Микроэлектромеханические системы (MEMS) предполагают использование и разработку электрических устройств микронного размера, таких как микроэлектроды, датчики и исполнительные механизмы, которые интегрируются в чипы компьютеров и смартфонов. Изготовление таких интегрированных MEMS-устройств обычно является сложной задачей, поскольку эти устройства часто отклоняются от своей первоначальной конструкции из-за дефектов, возникших в процессе их изготовления и эксплуатации. Это, в свою очередь, ограничивает их производительность. Поэтому крайне важно выявить и устранить эти дефекты.
Одним из способов выявления и устранения этих дефектов является измерение пространственного распределения электрических свойств этих устройств. Однако стандартные сенсорные зонды не обеспечивают требуемого пространственного разрешения и могут определять только усредненные по пространству электрические свойства. Благодаря этому можно обнаружить только наличие дефектов, а не их локализацию.
К счастью, капли жидких кристаллов (ЖК-дисплеи) - капли мягкого вещества микронного размера с молекулярным порядком ориентации - дают надежду на этом фронте. ЖК-дисплеи сильно реагируют на внешние раздражители, такие как электрическое поле, и, таким образом, могут выступать в качестве датчика высокого разрешения.
Пользуясь этим обещанием, доктор Синдзи Боно и проф. Сатоши Кониши из Университета Ритсумейкан, Япония, теперь использовал ЖК-дисплеи для визуализации электрических свойств микроструктурированных электродов с помощью метода, называемого электрометрией изображения частиц. Их выводы были опубликованы в 13-м томе журнала Scientific Reports 16 марта 2023 года.
Доктор Боно объясняет методологию исследования. "ЖК-дисплеи были диспергированы на микроэлектродах, расположенных в виде гребнеобразной структуры поверх стеклянной пластины. Их молекулярные ориентации, определенные с помощью поляризованной оптической микроскопии, были распределены случайным образом при отсутствии электрического поля. Затем на электроды было подано напряжение." Из-за этого ЖК-дисплеи между электродами и перед концами электродов подверглись вращению, их молекулярная ориентация выровнялась перпендикулярно и параллельно электродам соответственно. Это выравнивание, выявленное с помощью моделирования COMSOL, проведенного исследователями, соответствовало направлению электрического поля и происходило быстрее с увеличением напряжения. Было обнаружено, что частота релаксации вращения изменяется пропорционально квадрату приложенного напряжения.
Кроме того, при высоких напряжениях ЖК-дисплеи демонстрировали перемещение (линейное движение) в направлении электродов, особенно их конечных точек, областей с максимальной плотностью электростатической энергии. Основываясь на таком поведении, исследователи могли бы создать массив ЖК-дисплеев с помощью периодической модуляции плотности энергии в микро-емкостном MEMS-устройстве. Жидкокристаллическая матрица, в свою очередь, служила периодическим модулятором показателя преломления, числа, характеризующего способность материала к изгибу света.
Таким образом, эти результаты демонстрируют, что электрические свойства микроэлектродов и микроэлектрических устройств можно визуализировать, просто наблюдая за вращательным и поступательным поведением ЖК-дисплеев в электрическом поле. Кроме того, этот метод обеспечивает высокое пространственное разрешение (10 мкм), а также высокую точность обнаружения (5 мкВ/мкм). В свете этих особенностей проф. Konishi возлагает большие надежды на его применение. "Это поможет улучшить проектирование и изготовление интегрированных микроэлектронных устройств, предоставляя информацию о местоположении дефекта, которая до сих пор оставалась недоступной. В свою очередь, вскоре могут стать доступны более сложные технологии MEMS", - заключает он.
Комментарии