Bachelor's Thesis

Development and fabrication of microelectromechanical systems MEMS

Final Thesis 2.51 MB Appendix 14.67 MB

Author of thesis: Bc. Lukáš Koňařík

Acad. year: 2023/2024

Supervisor: Ing. Zdeněk Nováček, Ph.D.

Reviewer: Ing. Zbyněk Dostál, Ph.D.

Abstract:

This bachelor thesis deals with MEMS microelectromechanical systems. In the first part of the thesis the application areas of these systems are described in general together with specific cases. In addition, COMSOL Multiphysics simulations are explained in detail, as well as an enumeration of the physical principles of MEMS system technologies. In the practical part, models of an electrostatic actuator and a thermomechanical actuator are presented. The work depicts the different steps of fabrication from the initial substrate to the final structure. This process includes cutting the samples using a laser dicer, spin coating, optical lithography, depositing a conductive metal layer on an evaporator, lift-off, etching the structure using a deep reactive ion etching technique, hydrofluoric acid etching, and bonding to an electrical circuit. All steps are documented and performed in the shared laboratories of the Central European Institute of Technology CEITEC Nano. Finally, the results of the whole fabrication process are summarized and discussed.

Keywords:

Microelectromechanical systems, MEMS, thermomechanical actuator, electromechanical actuator.

Date of defence

12.06.2024

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Druh použité optické litografie. Student na otázky odpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Physical Engineering

Study programme

Physical Engineering and Nanotechnology (B-FIN-P)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (místopředseda)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. Ing. Jan Čechal, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miroslav Bartošík, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Zdeněk Nováček, Ph.D.

Bakalářská práce s názvem “Vývoj a výroba mikroelektromechanických systémů MEMS” autora Lukáše Koňaříka je rozdělena do dvou hlavních částí. Nejprve se autor věnuje představení aplikací MEMS systémů a principů, využívaných pro jejich činnost. V této části autor dále popisuje výpočetní software COMSOL Multiphysics, který dále využívá pro návrh vlastních MEMS aktuátorů. Druhá kapitole je nejprve věnována samotnému teoretickému návrhu dvou typů aktuátorů, které využívají různých fyzikálních principů pro převod elektrického napětí či proudu na mechanickou výchylku. V prvním případě MEMS systém využívá teplotní roztažnosti, v druhém případě působení elektrostatické síly. Zde je využito možností návazných výpočtů v použitém software, kde je např. určena velikost teplotní roztažnosti způsobená nárůstem teploty při průchodu elektrického proudu navrženou strukturou. Dále autor přehledně a podrobně popisuje a dokumentuje jednotlivé kroky výroby navržených zařízení. Stejně jako v první kapitole autor využívá poznatků z odborné literatury, které jeho vlastní text vhodně doplňují.

 

Výsledkem autorovy práce je ucelený přehled o aplikacích MEMS systémů a o metodách a postupech využívaných při jejich výrobě. Společně s vyrobenými vzorky dvou typů aktuátoru počítám s využitím textu při výuce předmětu, který se problematikou MEMS zabývá. Bakalářskou práci, které se student Lukáš Koňařík věnoval samostatně a systematicky, hodnotím celkovým stupněm 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
Ing. Zbyněk Dostál, Ph.D.

Bakalářská práce Lukáše Koňaříka se věnuje simulaci a výrobě MEMS aktuátorů, které jsou založeny na tepelném a elektrostatickém principu. Práce je rozdělena do několika částí. První je obecnější a pojednává o principech MEMSů, jejich využití a také zahrnuje ukázku simulace navrhovaných aktuátorů. Druhá část je zaměřena na praktickou stránku a obsahuje návrh se simulacemi provedenými v programu COMSOL, dokumentovaný popis výroby MEMSů a výsledky z testování.

Práce, kterou student odvedl, je dobrá, ačkoliv navržené MEMSy nebyly plně funkční a neměly požadovaný rozsah pohybu. Student dobře zdokumentoval vlastní výrobní postup a chválím, že tuto výrobu prováděl osobně. V závěru práce uvádí nutné změny, aby byly výsledné MEMS funkční (např. změna substrátu, změna adhezní vrstvy kontaktů). Práce má také své nedostatky. Z práce jsem se nedozvěděl požadované rozsahy pohybů aktuátorů. Bylo by dobré, kdyby byly v práci uvedeny kotované rozměry aktuátorů. Z obrázků (např. 2.1 a 2.23) vyvozuji, že simulované a vyráběné aktuátory se od sebe velikostně liší. Následně byly simulace upraveny dle vyráběných rozměrů a již nevykazovaly dostatečný rozsah pohybu. Tento postup návrhu mi přijde značně matoucí. Také bych doporučil citovat obrázky, přebírané z literatury (např. "Převzato a upraveno z ...").

Práci hodnotím kladně, i když text, ve kterém student svoji práci popisuje, má nedostatky. Ze studentových výsledků usuzuji, že odvedl velký kus práce. Vzhledem k jistým nedostatkům práci hodnotím jako velmi dobrou - B.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Jaké byly požadavky na rozsah pohybu obou aktuátorů? Jak by se musely změnit jejich rozměry/materiály, aby byly tyto požadavky dodrženy?
  2. Dotaz je zaměřen na finální simulaci. Jak byly nastaveny materiálové konstanty a rozměry v programu COMSOL? Porovnejte tyto veličiny mezi simulacemi v části 2.1(2.2) a těmi finálními. Proč došlo ke změně rozměrů aktuátorů?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová