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Os sistemas microeletromecânicos (MEMS) envolvem o uso e o desenvolvimento de dispositivos elétricos do tamanho de mícrons, como microeletrodos, sensores e atuadores integrados a chips de computadores e smartphones. A fabricação desses dispositivos MEMS integrados geralmente é uma tarefa desafiadora, pois esses dispositivos geralmente se desviam de seu design original devido aos defeitos introduzidos durante sua fabricação e operação. Isso, por sua vez, limita seu desempenho. Portanto, é crucial identificar e corrigir esses defeitos.
Uma forma de identificar e corrigir esses defeitos é medindo a distribuição espacial das propriedades elétricas desses dispositivos. No entanto, as sondas de sensor padrão não oferecem a resolução espacial necessária e podem apenas determinar as propriedades elétricas calculadas espacialmente. Devido a isso, é possível detectar apenas a presença de defeitos, não sua localização.
Felizmente, gotículas de cristal líquido (LCDs) – gotículas de matéria mole do tamanho de um mícron com ordem de orientação molecular – oferecem esperança nessa frente. Os LCDs respondem fortemente a estímulos externos, como um campo elétrico e, portanto, podem atuar como uma sonda de alta resolução.
Aproveitando essa promessa, o Dr. Shinji Bono e o Prof. Satoshi Konishi, da Ritsumeikan University, no Japão, já utilizaram LCDs para visualizar as propriedades elétricas de eletrodos microestruturados por meio de uma técnica chamada eletrometria de imagens de partículas. Suas descobertas foram publicadas no volume 13 da revista Scientific Reports em 16 de março de 2023.
Dr. Bono explica a metodologia de pesquisa. “Os LCDs foram dispersos em microeletrodos dispostos em uma estrutura semelhante a um pente no topo de uma placa de vidro. Suas orientações moleculares, determinadas usando microscopia óptica polarizada, foram distribuídas aleatoriamente quando o campo elétrico estava ausente. Em seguida, uma voltagem foi aplicada nos eletrodos.” Por causa disso, os LCDs entre os eletrodos e na frente das extremidades dos eletrodos sofreram rotação, suas orientações moleculares se alinhando perpendicular e paralelamente aos eletrodos, respectivamente. Esse alinhamento, revelado por simulações do COMSOL realizadas pelos pesquisadores, correspondia à direção do campo elétrico e acontecia mais rapidamente com o aumento da voltagem. Verificou-se que a frequência de relaxamento da rotação variava com o quadrado da voltagem aplicada.
Além disso, em altas tensões, os LCDs mostraram translação (movimento linear) em direção aos eletrodos, especialmente seus pontos finais, as regiões com densidade máxima de energia eletrostática. Com base nesse comportamento, os pesquisadores poderiam produzir uma matriz de LCDs por meio da modulação periódica da densidade de energia em um dispositivo MEMS microcapacitivo. A matriz LCD, por sua vez, serviu como um modulador periódico do índice de refração, um número que caracteriza a capacidade de curvatura da luz de um material.
Esses resultados demonstram, portanto, que as propriedades elétricas de microeletrodos e dispositivos microelétricos podem ser visualizadas simplesmente observando o comportamento rotacional e translacional de LCDs sob um campo elétrico. Além disso, a técnica fornece uma alta resolução espacial (10 μm), bem como alta precisão de detecção (5 μV/μm). À luz desses recursos, o Prof. Konishi tem grandes esperanças em suas aplicações. “Isso ajudará a melhorar o projeto e a fabricação de dispositivos microelétricos integrados, fornecendo informações sobre a localização do defeito, que até agora permaneceu indisponível. Por sua vez, a tecnologia MEMS mais sofisticada pode estar disponível em breve”, conclui.
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