Scale dependency of heat transfer modes, fabrication of si nanowires and their integration with MEMS

Abstract

Isıl mikro uygulayıcıların modellenmesinde hali hazırda farklı yaklaşımlar kendi varsayımlarıyla kullanılmaktadır. Bu varsayımların çoğu fiziksel olarak güvenilir olmamalarına rağmen, sayısal benzetimler güya tatmin edici sonuçlar verebilir. Bu mesele mikro ve makro ölçekte ısı transferinin sonlu elemanlar analizi çerçevesinde incelenmiştir. İlk olarak, mikro ölçekte kondüksiyonun baskınlığı ve yerçekiminin, ve bu nedenle doğal konveksiyonun, ihmal edilebilir etkisi doğrulanmıştır. Kondüksiyon katsayılarını tecimsel sonlu elemanlar yazılımlarına sıcaklığın fonksiyonu olarak dâhil edecek bir yöntem önerilmiştir. Bu yaklaşım ısıl zaman sabiti 10ns olarak hesaplanan alüminyum/polyamit çift katli isil uygulayıcı için gösterilmiştir.Bu çalışmanın ikinci kısmı, seri üretime uyumlu bir şekilde, Si nano tellerin Mikroelektromekanik sistemler (MEMS) ile bütünleşmesine adanmıştır. Nano bilim ve teknoloji alanında, benzersiz elektriksel ve mekanik özelliklerinden ötürü nano teller tikel bir ilgiye sahiptir. Nano tel üretiminde kullanılan kendiliğinden birleşme ve yukarıdan aşağı yöntemleri ya MEMS bütünleşmesi için yeterli tel sayısını ve tel yönünün kontrolünü karşılamamaktadir ya da tellerin üretimi ve MEMS ile bütünleşmesindeki karmaşıklıktan dolayı seri üretimden uzaktır. Önerilen üretim tekniği, DRIE (Deep Reactive Ion Etching) esnasında oluşan elma ısırığı etkisi ve takiben PADOX (Pattern Dependent Oxidation) ile gerçekleştirilen boyut küçültme işlemine dayanmaktadır. Üretilen numuneler arasında, en boy oranı 200'un üzerinde ve çapı 50nm'nin altında, Si yonga düzlemine dik, birbirine paralel, demet seklinde nano teller gözlenmiştir. Nano tellerin I-V belirtkeni incelenmiştir. Bu yöntem ile mikro/nano bütünleşmesi ilave hizalama ve birleştirme adımlarına gerek kalmadan nano tel üretimi esnasında gerçekleştirilebilir.Önerilen yöntemin mikro/nano bütünleşmesi için uygunluğu nano tellerin parmak olarak kullanıldığı mikro cımbızlar için denenmiştir. Cımbızların mekanik belirtkenliği tamamlanmış ve işlevselliği gösterilmiştir.

The modeling of thermal microactuators is currently carried out using a variety of approaches with their own sets of assumptions. Although most of these assumptions are not physically sound, numerical simulations can yield seemingly satisfactory results. This issue is addressed within the framework of a finite element analysis of micro and macroscale heat transfer. The dominance of conduction and the negligible effect of gravity, and hence free convection, at the microscale are verified first. A method is proposed to incorporate conduction coefficients into commercial finite element software as a function of temperature. This approach is demonstrated in the case of an aluminum/polyimide bimorph actuator, whose thermal time constant is computed as 10 ns.The second part of the study is dedicated to batch-compatible integration of Si nanowires with MEMS. In the field of nano science and technology, nanowires are of particular interest due to their unique mechanical and electrical properties. Self-assembly techniques or top-down methods for nanowire fabrication either do not acquire the level of control on the wire directionality and the number of wires required for MEMS integration or they are far from mass production due to complexity of the fabrication sequence and the integration of nanowires with MEMS. The proposed fabrication technique is based on scalloping effect during deep reactive ion etching and subsequent size reduction through pattern-dependent oxidation. Among fabricated samples, nanowires with aspect ratio higher than 200 and diameter less than 50nm are observed in the form of parallel lines stacked perpendicular to the plane of the Si substrate. I-V characteristic of the nanowires are studied. With this method, micro/nano integration can be achieved during nanowire fabrication without any further steps for alignment or assembly.The suitability of the proposed technique for micro/nano integration is demonstrated with a pair of microtweezers, where nanowires serve as end-effectors. Mechanical characterization of the tweezers is accomplished and it is shown that the devices are operational.