Fabrication Simulation of 3D C-MEMS/NEMS for Biological Sensing and Manipulation

论文摘要

微纳制造技术作为微纳结构和器件的重要制造工具,近年来随着微纳技术的发展和新材料的不断涌现得到了快速的发展。体硅加工技术的发展造就了微纳机电系统（MEM/NEMS）的出现和广泛应用。最近,基于碳微纳加工技术的发展,出现了碳基微纳机电系统（C-MEM/NEMS）. C-MEMS/NEMS技术是将高分子前驱体的微纳图形隔绝空气条件下高温碳化的技术。通过融合光刻技术和高温热解技术,各种碳微纳结构的图形能够很容易的制备。该技术不仅具有大批量低成本的优势,还在应用碳材料的生物兼容性和多样性等方面具有优势,对新型器件的开发具有广阔的前景。但是,国内外在该领域的制备技术和应用研究还处于起步阶段。为此,本论文将开展微纳加工技术,尤其是碳微纳制造技术的研究,并基于碳材料独特的三维结构进行新型器件开发的应用研究。在本论文中,首先,对MEMS, NEMS和C-MEMS/NEMS的研究背景进行了系统和全面的综述。然后,对硅基高深宽比微结构的表面干法刻蚀工艺过程进行了基于刻蚀流的建模分析和仿真；对碳基三维微电极阵列结构的多层制备工艺过程和结构生成原理进行了实验分析；对碳基三维电极阵列结构在生物颗粒操纵和传感中的应用进行了系统分析和建模。最后面向微纳颗粒的介电泳操纵的应用,建立了电场模型,颗粒受力模型,颗粒运动和操纵模型,并对电极结构的设计进行了优化分析。这些分析和应用将为C-MEMS/NEMS的介电泳操纵应用提供设计指导,尤其对大批量和高效的微纳颗粒操纵和碳微纳结构的集成应用具有非常重要的意义。本研究论文在高深宽比微纳结构的加工过程的模拟仿真和开发新型三维微纳结构器件原型方面具有实质性的创新突破。但由于研究时间的关系,大量的后续工作还需要进一步进行,包括建模和仿真的实验应用,加上工艺过程的优化控制及器件原型的完善和集成应用等。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 INTRODUCTION AND LITERATURE REVIEW OF MEMS/) NEMS AND C-ME MS/NEMS FABRICATION
• 1.1 Project Financial Support
• 1.2 Electromechanical Systems Evaluation
• 1.3 Conventional Micro-Fabrication Approaches
• 1.4 Novel Microfabrication Techniques and Supplies（C-MEMS）
• 1.5 Important Role of Carbonized Photoresist Shrinkage and Electrical Properties in C-MEMS
• 1.6 C-MEMS Prologue
• 1.7 Stimulus Advances
• 1.8 C-NEMS Technology and Miniaturization Impact
• 1.9 C-MEMS/NEMS Biological Aspects
• 1.10 Recent Nanotechnology Applications in Cancer Detection
• 1.11 Conclusion
• 2 FLUX BASED FABRICATION OF SILICON DEEP TRENCH STRUCTURES FOR MEMS
• 2.1 Introduction
• 2.2 Process Modeling
• 2.3 Surface Flux Distribution Models
• 2.4 Simulation Results and Discussion
• 2.5 Conclusion
• 3 MULTI-LAYER C-MEMS/NEMS FABRICATION PROCESS
• 3.1 Literature Review
• 3.2 Processes and Materials
• 3.3 Fabrication Procedure
• 3.4 Multilayer SU-8 Structures Growth
• 3.5 Fabricated C-MEMS Multilayered Structural Applications
• 3.6 Discussion
• 3.7 Conclusion
• 4 DESIGN AND FABRICATION OF DEP-BASED C-MEMS FOR MANIPULATION OF BIOPARTICLES
• 4.1 Introduction and Literature Review
• 4.2 Author Majn Objective
• 4.3 Modeling of 3D Dielectrophresis
• 4.4 DEP-Modelingfor Multishape Microelectrodes Array
• 4.5 Design of 3D Carbon Circular Microelectrode Array
• 4.6 Design of 3D Carbon Multi-shaped Microelectrode Array
• 4.7 Conclusion
• 5 OPTIMIZATION OF DEP-BASED C-MEMS/NEMS STRUCTURES
• 5.1 Results and Discussions Based on Circular Column Microelectrode Array
• 5.2 Results and Discussions Based on Square Column Microelectrode Array
• 5.3 Combined Simulation Analysis of 3D Carbon Circular,Square （90° Edge）,and Triangular（Flat/Sharp）Extruded Microelectrode Array Designs
• 5.4 Process Development of Carbon-MEMS/NEMS
• 5.5 Conclusion
• 6 SUMMARY AND CONCLUSION
• Acknowledgments
• References
• PUBLICATIONS