Nano-mechanical transduction of polymer micro-cantilevers to detect bio-molecular interactions

Using variothermal polymer micro-injection molding, disposable arrays of eight polymer micro-cantilevers each 500 μm long, 100 μm wide and 25 μm thick were fabricated. The present study took advantage of an easy flow grade polypropylene. After gold coating for optical read-out and asymmetrical sensitization, the arrays were introduced into the Cantisens(®) Research system to perform mechanical and functional testing. We demonstrate that polypropylene cantilevers can be used as biosensors for medical purposes in the same manner as the established silicon ones to detect single-stranded DNA sequences and metal ions in real-time. A differential signal of 7 nm was detected for the hybridization of 1 μM complementary DNA sequences. For 100 nM copper ions the differential signal was found to be (36 ± 5) nm. Nano-mechanical sensing of medically relevant, nanometer-size species is essential for fast and efficient diagnosis.

A Non-contact measurement technique to measure micro surface stress and obtain deformation profiles of the order of 1nm in Micro-cantilever based structures by single image Optical Diffraction method

A new method based on analysis of a single diffraction pattern is proposed to measure deflections in micro-cantilever (MC) based sensor probes, achieving typical deflection resolutions of 1nm and surface stress changes of 50 mu N/m. The proposed method employs a double MC structure where the deflection of one of the micro-cantilevers relative to the other due to surface stress changes results in a linear shift of intensity maxima of the Fraunhofer diffraction pattern of the transilluminated MC. Measurement of such shifts in the intensity maxima of a particular order along the length of the structure can be done to an accuracy of 0.01mm leading to the proposed sensitivity of deflection measurement in a typical microcantilever. This method can overcome the fundamental measurement sensitivity limit set by diffraction and pointing stability of laser beam in the widely used Optical Beam Deflection method (OBDM).

A magnetic micro-manipulator for application of three dimensional forces

Magnetic manipulation finds diverse applications in actuation, characterization, and manipulation of micro-and nano-scale samples. This paper presents the design and development of a novel magnetic micro-manipulator for application of three-dimensional forces on a magnetic micro-bead. A simple analytical model is proposed to obtain the forces of interaction between the magnetic micromanipulator and a magnetic micro-bead. Subsequently, guidelines are proposed to perform systematic design and analysis of the micro-manipulator. The designed micro-manipulator is fabricated and evaluated. The manipulator is experimentally demonstrated to possess an electrical bandwidth of about 1 MHz. The ability of the micro-manipulator to apply both in-plane and out-of-plane forces is demonstrated by actuating permanent-magnet micro-beads attached to micro-cantilever beams. The deformations of the micro-cantilevers are also employed to calibrate the dependence of in-plane and out-of-plane forces on the position of the micro-bead relative to the micro-manipulator. The experimentally obtained dependences are found to agree well with theory. (C) 2015 AIP Publishing LLC.

Note: A resonating reflector-based optical system for motion measurement in micro-cantilever arrays

A robust, compact optical measurement unit for motion measurement in micro-cantilever arrays enables development of portable micro-cantilever sensors. This paper reports on an optical beam deflection-based system to measure the deflection of micro-cantilevers in an array that employs a single laser source, a single detector, and a resonating reflector to scan the measurement laser across the array. A strategy is also proposed to extract the deflection of individual cantilevers from the acquired data. The proposed system and measurement strategy are experimentally evaluated and demonstrated to measure motion of multiple cantilevers in an array. (C) 2015 AIP Publishing LLC.

Nanometer-size anisotropy of injection-molded polymer micro-cantilever arrays

Understanding and controlling the structural anisotropies of injection-molded polymers is vital for designing products such as cantilever-based sensors. Such micro-cantilevers are considered as cost-effective alternatives to single-crystalline silicon-based sensors. In order to achieve similar sensing characteristics,structure and morphology have to be controlled by means of processing parameters including mold temperature and injection speed. Synchrotron radiation-based scanning small- (SAXS) and wide-angle x-ray scattering techniques were used to quantify crystallinity and anisotropy in polymer micro-cantilevers with micrometer resolution in real space. SAXS measurements confirmed the lamellar nature of the injection-molded semi-crystalline micro-cantilevers. The homogenous cantilever material exhibits a lamellar periodicity increasing with mold temperature but not with injection speed. We demonstrate that micro-cantilevers made of semi-crystalline polymers such as polyvinylidenefluoride, polyoxymethylene, and polypropylene show the expected strong degree of anisotropy along the injection direction.

On a control design to an AFM microcantilever beam, operating in a tapping-mode, with irregular behavior

In last decades, control of nonlinear dynamic systems became an important and interesting problem studied by many authors, what results the appearance of lots of works about this subject in the scientific literature. In this paper, an Atomic Force Microscope micro cantilever operating in tapping mode was modeled, and its behavior was studied using bifurcation diagrams, phase portraits, time history, Poincare maps and Lyapunov exponents. Chaos was detected in an interval of time; those phenomena undermine the achievement of accurate images by the sample surface. In the mathematical model, periodic and chaotic motion was obtained by changing parameters. To control the chaotic behavior of the system were implemented two control techniques. The SDRE control (State Dependent Riccati Equation) and Time-delayed feedback control. Simulation results show the feasibility of the bothmethods, for chaos control of an AFM system. Copyright © 2011 by ASME.

Microcantilever chaotic motion suppression in tapping mode atomic force microscope

The tapping mode is one of the mostly employed techniques in atomic force microscopy due to its accurate imaging quality for a wide variety of surfaces. However, chaotic microcantilever motion impairs the obtention of accurate images from the sample surfaces. In order to investigate the problem the tapping mode atomic force microscope is modeled and chaotic motion is identified for a wide range of the parameter's values. Additionally, attempting to prevent the chaotic motion, two control techniques are implemented: the optimal linear feedback control and the time-delayed feedback control. The simulation results show the feasibility of the techniques for chaos control in the atomic force microscopy. © 2012 IMechE.

AFM cantilever with integrated piezoelectric thin film for micro-actuation

This work presents micro-actuation of atomic force microscopy (AFM) cantilevers using piezoelectric Zinc Oxide (ZnO) thin film. In tapping mode AFM, the cantilever is driven near its resonant frequency by an external oscillator such as piezotube or stack of piezoelectric material. Use of integrated piezoelectric thin film for AFM cantilever eliminates the problems like inaccurate tuning and unwanted vibration modes. In this work, silicon AFM cantilevers were sputter deposited with ZnO piezoelectric film along with top and bottom metallic electrodes. The self-excitation of the ZnO coated AFM cantilever was studied using Laser Doppler Vibrometer (LDV). At its resonant frequency (227.11 kHz), the cantilever displacement varies linearly with applied excitation voltage. We observed an increase in the actuation response (131nm/V) due to improved quality of ZnO films deposited at 200 degrees C.

Study of GaN epilayers growth on freestanding Si cantilevers

Five-micron thick freestanding Si cantilevers were fabricated on bulk Si (1 1 1) substrates with surface/bulk micromachining (SBM) process. Then 1-mu m thick GaN layers were deposited on the Si cantilevers by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). Epilayers on cantilever areas were obtained crack-free, and the photoluminescence (PL) spectra verified the stress reduction and better material quality in these suspended parts of GaN. Back sides of the cantilevers were also covered with GaN layers, which prevented the composite beams from bending dramatically. This paper had proved the feasibility of integrating high-quality GaN epilayers with Si micromechanical structures to realize GaN-based micro electro-mechanical system (MEMS). (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Piezoresistive cantilevers with an integrated bimorph actuator

Scanning Probe Microscopy (SPM) has become of fundamental importance for research in area of micro and nano-technology. The continuous progress in these fields requires ultra sensitive measurements at high speed. The imaging speed limitation of the conventional Tapping Mode SPM is due to the actuation time constant of piezotube feedback loop that keeps the tapping amplitude constant. In order to avoid this limit a deflection sensor and an actuator have to be integrated into the cantilever. In this work has been demonstrated the possibility of realisation of piezoresistive cantilever with an embedded actuator. Piezoresistive detection provides a good alternative to the usual optical laser beam deflection technique. In frames of this thesis has been investigated and modelled the piezoresistive effect in bulk silicon (3D case) for both n- and p-type silicon. Moving towards ultra-sensitive measurements it is necessary to realize ultra-thin piezoresistors, which are well localized to the surface, where the stress magnitude is maximal. New physical effects such as quantum confinement which arise due to the scaling of the piezoresistor thickness was taken into account in order to model the piezoresistive effect and its modification in case of ultra-thin piezoresistor (2D case). The two-dimension character of the electron gas in n-type piezoresistors lead up to decreasing of the piezoresistive coefficients with increasing the degree of electron localisation. Moreover for p-type piezoresistors the predicted values of the piezoresistive coefficients are higher in case of localised holes. Additionally, to the integration of the piezoresistive sensor, actuator integrated into the cantilever is considered as fundamental for realisation of fast SPM imaging. Actuation of the beam is achieved thermally by relying on differences in the coefficients of thermal expansion between aluminum and silicon. In addition the aluminum layer forms the heating micro-resistor, which is able to accept heating impulses with frequency up to one megahertz. Such direct oscillating thermally driven bimorph actuator was studied also with respect to the bimorph actuator efficiency. Higher eigenmodes of the cantilever are used in order to increase the operating frequencies. As a result the scanning speed has been increased due to the decreasing of the actuation time constant. The fundamental limits to force sensitivity that are imposed by piezoresistive deflection sensing technique have been discussed. For imaging in ambient conditions the force sensitivity is limited by the thermo-mechanical cantilever noise. Additional noise sources, connected with the piezoresistive detection are negligible.

Surface patterned polymer micro-cantilever arrays for sensing

Microinjection molding was employed to fabricate low-cost polymer cantilever arrays for sensor applications. Cantilevers with micrometer dimensions and aspect ratios as large as 10 were successfully manufactured from polymers, including polypropylene and polyvinylidenfluoride. The cantilevers perform similar to the established silicon cantilevers, with Q-factors in the range of 10–20. Static deflection of gold coated polymer cantilevers was characterized with heat cycling and self-assembled monolayer formation of mercaptohexanols. A hybrid mold concept allows easy modification of the surface topography, enabling customized mechanical properties of individual cantilevers. Combined with functionalization and surface patterning, the cantilever arrays are qualified for biomedical applications