Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning

Diese Arbeit umfaßt das elektromechanische Design und die Designoptimierung von weit durchstimmbaren optischen multimembranbasierten Bauelementen, mit vertikal orientierten Kavitäten, basierend auf der Finiten Element Methode (FEM). Ein multimembran InP/Luft Fabry-Pérot optischer Filter wird dargestellt und umfassend analysiert. In dieser Arbeit wird ein systematisches strukturelles Designverfahren dargestellt. Genaue analytische elektromechanischer Modelle für die Bauelemente sind abgeleitet worden. Diese können unschätzbare Werkzeuge sein, um am Anfang der Designphase schnell einen klaren Einblick zur Verfügung zu stellen. Mittels des FEM Programms ist der durch die nicht-lineare Verspannung hervorgerufene versteifende Effekt nachgeforscht und sein Effekt auf die Verlängerung der mechanischen Durchstimmungsstrecke der Bauelemente demonstriert worden. Interessant war auch die Beobachtung, dass die normierte Relation zwischen Ablenkung und Spannung ein unveränderliches Profil hat. Die Deformation der Membranflächen der in dieser Arbeit dargestellten Bauelementformen erwies sich als ein unerwünschter, jedoch manchmal unvermeidbarer Effekt. Es zeigt sich aber, dass die Wahl der Größe der strukturellen Dimensionen den Grad der Membrandeformation im Falle der Aktuation beeinflusst. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches in FEMLAB implementierte quasi-3D Modell, das allgemein für die Modellierung dünner Strukturen angewendet werden kann, dar; und zwar indem man diese als 2D-Objekte betrachtet und die dritte Dimension als eine konstante Größe (z.B. die Schichtdicke) oder eine Größe, welche eine mathematische Funktion ist, annimmt. Diese Annahme verringert drastisch die Berechnungszeit sowie den erforderlichen Arbeitsspeicherbedarf. Weiter ist es für die Nachforschung des Effekts der Skalierung der durchstimmbaren Bauelemente verwendet worden. Eine neuartige Skalierungstechnik wurde abgeleitet und verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass das daraus resultierende, skalierte Bauelement fast genau die gleiche mechanische Durchstimmung wie das unskalierte zeigt. Die Einbeziehung des Einflusses von axialen Verspannungen und Gradientenverspannungen in die Berechnungen erforderte die Änderung der Standardimplementierung des 3D Mechanikberechnungsmodus, der mit der benutzten FEM Software geliefert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen großen Einfluss der Verspannung auf die Durchstimmungseigenschaften der untersuchten Bauelemente. Ferner stimmten die Ergebnisse der theoretischen Modellrechnung mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein.

GaInAsP-basierende Resonatorstrukturen

Physikalische Grundlagenforschung und anwendungsorientierte physikalische Forschung auf den Gebieten nanoskaliger kristalliner und amorpher fester Körper haben in vielfacher Weise eine große Bedeutung. Neben dem Verständnis für die Struktur der Materie und die Wechselwirkung von Objekten von der Größe einiger Atome ist die Erkenntnis über die physikalischen Eigenschaften nanostrukturierter Systeme von hohem Interesse. Diese Forschung eröffnet die Möglichkeit, die mit der Mikroelektronik begonnene Miniaturisierung fortzusetzen und wird darüber hinaus neue Anwendungsfelder eröffnen. Das Erarbeiten der physikalischen Grundlagen der Methoden zur Herstellung und Strukturierung ist dabei zwingend notwendig, da hier Wirkungsprinzipien dominieren, die erst bei Strukturgrößen im Nanometerbereich auftreten oder hinreichend stark ausgeprägt sind. Insbesondere Halbleitermaterialien sind hier von großem Interesse. Die in dieser Arbeit untersuchten Resonatorstrukturen, die auf dem kristallinen Verbindungshalbleitermaterial GaInAsP/InP basieren, erschließen wichtige Anwendungsfelder im Bereich der optischen Datenübertragung sowie der optischen Sensorik. Hergestellt wird das Halbleitermaterial mit der Metallorganischen Gasphasenepitaxie. Die experimentell besimmten Kenngrößen lassen Rückschlüsse auf die Güte der Materialien, die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien und die Bauelementcharakteristik zu und führen zu optimal angepassten Kristallstrukturen. Auf Basis dieser optimierten Materialien wurde ein durchstimmbarer Fabry-Perot-Filter hergestellt, der aus einer Kombination aus InP-Membranen und Luftspalten besteht und elektromechanisch aktuiert werden kann. Das GaInAsP dient hierbei als wenige hundert nm dicke Opferschicht, die ätztechnisch hochselektiv beseitigt wird. Die Qualität der Grenzflächen zum InP ist entscheidend für die Qualität der freigeätzten Kavitäten und damit für die mechanische Gesamtstabilität der Struktur. Der in dieser Arbeit beschriebene Filter hat eine Zentralwellenlänge im Bereich von 1550 nm und weist einen Durchstimmbereich von 221 nm auf. Erzielt wurde dieser Wert durch ein konsistentes Modell der wirkenden Verspannungskomponenten und einer optimierten epitaktischen Kontrolle der Verspannungsparameter. Das realisierte Filterbauelement ist vielversprechend für den Einsatz in der optischen Kommunikation im Bereich von WDM (wavelength division multiplexing) Anwendungen. Als weitere Resonatorstrukur wurde ein Asymmetrisch gekoppelter Quantenfilm als optisch aktives Medium, bestehend aus GaInAsP mit variierender Materialkomposition und Verspannung, untersucht, um sein Potential für eine breitbandige Emission zu untersuchen und mit bekannten Modellen zu vergleichen. Als Bauelementdesign wurde eine kantenemittierende Superlumineszenzleuchtdiode gewählt. Das Ergebnis ist eine Emissionskurve von 100 nm, die eine höhere Unabhängigkeit vom Injektionsstrom aufweist als andere bekannte Konzepte. Die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien - im wesentlichen die Kopplung der beiden asymmetrischen Potentialtöpfe und die damit verbundene Kopplung der Wellenfunktionen - werden qualitativ diskutiert. Insgesamt bestätigt sich die Eignung des Materials GaInAsP auch für neuartige, qualitativ höchst anspruchsvolle Resonatorstrukturen und die Bedeutung der vorgestellten und untersuchten Resonatorkonzepte. Die vorgestellten Methoden, Materialien und Bauelemente liefern aufgrund ihrer Konzeption und der eingehenden experimentellen Untersuchungen einen Beitrag sowohl zu den zugrunde liegenden mechanischen, optoelektronischen und quantenmechanischen Wirkungsprinzipien der Strukturen, als auch zur Realisierung neuer optoelektronischer Bauelemente.

Mikromechanisch durchstimmbare, dielektrische Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich: Konzept, Herstellung und Charakterisierung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Herstellung und Charakterisierung mikromechanisch durchstimmbarer, dielektrischer Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich bei einer Zentralwellenlänge von λc = 950 nm. Diese Bauelemente wurden auf Basis kostengünstiger Technologien realisiert, dank deren Entwicklung extreme Miniaturisierung und gleichzeitig hohe spektrale Anforderungen möglich sind. Der Vorteil solcher Filter liegt darin, dass sie direkt in einen Photodetektor integriert werden können und mit ganz wenigen Komponenten zu einem kompakten Spektrometermodul zusammengesetzt werden können. Die Baugröße ist nur durch die Größe des Photodetektors limitiert und die gesamte Intensität des einfallenden Lichts kann vorteilhaft auf eine einzelne Filtermembran des Fabry-Pérot-Filters fokussiert werden. Für den Filteraufbau werden zwei hochreflektierende, dielektrische DBR-Spiegel, ein organisches Opferschichtmaterial, welches zur Erzeugung einer Luftkavität im Filter dient, und zwei unterschiedliche Elektroden aus ITO und Aluminium verwendet. Die mikromechanische Auslenkung der freigelegten Filtermembran geschieht mittels elektrostatischer Aktuation, wobei auf diese Weise die Kavitätshöhe des Fabry-Pérot-Filters geändert wird und somit dieser im erforderlichen Spektralbereich optisch durchgestimmt wird. Das in dieser Arbeit gewählte Filterkonzept stellt eine Weiterentwicklung eines bereits bestehenden Filterkonzepts für den sichtbaren Spektralbereich dar. Zum Einen wurden in dieser Arbeit das vertikale und das laterale Design der Filterstrukturen geändert. Eine entscheidende Änderung lag im mikromechanisch beweglichen Teil des Fabry-Pérot-Filters. Dieser schließt den oberen DBR-Spiegel und ein aus dielektrischen Schichten und der oberen Aluminium-Elektrode bestehendes Membranhaltesystem ein, welches später durch Entfernung der Opferschicht freigelegt wird. Die Fläche des DBR-Spiegels wurde auf die Fläche der Filtermembran reduziert und auf dem Membranhaltesystem positioniert. Zum Anderen wurde im Rahmen dieser Arbeit der vertikale Schichtaufbau des Membranhaltesystems variiert und der Einfluss der gewählten Materialien auf die Krümmung der freistehenden Filterstrukturen, auf das Aktuationsverhalten und auf die spektralen Eigenschaften des gesamten Filters untersucht. Der Einfluss der mechanischen Eigenschaften dieser Materialien spielt nämlich eine bedeutende Rolle bei der Erhaltung der erforderlichen optischen Eigenschaften des gesamten Filters. Bevor Fabry-Pérot-Filter ausgeführt wurden, wurde die mechanische Spannung in den einzelnen Materialien des Membranhaltesystems bestimmt. Für die Messung wurde Substratkrümmungsmethode angewendet. Es wurde gezeigt, dass die Plasmaanregungsfrequenzen der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung bei einer Prozesstemperatur von 120 °C die mechanische Spannung von Si3N4 enorm beeinflussen. Diese Ergebnisse wurden im Membranhaltesystem umgesetzt, wobei verschiedene Filter mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften des Membranhaltesystems gezeigt wurden. Darüber hinaus wurden optische Eigenschaften der Filter unter dem Einfluss des lateralen Designs der Filterstrukturen untersucht. Bei den realisierten Filtern wurden ein optischer Durchstimmbereich von ca. 70 nm und eine spektrale Auflösung von 5 nm erreicht. Die erreichte Intensität der Transmissionslinie liegt bei 45-60%. Diese Parameter haben für den späteren spektroskopischen Einsatz der realisierten Fabry-Pérot-Filter eine hohe Bedeutung. Die Anwendung soll erstmalig in einem „Proof of Concept“ stattfinden, wobei damit die Oberflächentemperatur eines GaAs-Wafers über die Messung der spektralen Lage seiner Bandlücke bestimmt werden kann.

Optimization of the Mechanical and Optical Properties of Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) for a Nanospectrometer in the Visible and Near Infrared Spectral Range

Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) based on Fabry-Pérot (FP) filters, for high quality spectroscopic applications in the visible and near infrared spectral range are investigated within this work. The optical performance of the FP filters is improved by using ion beam sputtered niobium pentoxide (Nb2O5) and silicon dioxide (SiO2) Distributed Bragg Reflectors (DBRs) as mirrors. Due to their high refractive index contrast, only a few alternating pairs of Nb2O5 and SiO2 films can achieve DBRs with high reflectivity in a wide spectral range, while ion beam sputter deposition (IBSD) is utilized due to its ability to produce films with high optical purity. However, IBSD films are highly stressed; resulting in stress induced mirror curvature and suspension bending in the free standing filter suspensions of the MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) FP filters. Stress induced mirror curvature results in filter transmission line degradation, while suspension bending results in high required filter tuning voltages. Moreover, stress induced suspension bending results in higher order mode filter operation which in turn degrades the optical resolution of the filter. Therefore, the deposition process is optimized to achieve both near zero absorption and low residual stress. High energy ion bombardment during film deposition is utilized to reduce the film density, and hence the film compressive stress. Utilizing this technique, the compressive stress of Nb2O5 is reduced by ~43%, while that for SiO2 is reduced by ~40%. Filters fabricated with stress reduced films show curvatures as low as 100 nm for 70 μm mirrors. To reduce the stress induced bending in the free standing filter suspensions, a stress optimized multi-layer suspension design is presented; with a tensile stressed metal sandwiched between two compressively stressed films. The stress in Physical Vapor Deposited (PVD) metals is therefore characterized for use as filter top-electrode and stress compensating layer. Surface micromachining is used to fabricate tunable FP filters in the visible spectral range using the above mentioned design. The upward bending of the suspensions is reduced from several micrometers to less than 100 nm and 250 nm for two different suspension layer combinations. Mechanical tuning of up to 188 nm is obtained by applying 40 V of actuation voltage. Alternatively, a filter line with transmission of 65.5%, Full Width at Half Maximum (FWHM) of 10.5 nm and a stopband of 170 nm (at an output wavelength of 594 nm) is achieved. Numerical model simulations are also performed to study the validity of the stress optimized suspension design for the near infrared spectral range, wherein membrane displacement and suspension deformation due to material residual stress is studied. Two bandpass filter designs based on quarter-wave and non-quarter-wave layers are presented as integral components of the TOSA. With a filter passband of 135 nm and a broad stopband of over 650 nm, high average filter transmission of 88% is achieved inside the passband, while maximum filter transmission of less than 1.6% outside the passband is achieved.

Optimization in the Technological Steps for the Fabrication of Large Area Micromirror Arrays

Micromirror arrays are a very strong candidate for future energy saving applications. Within this work, the fabrication process for these micromirror arrays has been optimized and some steps for the large area fabrication of micromirror modules were performed. At first the surface roughness of the insulation layer of silicon dioxide (SiO2) was investigated. This SiO2 thin layer was deposited on three different type of substrates i.e. silicon, glass and Polyethylene Naphthalate (PEN) substrates. The deposition techniques which has been used are Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), Physical Vapor Deposition (PVD) and Ion Beam Sputter Deposition (IBSD). The thickness of the SiO2 thin layer was kept constant at 150nm for each deposition process. The surface roughness was measured by Stylus Profilometry and Atomic Force Microscopy (AFM). It was found that the layer which was deposited by IBSD has got the minimum surface roughness value and the layer which was deposited by PECVD process has the highest surface roughness value. During the same investigation, the substrate temperature of PECVD was varied from 80° C to 300° C with the step size of 40° C and it was found that the surface roughness keeps on increasing as the substrate holder temperature increases in the PECVD process. A new insulation layer system was proposed to minimize the dielectric breakdown effect in insulation layer for micromirror arrays. The conventional bilayer system was replaced by five layer system but the total thickness of insulation layer remains the same. It was found that during the actuation of micromirror arrays structure, the dielectric breakdown effect was reduced considerably as compared to the bilayer system. In the second step the fabrication process of the micromirror arrays was successfully adapted and transferred from glass substrates to the flexible PEN substrates by optimizing the conventional process recipe. In the last section, a large module of micromirror arrays was fabricated by electrically interconnecting four 10cm×10cm micromirror modules on a glass pane having dimensions of 21cm×21cm.

A Two-level Prediction Model for Deep Reactive Ion Etch (DRIE)

We contribute a quantitative and systematic model to capture etch non-uniformity in deep reactive ion etch of microelectromechanical systems (MEMS) devices. Deep reactive ion etch is commonly used in MEMS fabrication where high-aspect ratio features are to be produced in silicon. It is typical for many supposedly identical devices, perhaps of diameter 10 mm, to be etched simultaneously into one silicon wafer of diameter 150 mm. Etch non-uniformity depends on uneven distributions of ion and neutral species at the wafer level, and on local consumption of those species at the device, or die, level. An ion–neutral synergism model is constructed from data obtained from etching several layouts of differing pattern opening densities. Such a model is used to predict wafer-level variation with an r.m.s. error below 3%. This model is combined with a die-level model, which we have reported previously, on a MEMS layout. The two-level model is shown to enable prediction of both within-die and wafer-scale etch rate variation for arbitrary wafer loadings.

Scanning LDV for vibration measurement of filiform hairs in crickets in response to induced airflow - art. no. 63450E

Cercal hairs represent in cricket a wind sensitive escape system, able to detect the airflow generated from predating species. These sensors have been studied as a biomimetic concept to allow the development of MEMS for biomedical use. In particular, the behaviour of the hairs, including airflow response, resonant frequency and damping, has been investigated up to a frequency of 20 kHz. The microscopic nature of the hairs, the complex vibrations of excited hairs and the high damping of the system suggested that the use of Laser Doppler vibrometry could possibly improve the test performance. Two types of tests were performed: in the first case the hairs were indirectly excited using the signal obtained from a vibrating aluminium plate, whilst in the second case the hairs were directly excited using a white noise chirp. The results from the first experiment indicated that the hairs move in-phase with the exciting signal up to frequencies in the order of 10 kHz, responding to the vibration modes of the plate with a signal attenuation of 12 to 20 dB. The chirp experiment revealed the presence of rotational resonant modes at 6850 and 11300 Hz. No clear effect of hair length was perceivable on the vibration response of the filiform sensors. The obtained results proved promising to support the mechanical and vibration characterisation of the hairs and suggest that scanning Laser vibrometry can be used extensively on highly dampened biological materials.

Comparison of low-power wireless communication technologies for wearable health-monitoring applications

Health monitoring technologies such as Body Area Network (BAN) systems has gathered a lot of attention during the past few years. Largely encouraged by the rapid increase in the cost of healthcare services and driven by the latest technological advances in Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) and wireless communications. BAN technology comprises of a network of body worn or implanted sensors that continuously capture and measure the vital parameters such as heart rate, blood pressure, glucose levels and movement. The collected data must be transferred to a local base station in order to be further processed. Thus, wireless connectivity plays a vital role in such systems. However, wireless connectivity comes at a cost of increased power usage, mainly due to the high energy consumption during data transmission. Unfortunately, battery-operated devices are unable to operate for ultra-long duration of time and are expected to be recharged or replaced once they run out of energy. This is not a simple task especially in the case of implanted devices such as pacemakers. Therefore, prolonging the network lifetime in BAN systems is one of the greatest challenges. In order to achieve this goal, BAN systems take advantage of low-power in-body and on-body/off-body wireless communication technologies. This paper compares some of the existing and emerging low-power communication protocols that can potentially be employed to support the rapid development and deployment of BAN systems.

Nanostructured copper thin film used for catalysis

Catalytic properties of copper thin films deposited in small channels and cavities were tested using Raman microscopy and mass spectroscopy (MS) techniques, mainly. The catalytic surface conditions were addressed visually and chemically by optical microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), respectively. The experimental conditions of present work induced copper oxidation; eventually a number of carbon species and graphite remained on the catalytic surface. Quartz crystal microbalance and mass spectroscopy data support both adsorption and catalysis phenomena. MS showed CO2 formation during n-hexane heating process but not to 2-propanol, probably due to redox reactions. XPS of copper surface present in the cavity after catalysis tests detected Cu2O and a range of possible carbon species. The adsorption and catalytic performance of copper films deposited in cavities and microchannels were quite similar. A simple miniaturized device for microanalysis was proposed. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Diagnostics for the Developing World: Microfluidic Paper-Based Analytical Devices

Microfluidic paper-based analytical devices (mu PADs) are a new class of point-of-care diagnostic devices that are inexpensive, easy to use, and designed specifically for use in developing countries. (To listen to a podcast about this feature, please go to the Analytical Chemistry multimedia page at pubs.acs.org/page/ancham/audio/index.html.)

Características sociodemográficas, hábitos de sono, estado cognitivo e funcional após acidente vascular cerebral

ABSTRACT Introduction: The cerebrovascular accident (CVA) is an important cause of neurological impairment. Few data about the factors associated with morbidity of cerebrovascular accident are found in Brazil. Objectives: Evaluate sociodemographic characteristics, sleep habits, cognitive and functional status of patients with cerebrovascular accident. Methods: The patients evaluated through questionnaire Step 1 to survey the sociodemographic characteristics and Modified Rankin Scale for functional assessment. The neurological degree was evaluated by the National Institutes of Health Stroke Scale (NIHSS), the sleep Habits questionnaire for sleep and cognitive status by the Mini-Examination of the Mental State (MEMS). The data were analyzed using the chi-square test to determine differences in proportions of variables and linear regression analysis. Results: 305 patients were evaluated and the larger number of subjects was between 50 and 69 years (40%), most patients had no formal education (40.3%) and had ischemic type of cerebrovascular accident (72.5%). In the analysis of the functionality it was found that most patients had moderate impairment (55.1%). The results of the sleep habits showed that 63,6% of patients had one more person in the bedroom,12,3% complained about too much noise in the 11 room and 35% of too much light. From these patients 5,8% were smokers, 7,8% and 70,1% drank coffee drinkers, 28,6% had difficulty in initiate to sleep and woke up 37,6% in the middle of the night. Were showed complaints about nightmares (11%), feeling of suffocation (37,7%) and 35% felt very sleepy during the day. In addition, 95% were unemployed, 80,5% did not perform physical activities and 95,4% did not perform mental activities. The cognitive screening conducted a determined association of cognitive status with age and education level and neurological status. Conclusion: The study showed a high frequency of cases of cerebrovascular accident with functional dependence in a moderate degree, identified that many patients do not follow hygienic measures of sleep and found that the assessment of cognitive deficits must take into consideration the age, educational level and degree of neurological patients. We suggest the need for programs of assistance to victims of cerebrovascular accident patients, with a multidimensional approach including the rehabilitation team, the role of sleep medicine and Neuropsychology, so that patients have access to a more appropriate functional rehabilitation, develop a lifestyle that ensures a good sleep quality and are evaluated and rehabilitated with regard to cognitive impairment

A reducing of a chaotic movement to a periodic orbit, of a micro-electro-mechanical system, by using an optimal linear control design

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)