamic Characterization of Microstructures.", JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, vol. 6, no. 4, 12 January 1997 (1997-01-12), pages 322 - 328, XP000779958 *
KELLING S. ET AL., SIMULTANEOUS READOUT OF MULTIPLE MICROCANTILEVER ARRAYS WITH PHASE-SHIFTING INTERFEROMETRIC MICROSCOPY, 2009
KOSAKA P ET AL.: "Simultaneous imaging of the topography and dynamic properties of nanomechanical systems by optical beam deflection microscopy.", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 109, no. 6, 24 March 2011 (2011-03-24), pages 64315 A 64315 - 5, XP012147833 *
MURALI KRISHNA GHATKESAR ET AL.: "Higher modes of vibration increase mass sensitivity in nanomechanical microcantilevers.", NANOTECHNOLOGY, vol. 18, no. 44, 11 July 2007 (2007-07-11), pages 445502, XP020129430 *
RAMOS D ET AL.: "Photothermal excitation of microcantilevers in liquids.", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 99, no. 12, 21 June 2006 (2006-06-21), pages 124904 - 124904-8, XP012083555 *
See also references of EP2860154A4
SI, D. ET AL.: "Research of Auto-Tracking System based on PSD1.", COMPUTER SCIENCE APPLICATIONS AND EDUCATION, vol. 1, no. 2, October 2011 (2011-10-01), XP055179885, Retrieved from the Internet <URL:http://isctae.org/paper-isctae/English/vln2/2q201203.pdf> [retrieved on 20131024] *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112372036A (zh) * 2020-10-30 2021-02-19 东北林业大学 一种亚波长闪耀光栅结构的加工方法

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