Изготовление устройств МЭМ часто требует точной оценки их электрических свойств и того, как они распределены в пространстве. Однако типичные датчики-зонды не могут определять пространственное изменение этих свойств и дают только пространственно усредненные оценки. В новом исследовании исследователи Университета Рицумейкан используют капли жидких кристаллов для визуализации пространственного распределения электрических полей внутри микроэлектродов, наблюдая за их реакцией на приложенное напряжение. 
Фото: Синдзи Боно из Университета Рицумейкан, Япония.

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) включают использование и разработку электрических устройств микронного размера, таких как микроэлектроды, датчики и приводы, которые интегрированы в микросхемы компьютеров и смартфонов. Изготовление таких интегрированных МЭМС-устройств обычно является сложной задачей, поскольку эти устройства часто отклоняются от своей первоначальной конструкции из-за дефектов, возникших во время их изготовления и эксплуатации. Это, в свою очередь, ограничивает их производительность. Поэтому крайне важно выявлять и устранять эти дефекты.

Одним из способов выявления и устранения этих дефектов является измерение пространственного распределения электрических свойств этих устройств. Однако стандартные сенсорные датчики не обеспечивают требуемого пространственного разрешения и могут определять только пространственно усредненные электрические свойства. Благодаря этому удается обнаружить только наличие дефектов, а не их местонахождение.

К счастью, жидкокристаллические капли (ЖКД) — капли мягкого вещества микронного размера с молекулярным ориентационным порядком — дают надежду на этом фронте. ЖК-дисплеи сильно реагируют на внешние раздражители, такие как электрическое поле, и поэтому могут действовать как зонд с высоким разрешением.

Воспользовавшись этим обещанием, доктор Синдзи Боно и профессор Сатоши Кониси из Университета Рицумейкан, Япония, теперь использовали ЖК-дисплеи для визуализации электрических свойств микроструктурированных электродов с помощью метода, называемого электрометрией визуализации частиц. Их выводы были опубликованы в Scientific Reports.

Доктор Боно объясняет методологию исследования . «ЖК-дисплеи были распределены на микроэлектродах, расположенных в виде гребенчатой ​​структуры на стеклянной пластине. Их молекулярные ориентации, определенные с помощью поляризованной оптической микроскопии, были случайным образом распределены при отсутствии электрического поля. Затем к электродам прикладывалось напряжение».

Из-за этого ЖК-дисплеи между электродами и перед концами электродов подвергались вращению, их молекулярная ориентация выстраивалась перпендикулярно и параллельно электродам соответственно. Это выравнивание, выявленное с помощью моделирования COMSOL, выполненного исследователями, соответствовало направлению электрического поля и происходило быстрее с увеличением напряжения. Установлено, что частота релаксации вращения изменяется пропорционально квадрату приложенного напряжения.

Кроме того, при высоких напряжениях ЖК-дисплеи демонстрировали поступательное (линейное движение) к электродам, особенно к их концам, областям с максимальной плотностью электростатической энергии. Основываясь на этом поведении, исследователи могли создать массив ЖК-дисплеев с помощью периодической модуляции плотности энергии в микроемкостном устройстве MEMS. ЖК-матрица, в свою очередь, служила периодическим модулятором показателя преломления, числа, характеризующего способность материала преломлять свет.

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, метод обеспечивает высокое пространственное разрешение (10 мкм), а также высокую точность обнаружения (5 мкВ/мкм).

В свете этих особенностей профессор Кониши возлагает большие надежды на его применение. «Это поможет улучшить проектирование и производство интегральных микроэлектрических устройств, предоставляя информацию о местонахождении дефекта, которая до сих пор оставалась недоступной. В свою очередь, вскоре может стать доступной более сложная технология MEMS», — заключает он.