硅基MEMS三维微电极阵列的超电容特性

三维微电极是一种具有空间结构优势、电化学性能比二维微电极更加优越的微型储能结构.本文提出一种基于光刻、感应耦合等离子体刻蚀和溅射等MEMS工艺加工三维结构硅基微电极阵列的新方法.采用电化学阴极沉积工艺在微电极表面制备了纳米氧化钌功能薄膜.借助扫描电子显微镜、循环伏安测试和电化学交流阻抗谱测试等手段对三维微电极的表面形貌和电化学性能进行了表征,系统研究了阴极沉积电流密度、电沉积时间以及硅基微结构表面"微草效应"对三维微电极超电容特性的影响.所制备三维微电极的比电容达到1.57 F/cm2,与平面电极比电容0.42 F/cm2相比明显提高,而电化学阻抗比二维平面微电极显著降低.相关实验数据表明基于MEMS技术加工的三维结构微电极具有优于平面电极的电化学电容储能特性.     

激光直写技术在微电极阵列制作中的应用研究

利用激光微细熔覆电子浆料(LMCEP)技术在熔融石英玻璃上初步制作了4×4微电极阵列(MEA)--目前研究细胞电生理的常用工具之一,在电极阵列背面利用微笔直写技术直接"写"上加温和热敏电阻,完成了微电极阵列、电热器件和热敏器件的集成制造.随后对电极阻抗和微加热器性能进行了测试,并在其上培养神经细胞.结果表明:激光直写导...     

一种集成纳米金柱结构的神经薄膜微电极阵列

在神经假体系统中,神经微电极是实现信号检测以及激励任务的重要组成部分.然而,神经微电极由于尺寸微小,往往具有很高的电极/组织界面阻抗.本文提出了一种在电极位点表面处集成纳米结构来增大电极有效表面积的方法.这种方法结合了光刻、局部氧化铝以及电子束蒸发等技术,在薄膜微电极的表面集成了纳米金柱结构.最后,本文测试和评价了此微电极的表面形貌以及电学性能.实验结果表明,这种集成有纳米金柱结构的微电极其界面阻抗降低了约25倍,促进了这种微电极在神经工程领域的广泛应用.     

基于MEMS技术的三维氧化钌微电极准电容特性

为增强电极在单位底面积上的电荷储存能力,设计利用MEMS技术制作高深宽比三维微电极结构,以增大电极结构表面积,并在结构表面制作功能膜形成电极.以硅为基底,SU-8光刻胶为材料制作了三维微电极结构,在结构表面溅射金作为集流体,用两电极体系进行方波脉冲电沉积,在三维微电极结构表面沉积氧化钌作为活性物质,制备了三维微电极.用扫描电镜和能谱对微电极表面形貌和物质组成进行表征,用循环伏安法等对微电极的电化学特性进行测试,三维微电极的比容量达0.79 F/cm2.     

视网膜前假体中柔性凸起微电极的研制

采用聚对二甲苯（Parylene C）作为结构材料,借助微细加工技术设计并制作了按6×6矩阵排布的柔性凸起微电极阵列．微电极直径为80μm,引线线宽40μm,电极间距为280μm,引线间距为80μm．电极位点高度约为10μm,呈明显的圆滑凸起结构特征．电极和引线表面均平整光滑,轮廓清晰,结构完好．阻抗测试结果表明：随着频率的增加,凸起微电极的阻抗呈下降趋势,显示出明显的高通特性;1kHz时凸起微电极的阻抗约为10kΩ,较具有相同基底面积的平面电极约低30％,有助于提高电极的信噪比,可望用于视网膜前假体中．柔性凸起微电极制作工艺简单,利于高效率批量制作并提高微电极的集成度．     

利用微电极阵列技术研究合金的腐蚀

随着工业水平的不断发展与提高,合金材料的使用量亦不断增大。然而合金材料的腐蚀问题在工业生产及生态环境中造成了不可估量的损失。为此,国内外学者已经开展了大量关于合金腐蚀机理与防护方面的研究,并取得了一定的进展。微电极阵列技术是一种介于宏观的经典电化学技术和微区扫描探针技术之间的新型电化学测试方法。它既能获取合金大面积电极的整体平均信息,又能探测合金局部微小区域内的电位、电流分布特征,能更加准确地测试合金局部腐蚀过程中非均一的电化学信息。随着国内外学者的不断研究与开发,现已实现微电极阵列的优化。该技术联合其他电化学测试技术和表面科学技术等方法,不断丰富了合金/腐蚀溶液界面的物理、化学及电化学信息。近几年,大量专家学者采用该微电极阵列技术与其他测试技术相结合的方法研究了常用合金在不同环境和腐蚀状态下的局部腐蚀过程及机理,并取得了重要的研究进展。其中,对异材质金属的电偶腐蚀行为及演变规律的研究取得了重大突破。此外,实时耦合的多电极阵列传感器(CMAS)探针的开发应用,对合金局部腐蚀的在线监/检测起到了举足轻重的作用。本文主要综述了微电极阵列技术在研究合金的电偶腐蚀、表面涂层失效、腐蚀环境的影响方面的进展,探讨了微电极阵列技术在表征合金局部电化学不均一性方面的优势与不足,并对其进行了总结和展望。     

不可逆封合微流控芯片中高活性蛋白质阵列的制备

保持生物分子的高活性是在不可逆封合微流控芯片中构筑微阵列芯片的关键问题.首先,利用MEMS技术和表面修饰方法制作了一种聚二甲基硅氧烷(PDMS)/玻璃芯片.应用光刻技术制作了PDMS盖片上的通道,同时用光刻剥离技术制作了玻璃基片上的金膜图案.进而,使用双官能团修饰剂3-氨丙基三甲氧基硅氧烷(APTMS)在玻璃基体和金膜图案上进行选择性表面修饰以吸附形成蛋白质阵列,并在其上覆盖一层水溶性聚乙烯醇(PVA)来保护蛋白质,既可避免其在加热处理过程中的高温伤害,又能防止在PDMS盖片与玻璃基片进行不可逆封合过程中的氧等离子体轰击造成的活性伤害.然后,通入水溶液冲洗除去PVA膜.使用荧光显微镜和原子力显微镜(AFM)考察蛋白质阵列质量,并结合免疫反应实验和细胞捕获固定实验评估蛋白质阵列的活性.结果表明,使用该方法可在不可逆封合的微流控芯片制作中构筑具有直径为200μm的高分辨率蛋白质阵列图案,蛋白质保持高的免疫活性,且可用于固定Hela细胞.     

MEMS用新型微型超级电容器的制造及性能分析

采用微加工工艺为MEMS制作了一种基于电化学赝电容原理储能的微型能量存储器件——新型微型超级电容器.通过光刻、感应耦合等离子体刻蚀和溅射等MEMS微加工工艺制作了硅基3D微电极阵列,并在其表面用阴极电沉积法制备了氧化钌功能薄膜.采用循环伏安法和交流阻抗法研究了3D微电极的性能,系统比较了3D微电极与平面微电极的电化学性能,测试结果表明3D微电极的比电容达1.57F· cm-2.基于三维微电极阵列阳极和钌钛金属氧化物阴极组装了微型超级电容器,恒流充放电测试结果表明该电容器的比容量达0.73F·cm-2,比功率达0.50mW·cm-2,比能量达0.36J·cm-2.     

玻璃基底TiO2纳米管阵列的制备及其光电性能研究

提高二氧化钛纳米管阵列电极的机械稳定性,改善电极的透光性能,有助于提高其光电催化性能,拓展电极的应用范围.通过室温射频溅射方法在玻璃基底上溅射一层金属钛膜,然后在含0.5%HF的电解液,10V阳极氧化电压下进行阳极氧化,得到玻璃基TiO2纳米管阵列电极.扫描电子显微镜和X射线衍射分析表明,玻璃基表面形成了孔径为20～30nm,管长约130nm排列有序的锐钛矿型TiO2纳米管阵列.光电性能测试表明,玻璃基TiO2纳米管阵列与金属钛基TiO2纳米管阵列表现出相似的光电催化性能,明显优于磁控溅射制备的TiO2薄膜.     

基于Parylene的柔性生物微电极阵列的制作

在神经工程中,微电极阵列是神经系统与外界电子电路的接口,其性能决定了整个神经系统的信号采集和刺激的效果.提出了一种基于Parylene的半球形柔性生物微电极阵列.在微电极的制备过程中,使用了光刻胶热熔技术和MEMS技术.半球形形貌的微电极有利于形成和神经组织的良好接触,并且相比同底面积的平板电极,表面积增加为2倍,这有利于降低界面阻抗,降低系统功耗.使用化学气相沉积法沉积Parylene C薄膜作为微电极的封装材料,它具有良好的生物相容性和柔性,可以降低对神经组织的损害.实验结果表明,与此半球形微电极底面积大1.3倍的平板电极相比,半球形微电极的界面阻抗下降了55%,并且界面阻抗随着微电极顶部开口直径的变化而变化.使用Comsol有限元软件进行了电极/组织液液面流出电流密度仿真,仿真结果也表明,微电极的流出电流密度也随着微电极顶部开口直径的变化而变化,因此可以通过调整微电极顶部开口直径来调节电流密度,从而满足不同部位需要不同电流密度刺激的要求.     

透镜阵列光刻法消差原理分析

透镜阵列光刻法用一个柱面阵列透镜代替常规光刻法中的柱面透镜形成光程差,将由衍射所引起的瞬变图形错开,消除由于光刻模板与被刻光栅之间因间隙引起的衍射误差。用光学传递函数方法说明了透镜阵列消除光刻中衍射误差的原理。实验表明透镜阵列光刻法,可以较好的消除衍射误差,研制出高质量的光栅。     

微透镜列阵成像光刻调焦方法

本文分析了离焦量对微透镜列阵成像光刻图形质量的影响,给出了系统离焦量的容差.同时提出了一种结构简单、可应用于微透镜列阵成像光刻系统调焦的新方法.并将基于该调焦方法的实验装置应用于微透镜列阵成像光刻系统,进行了光刻实验.实验表明,利用该方法时微透镜列阵成像光刻系统调焦,可得到接近微透镜列阵极限像质的光刻图形.     

一种用于LSPR传感的纳米金属列阵制作方法

提出利用光刻定位自组装填充的方法制作纳米金属列阵．在平面基板上通过光刻手段制作具有列阵微区的定位模板,再利用单分散聚苯乙烯纳米球在微区里进行自组装,得到单层规则排布的纳米球结构;进一步沉积金属后,通过去牺牲层工艺去除球体,可得到呈六角形分布的纳米金属列阵结构;最后对获得的纳米金属列阵结构的形貌和光学性能进行分析,给出金属纳米列阵结构的电子显微镜照片和消光谱．     

振幅分割无掩模激光干涉光刻的实现方法

无掩模激光干涉光刻中的分束方法一般有波前分割和振幅分割。研究和比较了振幅分割无 掩模激光干涉光刻方法和系统,包括振幅分割双光束干涉系统、三光束干涉系统、液浸式深紫外干涉系统及全自动干涉光刻系统。建立了双光束双曝光干涉光刻实验系统。模拟和实验结果表明,对点阵或孔阵图形,在同样的图形尺度下,无掩模干涉光刻比传统光刻简单得多。     

Parallel scanning near-field photolithography: the snomipede

The “Millipede”, developed by Binnig and co-workers (Bining, G. K.; et al. IBM J. Res. Devel. 2000, 44, 323.), elegantly solves the problem of the serial nature of scanning probe lithography processes, by deploying massive parallelism. Here we fuse the “Millipede” concept with scanning near-field photolithography to yield a “Snomipede” that is capable of executing parallel chemical transformations at high resolution over macroscopic areas. Our prototype has sixteen probes that are separately controllable using a methodology that is, in principle, scalable to much larger arrays. Light beams generated by a spatial modulator or a zone plate array are coupled to arrays of cantilever probes with hollow, pyramidal tips. We demonstrate selective photodeprotection of nitrophenylpropyloxycarbonyl-protected aminosiloxane monolayers on silicon dioxide and subsequent growth of nanostructured polymer brushes by atom-transfer radical polymerization, and the fabrication of 70 nm structures in photoresist by a Snomipede probe array immersed under water. Such approaches offer a powerful means of integrating the top-down and bottom-up fabrication paradigms, facilitating the reactive processing of materials at nanometer resolution over macroscopic areas.     

Large area nanorings fabricated using an atomic layer deposition Al(2)O(3) spacer for magnetic random access memory application

We have designed a novel atomic layer deposition (ALD) Al(2)O(3) spacer mask technique for fabricating large area high density nanoscale magnetic rings by photolithography for magnetic random access memory applications. A simple mask design and a low temperature ALD process were utilized to simplify the process. Dry etching of Al(2)O(3) and cobalt was investigated for optimizing the nanostructure dimension control. A ring array with density and dimensions below the limits for photolithography tools has been achieved. The magnetic behavior of the ring array was characterized using a SQUID (superconducting quantum interference device). The switching distribution and effects of interaction among ring arrays were studied by correlating simulation with experimental results.     

Silicon planar-apertured probe array for high-density near-field optical storage

We propose a novel, to our knowledge, silicon planar-apertured probe array as an optical head for high-density near-field optical storage. In comparison with a conventional fiber probe employed for near-field optical storage the apertured probe array has a higher readout data-transmission rate and better mechanical durability. A probe array with an aperture size of 100 nm was fabricated by use of photolithography and wet etching of a silicon wafer. Subwavelength-readout capability was demonstrated by use of one aperture of the probe array. Furthermore, we achieved a 16 times increase in the light-transmission efficiency of the probe array by installing glass-sphere microlenses on each aperture. The increase was confirmed by measurement of the near-field optical intensity.     

Design and fabrication of annular arrays for high-frequency ultrasound

The design, fabrication, and performance of miniature high-frequency annular arrays are described. A 50-MHz, 2-mm-diameter, 7-element, equal-area annular array was fabricated and tested. The array elements were defined using photolithography and the electrical contacts were made using ultrasonic wire bonding. The resulting transducer produced pulses with a -6 dB bandwidth of 52% and an insertion loss of -16 dB. A radiation pattern was collected by scanning the transducer array above the tip of a glass fiber. A -6 dB two-way beam width of 75 microns was found at f/2. The radiation pattern decreased smoothly to less than -60 dB at a distance of 550 microns.     

波前分割无掩模激光干涉光刻的实现方法

激光干涉光刻不受传统光学光刻系统光源和数值孔径的限制,其极限尺寸CD达到曝光波长 的1/4,研究了波前分割双光束、三光束方法及四光束无掩模激光干涉光刻方法,提出了可用于五光束和多种多光束和多次曝光的梯形棱镜波前分割干涉光刻方法。用自行建立的梯形棱镜波前分割系统进行了多光束干涉曝光实验,得到孔尺寸约220nm的阵列图形。     

Microfabrication of electrode patterns for high-frequency ultrasound transducer arrays

High-frequency ultrasound is needed for medical imaging with high spatial resolution. A key issue in the development of ultrasound imaging arrays to operate at high frequencies (?30 MHz) is the need for photolithographic patterning of array electrodes. To achieve this directly on 1-3 piezocomposite, the material requires not only planar, parallel, and smooth surfaces, but also an epoxy composite filler that is resistant to chemicals, heat, and vacuum. This paper reports, first, on the surface finishing of 1-3 piezocomposite materials by lapping and polishing. Excellent surface flatness has been obtained, with an average surface roughness of materials as low as 3 nm and step heights between ceramic/polymer of ～80 nm. Subsequently, high-frequency array elements were patterned directly on top of these surfaces using a photolithography process. A 30-MHz linear array electrode pattern with 50-μm element pitch has been patterned on the lapped and polished surface of a high-frequency 1-3 piezocomposite. Excellent electrode edge definition and electrical contact to the composite were obtained. The composite has been lapped to a final thickness of ～55 μm. Good adhesion of electrodes on the piezocomposite has been achieved and electrical impedance measurements have demonstrated their basic functionality. The array was then packaged, and acoustic pulse-echo measurements were performed. These results demonstrate that direct patterning of electrodes by photolithography on 1-3 piezocomposite is feasible for fabrication of high-frequency ultrasound arrays. Furthermore, this method is more conducive to mass production than other reported array fabrication techniques.