Master's Thesis

Variable MEMS aperture for electron microscopy

Author of thesis: Ing. Vojtěch Mahel

Acad. year: 2022/2023

Supervisor: Mgr. Jiří Liška, Ph.D.

Reviewer: doc. RNDr. Petr Mikulík, Ph.D.

Abstract:

This master's thesis discusses using variable MEMS aperture in electron microscopes, its design, and fabrication. The final aperture is essential for defining the aperture angle, which affects the microscope's resolution and speed of analytical work. The variable aperture should help achieve almost any aperture angle and beam current on a sample within expected bounds. The thesis consists of an introduction to micromechanical devices, electron microscopy, and a review of micromanufacturing techniques, including lithography and etching. Design and simulations of variable MEMS aperture were carried out. Then the moving device actuated by electrostatic forces was manufactured using lithographic processes and a focused ion beam. Testing of the device confirmed that its properties and movement were according to the simulations and the calculations.

Keywords:

Variable aperture, simulations, MEMS, electron microscope, lithography, FIB, DRIE

Date of defence

21.06.2023

Date of publish

20.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Napětí pro pohyb aktuátorů. Vliv teploty na funkci aktuátoru. Student na otázky odpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Physical Engineering

Study programme

Precise Mechanics and Optics (N-PMO-P)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Petráček, Dr. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jindřich Mach, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Petr Bábor, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Jákl, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Mgr. Jiří Liška, Ph.D.

Diplomová práce studenta Vojtěcha Mahela se zabývá variabilní clonou pro elektronové mikroskopy na bázi  technologie MEMS (mikro-elektro-mechanické systémy). Práce, s výbornou textovou i grafickou úrovní, obsahuje všechny důležité části vyžadované u diplomové práce a splňuje zadané cíle. V teoretických kapitolách je na základě literatury srozumitelně popsán úvod do MEMS technologií a výrobních technik i do problematiky elektronových mikroskopů. Stěžejní je kapitola 5 obsahující návrh a simulace MEMS zařízení. Experimentálně zaměřená kapitola 6 se zabývá mikrovýrobou zařízení a následným úspěšným testováním v elektronovém mikroskopu. Vzhledem k tomu, že navržené MEMS zařízení by mělo mimo jiné zlepšit rozlišení elektronových mikroskopů, je řešené téma velmi aktuální s významným aplikačním potenciálem. Z pozice vedoucího práce bych chtěl především vyzdvihnout výraznou samostatnost a pracovitost studenta při návrhu zařízení, při simulacích a také při výrobě a testování MEMS zařízení v elektronovém mikroskopu. Prokázal schopnost rychlého zvládnutí nejrůznějších technik mikrovýroby. Oceňuji také jeho znalosti, rozvahu a intuici při plánování výroby a při řešení nejrůznějších komplikací. Výsledky, které se mu podařily získat, položily základy tohoto typu laditelné clony a měly by pomoct k reálné aplikaci v elektronových mikroskopech. Zapojení firmy Thermo Fisher Scientific, která je v tomto oboru světovou špičkou, k tomu nahrává. Celkově hodnotím práci velmi pozitivně - známkou A - výborně.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. RNDr. Petr Mikulík, Ph.D.

Diplomant se ve své diplomové práci věnuje návrhu a konstrukci clony s proměnlivou velikostí
otvoru řádově desítky mikrometrů, která by našla aplikační uplatnění v tubusu elektronového
mikroskopu místo série clon jako řadou různě velkých otvorů. Z důvodu mikrometrové velikosti a
ovládání elektrickým napětím byla clona konstruována jako mikromechanický systém (MEMS), kdy
elektrostatický hřebenový aktuátor posunuje pohyblivou částí clony proti pevné části otvoru clony,
přičemž aktuátor je možné vyrobit z křemíkového substrátu (konkrétně SOI deska) litograficky či
iontovým svazkem (FIB) v elektronovém mikroskopu. S ohledem na požadavky rozsahu lineárního
pohybu aktuátoru byl navržen design a rozměry systému, a očekávané výchylky byly spočteny podle
vzorců pro průhyb nosníku a pro konkrétní tvar nasimulovány metodou konečných prvků programem
Inventor. Práce následně obsahuje detailní popis přípravy litografií, leptáním a FIBováním. Bylo
vyrobeno několik vzorků (prototypů). Vzhledem k náročnosti výroby je důležitým výsledkem
zdokumentování náročnosti výroby a popisu souvisejících problémů, a to nejen výroby samotné, ale i
následného dočištění, manipulace, a elektrického kontaktování a použití.
Práce je napsána v českém jazyce v kvalitní grafické úpravě. Vše je vysvětleno jasně a účelně
a zdokumentováno nákresy a schématy. Finálně vyrobené struktury jsou zobrazeny fotografiemi a
snímky z elektronového mikroskopu.
Diplomant odvedl velký kus práce v oblasti návrhu, výpočtu i realizace prototypu MEMS clony
pro možné použití jako variabilní clony elektronového svazku pro elektronovou mikroskopii, sepsal
kvalitní diplomovou práci a proto jeho práci hodnotím stupněm A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. 1. Clona je tvořena pevnou a pohyblivou částí, proto se při jejím otevírání či uzavírání bude posunovat střed elektronového svazku v tubusu mikroskopu. Jak by tento posun mohl být korigován elektronovou optikou v tubusu?
  2. 2. Vyrobil jste několik kusů (prototypů) clony. Mohl byste je ukázat všechny na jednom snímku prezentace a stručně je popsat ohledně úspěchu při výrobě, manipulaci a zapojení?
  3. 3. Clona v mikroskopu musí mít dlouhou životnost, konkurovat v tomto směru otvorům vyvrtaným do tenké pevné destičky bude velmi těžké. Co bude třeba udělat pro prodloužení životnosti MEMS clony?

Grade proposed by reviewer: A

Reasons for publication postponement

Publication of the final thesis has been postponed in compliance with the provisions of Section 47b (4) of Act No. 111/1998 Coll., on the Higher Education Institutions and on amendments and supplements to other acts, as amended.

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová