T E L KO M NI K A ,  V o l. 1 4 ,  N o. 3 S ept em ber   20 1 6 ,  pp.   85 6 ~ 8 66   I S S N :  1 693 - 6 930 ac c r edi t ed  A   b D IK T I,  D e c r e e  N o 58/ D I K T I / K ep/ 2013   D O I :   10. 12928/ T E LK O M N I K A . v 1 4 i 3 . 3998      85 6       R ec ei v ed   A p r il   1 6 ,  20 1 6 ;  R ev i s ed  J un e   2 9 ,  2 01 6 ;  A c c ept e Ju ly   12 ,  2 01 6   Desig n   a n d Fa b r i c a ti o o f  C o m p a c t  MEMS  E lect r o m ag n et i c M icr o - A c tu a to r   w it h  P lan ar  M icr o - C o il  Based   o n P C B       R o er  E ka P aw i n an t o 1 , J u m r il Y u n a s * 2 ,  B u r h a n u d d i n  Y e o p   M a j l i s 3 , A z r u l A z la n   H a m z a h 4   I ns t i t ut of  M i c r oen gi n eer i n g a nd N ano el e c t r o ni c s  ( I M E N ) ,  U ni v er s i t i  K eb ang s aa n M al ay s i a  ( U K M ) ,     43600  U K M  B angi ,  S el a ngor ,   M al ay s i a   * C or r es po ndi ng a ut hor ,  e - m a i l r oer . e k a@ g m ai l . c om 1 j u m r i l y unas @ u k m . ed u. m y 2 bur ha n @ uk m . m y 3 az l anha m z ah@ uk m . e du. m y 4       A b st r act   T hi s  pa per  r epor t s  a c om pa c t   des i gn of  el e c t r om ag net i c a l l y   dr i v e n M E M S   m i c r o - ac t uat or  ut i l i z i ng  pl anar   el e c t r om ag net i c   c oi l   o n P C B  ( P r i nt ed C i r c u i t  B oar d ) .  T he m i c r o - ac t uat or   de v i c c on s i s t s   of   an   N dF eB  per m ane nt  m agnet ,  t hi n s i l i c on m em br ane a nd pl anar  m i c ro - c oi l  w hi c h f abr i c a t ed us i ng s i m pl e   s t an dar d M E M S  t ec hni que s  w i t h addi t i on al  bo ndi ng s t e p.  T w o pl anar   c oi l s  de s i gns  i nc l udi n g pl anar  p ar al l el   and s p i r al   c oi l  s t r u c t ur e w i t h v ar i ou s  c o i l  ge om et r y  ar c ho s e n f or  t he s t ud y .  A nal y s i s  of  t he  dev i c e i n v o l v e s   t he i n v es t i g at i o n of  el ec t r om agnet i c  an d m ec ha ni c al  pr o per t i es  u s i ng f i n i t e e l em ent  a nal y s i s  ( F E A ) ,  t h e   m eas ur em ent   of   t h m em br ane  def l ec t i on  and  f unc t i o nal i t y   t es t .   T he  m eas ur em ent   r es u l t s   s h ow   t hat   t h e   t hi n s i l i c on m em br ane i s  abl e t o def or m  as  m uc h a s   12. 8 7 µ m  us i ng pl an ar  s p i r al  m i c r o - c o i l.  R e a s on a ble  m at c b et w een   s i m ul at i on  an m eas ur em ent   of   a bout   82. 5 ha s   b een  r ev eal e d.   T he  d y nam i c   r es p ons e   t es t   on  ac t uat or  dr i v en  b y  par al l e l  p l anar  c oi l  s h ow s  t hat  s i l i c on m em br a ne  ef f e c t i v el y  d ef or m ed i n  40  s   f o r   an i npu t  el e c t r i c al  pow er  of  on l y  150 m W .  I t  i s  a l s c on c l ud e d t hat  pl a nar  par al l e l  c o i l  i s   c o ns i d er ed f or  t h e   s i m pl s t r u c t ur an ea s y   f abr i c at i on  of   t h a c t uat or   s y s t em .   T hi s   s t udy   w i l l   pr ov i de   i m por t ant   par am et e r s   f or  t he de v el opm ent  of  c om p ac t  and  s i m pl e e l e c t r om agn e t i c  m i c r o - ac t uat or   s y s t em  f or  f l ui di c  i n j ec t i on   s y s t em   i n l ab - on - ch i p .       Ke y w o rd s :   M E M S ,  el ec t r om agne t i c  m i c r o - ac t u at or ,  pr i nt e d c i r c ui t  boar d  ( P C B ) ,   s i l i c on m em br ane ,  pl a na r   mi c r o - c oi l       C o p y r i g h t   ©   20 16 U n i ver si t as A h ma d  D ah l a n .  A l l   r i g h t s r eser ved .       1.   I n tr o d u c ti o n   M EM S m i c r o - ac t uat or s  h av e  r ec ent l y   at t r ac t ed r e s ear c h i nt er es t  i n t h e f i el ds  of   bi om edi c al  a nd c hem i c al  ana l y s i s  du e t o t he i r  s i m p l e an d c om pac t   s t r uc t ur es  [ 1] ,  l o w  an c ont r ol l ab l po w er   c o ns um pt i o [ 2]   an f as t   r es pons e   t i m [ 3] .   E s pec i al l y   s i l i c on   bas ed   m ic r o - ac t uat or   dr i v en  b y   el ec t r o m agnet i c  f i el d  i s   t he  k e y  c om ponent  of  m i c r of l ui di c  p um pi ng s y s t em   t hat  f i nds  i t s   i m por t ant  r ol e f or  bi ol o gi c a l  s am pl e i nj ec t i on  i l ab - on - c hi p s y s t e m  [ 4]  and dr u g   del i v er y   s y s t em   appl i c at i o ns   [ 5,   6]   w h er ac c ur at e l y   del i v e r y   of   s m al l   quan t i t y   of   l i qu i i s   r equi r e d [ 7 ] .     E l ec t r om agnet i c  ac t uat or  i s  dr i v en  b y  m agnet i c  f or c es  gener at ed b y  c ur r ent  c ar r y i n c onduc t i v s p i r al   c o i l ,   s uc h   as   s ol eno i d,   t or oi and  pl anar   c oi l .   A m ong  al l   t h c oi l   t y pes ,   p l a nar   c oi l s   ha v bee f oun as   t he  s i m pl es t  a nd m os t  s ui t a bl e s t r uc t ur e  f or  us ed  i n  m ul t i l a y er   s t r uc t ur e.   P l a nar   c oi l   r educ es   t he  de v i c v ol um as   muc as   10  t i m es   as   c o m par ed  t s ol e no i m odel  [ 8] .     S e v er a l   t ec hn i q ues   t f abr i c at pl anar   m i c r o - c oi l s   hav bee r epor t ed  b ef or e.   S o m o f   s t andar m i c r oel ec t r on i c   m e c hani c a l   s y s t em   ( ME MS )   f abr i c at i o t ec hn i qu s uc as   m et al   depos i t i on us i ng v ac uum   ev a por at or  or  D C - s put t er i ng [ 9] ,  d epos i t i on of  c ond uc t i v e po l y m er   i m pl em ent i ng  S U 8 m i c r om ol d i ng  [ 1 0] ,  m et al   el ec t r op l at i ng  an d e l ec t r o l es s  p l at i ng   o n  s i lic o n   s ubs t r at e [ 1 1] ,   ar e pr ef er r ed t o  f abr i c at e t he c o i l  s t r uc t ur e bec a us e of  t he f a m i l i ar i t y   of  t he   pr oc es s  adop t ed f r om  I C  t ec hnol og y .   N ev er t he l es s ,  t he abo v e m ent i oned t ec h ni q ues  ar e  c o m pl ex  and ex pens i v e.   P l a nar   m i c r o c oi l  pr oduc ed b y   K o hl m ei er ,   et  al .,   [ 1 0]  r equ i r es  c o m pl i c at ed pr oc es s es ,  s uc h as  S U 8   c oat i n g,  pa t t er n i ng  and  m ol di ng  pr oc es s .   O t her   t ec h ni ques  t ha t  ha v e b een  d on e  b y   A m at o ,   et   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI K A     I S S N :  1 693 - 6 930       D es i gn   an F abr i c at i on of  C omp ac t  ME MS   E l ec t r o ma gnet i c   ( R o er  E k P aw i n a nt o )   857   al .,   [ 9]   an W o y t as i k ,   et  a l .,   [ 1 1]  r e qu i r e ex p ens i v e  m et al  t ar g et   and  e qui pm ent .  O n t he  ot h er   hand ,   i t   has   bee r ep or t ed   pr ev i ous l y   t hat   m i c r of l ui di c   c hi i s   pac k aged  on  pr i nt e c i r c ui t   bo ar d   ( P C B )   pl at f or m   t r educ c os t   and  en ab l ef f ec t i v i nt egr at i on  b et w e en  t h l ab - on - c hi s y s t e m   w it h  o t h er  el ec t r oni c s  p ar t s  [ 12 - 14] .   T her ef or e,   w e   r epor t   i n   t h i s   pap er   t h e   d ev el o pm ent   of   s i l i c o b as ed  m i c r o - ac t uat o r   w i t h   pl a nar  m i c r o - c oi l  s t r uc t ur dev el ope d o n P C B .   U t i l i z at i on  of  ex i s t i ng c o pper   on t he  P C B  l a y er   us ed  t f abr i c at m i c r o - c oi l   s t r uc t ur c an  r educ f abr i c at i on  c os t s   and  e as of   f abr i c at i on .   T he   st u d y   i f o cu se on  ex pl or i ng  t he  P C B   b as ed  c o i l   des i gn  a nd  geom et r y   t hat   i s   a b l t g ener a t uni f or m   and  opt i m um   m ag net i c   f l ux   dens i t y   t pr od uc opt i m u m   m e m b r ane  di s pl ac em ent .     T he  f abr i c at i o n t ec h no l og y   of  t he ac t u at or  s y s t em  and t he  f unc t i o na l i t y  t es t  of  t he  f abr i c at ed s t r uc t ur e   ar e al s o  pr es en t ed.         2.   B a si P r i n c i p l e  o E l e c tr o m a g n e ti c  M i c r o - act u at o r   T he bas i c  s t r uc t ur e of  el ec t r om agnet i c  m i c r o - ac t uat or  c ons i s t s  of  t hr ee  m ai n par t s   nam el y  a n e l ec t r om agnet i c  m i c r o - c oi l ,   a p er m anent   m agnet  and  a m ec hani c a l   m e m b r ane,   as   s c he m at i c al l y   s h o w i F i g ur e   1.   B as i c a l l y ,   t he  w or k i ng  pr i nc i pl of   el ec t r om agne t i c   ac t uat or   i s   depe nd i ng  o m agnet i c   f or c ac t i ng  on  f l ex i b l m e m br ane  t hat   i s   pr oduc ed  b y   t he  i nt er ac t i on   bet w e en m agnet i c  f i el ds   ge ner at e d b y  c ur r ent  c ar r y i ng  m i c r o - co i l  w i t p er m anent  m agnet .           F i gur 1.   S c hem at i c  S t r uc t ur e of  t he  ME MS   E M  A c tu a to r       T he anal y t i c al  eq uat i on  f or  t he m agnet i c  f i el d  ge ner at e d b y  a  c i r c ul ar  c o i l  i s  g i v en   b y  t he  B io t - S a v ar t   l a w .   F or   a   s i n g l t ur c i r c ul ar   c o i l ,   w i t h   r a di us   r ,   t h m agnet i c   f i el a t   di s t a nc z   al o ng  i t s  c ent r a l  ax i s ,   i s  g i v en b y   E q u at i on   (1 ):     ( ) = 2 2 ( 2 + 2 ) 3 2                   ( 1)     W h er e I  i s  t he c ur r ent ,  r   i s  t he m ean r adi us  of  t he t ur and  z  i s  t h e d i s t anc al o ng  t he  z - ax i s .  T obt a i t he   m agnet i c   f i e l d   of   c o i l   w i t N   t ur ns ,   t he   t o t al   gen er at e m agnet i c   f i el d   i s   t h s um   of   al l  m agnet i c  f i e l ds  g ener a t ed b y   eac h t ur n.   Mea n w h i l e,  t he m agnet i c  f or c e pr o duc ed f or  t h e   s y s t e m  in  F ig ur e   1 i s   des c r i bed i n E q uat i on   (2 ):     F z = B r A g H z z d z z + h g z                 ( 2)     W h er F z   i s   t he  m agnet i c   f or c e,   B r   i s   t he  r em anenc e   of   t he  m agnet i c   m at er i al ,   A a nd  hg  ar t he  s ur f ac ar ea  and  t h i c k nes s   of   t he  m agnet ,   r es pe c t i v e l y .   T he  c or r el at i o bet w een  m agnet i c   f or c e appl i e d on t he m e m br ane an d t he r es u l t i ng m em br ane di s pl ac em ent  d z   c an be   der i v e f r om  E q uat i o n   (3 ):     =  2                   ( 3)     W h er e F z  i s  t he f or c l m  i s  t h l en gt of  t he  m e m br ane.  T he c ons t ant  c   d epen ds  on  t h boun dar y  c ond i t i ons  a t  t h out er  e dges   and  t he s h ape   of  t he m e m br ane.  D  i s  t h e f l ex ur a l  r i g i d i t y   of  t he m e m br ane m at er i al   w hi c i s  def i n ed b y :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             I SSN :  1 6 9 3 - 6 930   T E L KO M NI K A     V o l.   1 4 ,  N o 3 S ept em ber   201 6   :   8 56     86 6   858   = 2 1 2 ( 1 2 )                   ( 4)     W h er E   i s   t he  Y ou ng’ s   m odu l us   of   t he  m at er i al ,   v   i s   P oi s s on s   r at i an h m   i s   t h t hi c k nes s   o f   t he m e m br ane.       3.   D e s i g n  o f E l e c tr o m a g n e ti c  M i c r o - a c tu a to r   3. 1.   P e r m an en t  M ag n et   B ul k   per m anent   m agnet   us ed  f or   t h i s   pr o pos ed   de v i c e   i s   m ade  of   N dF e B   m at er i a l   w i t di am et er  and t hi c k nes s  of  3   m m  and 1. 5 m m ,  r es pec t i v el y .  T he  m agnet  i s  at t ac he d t o t he s i l i c on  m e m b r ane  us i ng  e pox y   m at er i al .   T he  m agnet i c   f or c i s   depen dent   on  t h m agnet i c   f ie ld   s t r engt h,   m agnet i c   m at er i al   v o l um and  t he  d i s t anc bet w ee t he  m agnet   an t he   el ec t r om agnet i c  c oi l  a l on g t he  z - a xi s.     3. 2.  M ech an i cal  M em b r an e   I n t hi s  s t u d y ,  s i l i c o n m at er i al  i s  us e d as  t he m e m br ane due t o t he  bes t  m at er i al  s t r engt h   and s i m pl es t  f a br i c at i o pr oc es s  c o m par ed t o ot her  m at er i al s  s uc h as  pol y i m i de an d   pol y d i m et h y l s i l ox a ne ( P D M S ) .  F ur t her m or e,  s i l i c on m at er i a l  has  h i gh t her m al  c onduc t i v i t y  t hat   pr ev e nt s   t h r el eas of   per m anent   m agnet   at t ac h ed  o t h m e m br ane  du t t he  h eat   c onc ent r at i o n .   H o w ev er ,   s i l i c on  m at er i al   i s   m or r i gi t han  p ol y i m i de  or   P D M S ,   d ue  t i t s   hi gh   m odul us  el as t i c i t y  of  ap pr o x i m at el y  1 69 G P a [ 1 5] .           F ig ur e   2.  T he  S c h em at i c  of  Mem br ane G eom et r y   w i t h A t t ac h ed P er m anent   M agn et           ( a)   ( b)   F i gur 3.  T y pes  O f  S t u di ed   Mi c r o C o i l  S t r uc t ur e:  ( a)   P l a nar  P ar al l e l  C i r c u l ar  M i c r o - C oi l .  ( b)   P la n a r   S p ir a l m ic r o - c o il       T abl e 1 T he  G e om et r y c al   P ar am et er  o f  P la n a r  M ic r o - C oi l  us ed  i n  t he   S t ud y   S a m pl e t y pe   C o il 1   C o il 2   C o il 3   C o il 4   W i dt h  ( µ m )   100   200   150   100   S pac e ( µ m )   150   100   100   100   T hi c k nes s  ( µ m )   30   30   30   30   I nner   di a m et er  ( m m )   2. 5   2. 5   2. 5   2. 5   N um ber  o f  T ur n   5   5   5   5     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI K A     I S S N :  1 693 - 6 930       D es i gn   an F abr i c at i on of  C omp ac t  ME MS   E l ec t r o ma gnet i c   ( R o er  E k P aw i n a nt o )   859   T he geom et r y  of  t he m e m br ane a nd s i l i c o n c ham ber  us ed i n t hi s   w or k  i s  s how n i n   F i gur e   2.  I n  t er m s  of  s pac e r equ i r em ent s ,  t he  m em br ane ar ea s h ou l be   l ar ge  eno ugh  t ac c o m m odat e t h e s ur f ac e ar ea of  t h e m agnet .  T her e f or e I n t h i s   w or k ,  t he m e m br ane s ur f ac e   ar ea  w as   s et   t 6x m m 2   w i t t ot a l   c ham ber   v o l um i nc l u di ng  s pac er   of   6x 6x m m 3   t pr ov i de   enou gh s p ac e f or  a f r ee m o v em ent ,  m eanw hi l e t he  gl a s s   m at er i al   w as  us ed f or  t h e s pac er .     3. 3.   P l an ar  m i cr o - co i l   T w o t y p es  of  pl an ar  m i c r o - c oi l  ar i n v es t i gat ed i n t h i s  s t ud y  i nc l ud i n g pl anar   p ar al l el   c ir c u la r  m ic r o - c oi l  an d p l an ar  s pi r al  m i c r o - c oi l ,  as  s ho w n i n F i g ur e   3.  T he g eom et r y  of  t he  pl anar   m i cr o - c oi l   i s   v ar i e as  l i s t e d i n T abl 1.  T he m i c r o - c oi l  par am et er s  t ha t  ar e  k ept  c ons t an t   ar i nn er  di am et er ,  t hi c k nes s  and t h e n um ber  of  c oi l  t ur ns   of  2. 5 m m ,  30 µ m  and 5,  r e s pec t i v el y .   E l ec t r om agnet i c  f or c e gen er at ed  i s   s t r ongl y   af f ec t ed b y   t h di m ens i on  of  pl an ar   m i c r o   c oi l .  T her ef or e,  pl a nar  m i c r o c oi l  s i m ul at i o w i t h v ar i ous  di m ens i ons   w as  nec e s s ar y .  I n t hi s   s i m ul at i on,  c o ns t ant   el ec t r i c al  c ur r ent  of  500 m A   w as  app l i e d.  T he   s i m ul at i o n r e s ul t  s ho w n i F i gur e   4 r e v e al s  t h a t  t he o pt i m u m   m agnet i c  f or c e w a s  gener at e d at  t h e c oi l  w i d t h and s pac e   w i t h t he r an ge b et w e en 8 0  80 µ m  t o 100 µ m .   T hi s  opt i m u m  gener at e d el ec t r o m agnet i c  f or c e   w as  un i f or m l y  di s t r i but ed  o n t he  s ur f ac e of  p l an ar  m i c r o c oi l  as  s ho w  i n  F i g ur e   5.             F ig ur 4.  T he  S i m ul at i on R es ul t   o E l ec t r om agnet i c  F or c e   F ig ur e   5.  D i s t r i b ut i on  o f  Ma gnet i c  F l ux       F ro m  E q u at i on   ( 1) ,  i t  c an   be  es t i m at ed t h at   t he  s m al l er  t he  ar ea  r ad i us  of  t he  pl a nar   m i cr o - c oi l ,  t he  hi gher  m agnet i c   f i e l d c an b e ge ner at e d.  T her ef or e,  t he des i gn s hou l c ons i der   t he v ar i at i on bet w een  s p ac an d w i dt h of   t he  c o i l  i n or der   t o obt a i n ed opt i m al   geo m et r y .       4 .   A c tu a to r  F a b r i c a ti o n   T he i m por t ant  c om ponent s  of  el ec t r om agnet i c  m i c r o - ac t uat or  ar e t he m e m br ane,   c ham ber  and t he  e l ec t r o m agnet i c  c oi l .  I t hi s   w or k ,  t he  m i c r o - ac t uat or  m em br ane and t h e   c ham ber   i s   m ade  of   s i l i c on   m at er i al   t ha t   i s   f abr i c at ed  us i ng  s t an dar s i l i c on  pr oc es s .   H er e,   t he  s i l i c o m e m br ane  w as   f abr i c at ed  b y   a ni s ot r o pi c   et c o f   375  µ m   t hi c k   s i l i c on   w af e r   < 1 00 >   us i ng  K O H   s o l ut i on   at   75   o C   w i t c ont r o l l ab l s l o w   et c h   r at of   78   nm / m i n.   A not her   e t c hant   s ol u t i o s uc h as  H N A   i s  abl e t o c r e at e t h e c h am ber  ho w e v er  l ar ge un der  et c an d un pr e di c t ed  et c h r at w as  obs er v ed  [ 16] .   A ni s t r o pi c   et c hi ng   t ec hn i q u i s   us ed   du t t h c os t   e f f ec t i v en es s   an s i m pl i c i t y   of   t he  pr oc es s  c o m par ed t o t he  deep r eac t i v e i on  et c hi n g ( D R I E )  or  ot her s  i s t r op i c  et c hi ng.  T he   ad v ant age of   m i c r oc oi l  f abr i c at ed on t he P C B  i s  s i m pl er  t ha n f abr i c at ed m i c r oc oi l  on s i l i c o s ubs t r at e,  b ec aus i t  d o es  not  n eed m et al   dep o s i t i o n pr oc es s .  N e v er t h el e s s ,  t he s pac e   geom et r y  of  f abr i c at e m i c r oc oi l  be l l o w  t han   1 00 µ m  i s   har d  t o  ac h i e v due   t o   t he f abr i c at i o l i m i t at i o n s uc as  l o w  ph ot o l i t hogr a ph y  m as k  r es ol ut i on .   T he pr oc es s  s t ep of  s i l i c o n m e m br ane f abr i c at i o n i s  v er y  s i m pl e r eq ui r i ng  onl y   o ne   m a s k i ng  pr oc es s   ( s ee  F i g u re   5) .   F i r s t l y ,   ph ot or es i s t   A Z   462 w as   s p i c o at e o n   pl a nar   s i l i c o w af er   (a ),   U V -   ex pos ur f o r   80  s ec onds   t op en  t he  ox i de  w i n do w   and  P R   de v el o pm ent   us i ng  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             I SSN :  1 6 9 3 - 6 930   T E L KO M NI K A     V o l.   1 4 ,  N o 3 S ept em ber   201 6   :   8 56     86 6   860   1: 2 A Z  4 00 K  d i l ut i on  w i t h D I  w at er  ( b) ,  O pen i ng t he ox i d e l a y er  us i ng 10  %  B O E  f or  100  m i nut es   ( c )   and  f ol l o w   w i t h   phot or es i s t   r em ov al   us i n g   ac et on e.   T he  s i l i c on   s ubs t r at w as   t hen  ani s ot r o pi c a l l y   et c hed  us i n g K O H   et c han t  t pr od uc es  s i l i c o n c ham ber  and m em b r ane ( d) .           F ig ur 5.  M em br ane F abr i c at i o n S t ep ,   ( a)  P hot or es i s t   C oat i ng.  ( b)  Mem br ane  P at t e r ni n g,     ( c)  O xi d e  E t ch i ng,   ( d )  S il ic o n  E t c h in g         ( a)     ( b)   F ig ur e   6.  T he r es ul t  of  f abr i c at ed s i l i c o n m e m br ane an d c ham ber ,   ( a)  S E i m age of  s i l i c on  t r enc h f or  t he ac t u at or  c h am ber   af t er  ani s ot r o pi c   et c hi ng,   (b )   S E M i m age of  f abr i c at e d m em br ane hav i n g t h e t h i c k nes s  of  20 µ m           F ig ur e   7.  F a b r i c at i on  P r oc e s s  of  P l anar   C o i l,   ( a )   P ho t o r es i s t  C oat i n g.  ( b)  P hot or es i s t  P a t t er n i ng ,   ( c )  C opper  E t c hi n a nd  P h ot or es i s t  R em ov i ng       T he  f abr i c at i on   r es ul t   of   s i l i c on  m e m br ane  i s   s ho w i n   F i g ur e   6 a nd  F i g ur e   6 b.   T hes e   r es ul t s  s ho w  t hat   a s i l i c on  t hi n  m e m br ane w i t h t he  t hi c k nes s  of   appr ox i m at el y  of  20 µ m  i s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI K A     I S S N :  1 693 - 6 930       D es i gn   an F abr i c at i on of  C omp ac t  ME MS   E l ec t r o ma gnet i c   ( R o er  E k P aw i n a nt o )   861   s uc c es s f ul l y  f abr i c at ed  af t er  et c hi n g t h e s i l i c on s u bs t r a t e.  A  s i de s l op e of  abo ut  5 4 o   w i t h  s m oot h   and f l at  m e m br ane s ur f ac w er e a l s o o bs er v e d.     F ig ur e   7 s ho w s  t h e f abr i c at i on s t e p of  pl a nar  e l ec t r om agne t i c  m i c r o - c oi l .  T he pl a nar   c o il   i s  m ade of  30 µ m  c opper  m at er i al   el ec t r o pl at ed  on   P C B  s ubs t r at e.  T he pr oc e s s  s t ep of  t he  m i cr o - c oi l  f abr i c at i on  i s  s i m pl e r e qu i r i n g o nl y  1  l i t ho gr a ph y   pr oc es s .   I ni t i a l l y ,   ph ot or es i s t   A Z   462 w as   s pi c oat e ont P C B   s ur f ac t f or m   t he  c oi l   pat t er n   ( a) .   U V   l i ght   w as   t h en  ex p os ed  f or   80  s ec o nds   w h en   t he  ex pos ur ener g y   i s   25 m J / c m and  dev el ope d i n A Z  40 0k  1: 2 f or  50 s ec onds  ( b) .  F i nal l y ,   t he m i c r o - c oi l  s t r uc t ur e w as  pr oduc ed  af t er  c opper  et c hi ng pr oc es s  b y  7 0 %  F eC l 3 f or  1 hour  20  m i nut es  w i t h a n e tc hi ng  r at e of  about   0. 37 µ m / m i n t o et c h 3 0 µ m   c opper   (c ).   F ig ur e   8 s ho w s   t he  r es ul t  o f  t he c oi l  f abr i c at i on f or  t h bot h c o i l  t y pes ,   nam el y  ( a)   pl a nar   par al l e l  c i r c ul ar  m i c r o - c oi l  a nd ( b)  p l an ar  s pi r a l  m i c r o - c oi l .  ( c )  S E M of  m i c r o c oi l  t h i c k nes s .         ( a)     ( b)     (c )   F ig ur 8.  T he  F abr i c at i on R es ul t   o f  M ic r o - C oi l .  ( a)   P l an ar  P ar a l l el   C i r c ul ar  M i c r o - C oi l .  ( b)   P la n a r  S p ir a l M ic r o - C o il.  ( c )  S E M   I m age o f  Mi c r o C oi l  T hi c k nes s       T he  nex t   p ar t   of   t h m i c r o - ac t uat or   f abr i c at i on  i s   t h at t ac hm ent   of   per m anent   m agnet   on  t o   t h s i l i c on   m e m br ane  us i ng   ep ox y .   T he  per m anent   m agnet   i s   c y l i nder   t y p e   w i t h   d i am et er   and t hi c k nes s  of  3  m m  and 1. 5 m m ,  r es pec t i v e l y .     T he el ec t r om agnet i c  m i c r o - c oi l ,  s i l i c o n c ham ber  and  m e m b r ane i nc l ud i n g p er m anent   m agnet  ar e t hen f i nal l y  i nt egr at e d b y   b ond i ng a l l  m i c r o - ac t uat or  par t s  us i n g ep ox y  c om pl et i ng  t he s t r uc t ur as  s ho w n  i n  F i g ur e   9.           F ig ur e   9.  T he M i c r o - A c t ua t or   a f t er  I nt e gr at i on  o f  A ll  P a r t s       5.   R e su l t s an d  D i scu s si o n s   5. 1.   M easu r em en t  R esu l t s   F ig ur e   10  i l l us t r at es  t he  s et up f or  t h e m eas ur em ent  of  ac t uat or   per f or m anc es .  T he   m eas ur e m ent  s y s t em  c ons i s t s  of  K e y e nc e LC - 24 00 d i s pl ac em ent  m et er  w i t h t he  l as er  pr ob e,   m eas ur e m ent  s t age an d p o w er  s upp l y .     F ig ur 11 a nd  F i g ur e   1 s ho w   t h d i s pl ac em ent   of   t he  m e m br ane at   t he  c e nt e r  w h en   D C  c ur r ent s  ar e appl i ed t o t he bot h m i c r o - c oi l  t y p e s .  I t  i s  c l ear l y  s h o w n t h at  t he 20 µ m  t hi n   s i l i c o n m e m br ane c an r eac h i t s  m ax i m u m  def l ec t i on  af t er  40 s ec onds .   T hi s  i s  bec au s e of  t he   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             I SSN :  1 6 9 3 - 6 930   T E L KO M NI K A     V o l.   1 4 ,  N o 3 S ept em ber   201 6   :   8 56     86 6   862   r el ax at i on  t i m c har ac t er i s t i c   of   s i l i c on  m e m br ane  t a dj us t   t he  p l as t i c   d ef or m at i o c apab i l i t y   of   t he m at er i al  f or  bend i n g.   I t  i s  a l s obs er v ed  t hat  af t er  40 s ec ,  t he  m e m br ane di s pl ac em ent  dec r eas es  s l i ght l y   w hi c i s   du t o   t he   he at   ef f ec t   of   t h c o i l s   r ed uc i n t h ge ner at i on   of   el ec t r om ag net i c   f i e l and  t he  ef f i c i enc y  of   t he ener g y  t r ans f er .         ( a)     ( b)     F ig ur 10.  ( a)  T he  S c hem at i c  o t he  S et  U p f or   t he  Mea s ur em ent  o f  Me m br ane D i s pl ac em ent ,  ( B )   P hot ogr a ph y   o t he  Me as ur em ent  S y s t em         ( a)     ( b)     (c )     ( d)   F i gur 11.   R el at i ons h i bet w een  def or m at i on t i m e and  m eas ur ed  m i c r o - ac t uat or   di s pl ac em ent  of  pl an ar  par al l el  c i r c ul ar  m i c r o c oi l   at   v a r i ous  ap pl i e d i nput  c ur r ent .   ( a)  c oi l   w i t w = 10 0 µ m ,  s = 150 µ m .   ( b)  c oi l  2  w i t w = 20 0 µ m ,  s = 10 0 µ m .   ( c )  c oi l  3  w i t w =  1 50  µ m ,  s = 100 µ m .  ( d)  c oi l   w i t w =  10 0 µ m ,  s =  100 µ m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI K A     I S S N :  1 693 - 6 930       D es i gn   an F abr i c at i on of  C omp ac t  ME MS   E l ec t r o ma gnet i c   ( R o er  E k P aw i n a nt o )   863     ( a)     ( b)     (c )     ( d)   F i gur e   12.  R el at i ons h i bet w een  D ef or m at i on T i m e a n d Me as ur ed  Mi c r o - A c t u at or   D i s pl ac em ent   of  P l an ar  S pi r al  M i c r o - C o i l a t  V ar i o us  A p pl i ed I npu t  C ur r en t .  ( a)   c oi l  1 w i t w = 1 00 µ m ,  s = 150 µ m .  ( b)   c oi l  2  w i t w = 200 µ m ,  s = 10 0  µ m ,   ( c )  c o il 3   w i t h w =  150  µ m ,   s = 100  µ m ,   ( d)  c oi l  4  w i t w =  1 00 µ m ,  s =  100 µ m         ( a)     ( b)   F ig ur e   13.  T he G e om et r i c  La y o ut  D es i gn  Mo de l ,  ( a)  2D  A x i s y m m et r i c ,  ( b)  3D   M ode l       I F i g ur 1 2d  i t   i s   s ho w n   t hat   m i c r o - ac t uat or   w i t pl a nar   s pi r a l   m i c r o - c oi l   ( w i dt h=   100   µ m   and  s pac e=   10 µ m )   p r oduc es   m ax i m u m   m e m b r ane  di s p l ac em ent   of   appr ox i m at el y   10. 1   µ m  f or  an i npu t  c ur r ent   of  500 m A ,  w hi c i s  t h e h i gh es t  def l ec t i on am ong a l l  t y p e s .  T hi s  i s  due t t he bet t er  c ur r ent  di s t r i but i o n al o ng t he m i c r o - c oi l  and  m or e e f f i c i ent  m agnet i c  f i el d gener at i on at   t he c o i l  c e nt er .     O t he  ot her   ha nd  t h m i c r o - ac t uat or   w i t pl anar   par al l e l   c oi l   ac hi ev ed  m ax i m u m   m e m b r ane di s p l ac em ent  of  appr ox i m at el y   2. 7 5 µ m ,  w hi c h i s  a l m os t  3 t i m es  l ow e r  t hat  of  pl an ar   s pi r al  c o i l  t y p e ( s ee F i g ur 11d) .   I t   i s   al s s ho w i F i g ur 1 t hat   t h f abr i c at ed  m i c r o - ac t uat or   w i t p l an ar   s pi r al   m i c r o - c oi l  t y pes  c an  ac hi ev e di s pl ac em ent  he i gh t   w i t hi t h e r ange  of  4 t o 13 µ m  f or   i npu t  c ur r ent   bet w e en  200 m A  t 1A .   T o v al i dat e t h e an al y s i s ,  t he m eas ur e m ent  r es ul t s  a r e c om par ed w i t h t he s i m ul at i o n.   T w o di m ens i on m odel  of   C O MS O L ( 2D  ax i s y m m et r i c )  s i m ul at i on  w as  us ed .  Mean w h i l e ,  3D   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             I SSN :  1 6 9 3 - 6 930   T E L KO M NI K A     V o l.   1 4 ,  N o 3 S ept em ber   201 6   :   8 56     86 6   864   m odel   us ed  f or   di s pl ac em e nt   s i m ul at i on  as   s ho w   i F i g ur e   13  an t he  s ol i m ec han i c s   m odul e   w as   al s o   ap pl i ed .   T he  m i c r o - c oi l   geom et r y   a nd  ot h er s   m i c r ac t uat or   par am et er   w er v ar i ed  as   s ho w T abl e 2.  F ur t ehr m or e,  a i r  m edi um  par a m et er  i s  us ed f or  t he  bou ndar y  c on d i t i on.       T abl e 2.   Mi c r A c t uat or  P ar am et er s     S a m pl e t y pe   Mi c r o - c o il 1   Mi c r o - c o il  2   Mi c r o - c o il 3   Mi c r o - c o il 4   M i c r o c oi l   W i dt h  ( µ m )   100   200   150   100   S pac e ( µ m )   150   100   100   100   T hi c k nes s  ( µ m )   30   30   30   30   I nner   di a m et er  ( m m )   2. 5   2. 5   2. 5   2. 5   T u rn   5   5   5   5   M at er i al   C opper   C opper   C opper   C opper   M em br ane   M at er i al   S ili c o n   W i dt h   6 m m   T hi c k nes s   20 µ m   F o rm   S quar e   P er m anent   m agne t   D i am e t er   1. 5875 m m   T hi c k nes s   0. 3429 m m   F o rm   Di s c       T he  m eas ur em ent  r es ul t s  ar e s um m ar i z e d i T abl e   3.  I t   i s  s ho w n t h at  t he s i m ul at ed  m e m b r ane  def l ec t i on   i s   h i g her   t h an  t hat   of   m eas ur e m ent   f or   al l   c o i l   c onf i gur a t i o n s   w h i c i s   du t o t he  i de al  s i m ul at i on c o ndi t i o n.  O n t he  ot her  h an d,  t her e ar e s ev er al  l os t  i n m eas ur e m ent   pr oc es s  s uc h as  r es i s t anc es  of  t he   w i r es ,  G aus s  m et er  a nd  po w er  s up pl y  t ha t  af f ec t  t o t h po w er   e f f i c i enc y   de l i v er e t t he  c oi l s .   H o w e v er   i t   c an  be  s een  t ha t   r eas ona bl m at c bet w e en   s i m ul at i on  and  m eas ur e m ent  of  abo ut  m ax i m u m  82. %  w as  obt ai ned .       T abl e 3.  C om par i s on be t w e en  M eas ur em ent  an d S i m ul at i o n R es u l t s  o f  Mem br ane  D ef l ec t i o f or  0. 5 A  I npu t   C ur r en t         S a m pl T yp e   T y pe  of  m i c r o - c oi l   P l anar  par al l el   m i c ro - c oi l   P l anar  s p i r al     m i c ro - c oi l   M eas ur ed    D i s pl ac e m ent  ( µ m )   S i m ul a t ed   D i s pl ac e m ent  ( µ m )   M eas ur ed D i s pl ac e m ent   ( µm )   S i m ul a t ed   D i s pl ac e m ent  ( µ m )   C o il 1   1. 37   1. 66   9. 55   9. 63     C o il 2   0. 35   0. 358   8. 82   8. 91   C o il 3   1. 3   1. 39   9. 39   9. 46   C o il 4   2. 78   3. 46   9. 978   10. 13       5. 2.  D yn am i R e sp o n se T est   F ig ur e   1 4 s ho w s  t h e d y n a m i c  r es pons e of  t he m i c r o - ac t uat or  f or  t he f unc t i on al i t y  t es t   pur pos e.  A n a ppl i e d c ur r en t  of  500  m A   at  p l an ar  par al l el  c i r c u l ar  m i c r o - c oi l  ( 1)   w a s  i nt er m i t t ent l y   t ur ned  O N  a nd O F F   w i t h i n   a per i od  of  abo ut   50 s ec o n ds .  F or  t h e O N  s t a t e c o ndi t i on,   i t   i s  s ho w t hat   t h m e m br ane  i s   abl t def or m   e f f ec t i v e l y   w i t h i 40  s ec onds   w i t t he  m ax i m um   def l ec t i on  of   1 . µ m   f or   onl y   15 m W   el ec t r i c al   po w er   c ons um pt i o ( s ee  al s F i g ur e   1 0a) .   W hi l at   O F F   s t at c ond i t i on,   i t   c an  be  s een  t h at   t he  m e m br ane  c annot   r et ur t i t s   s t ar t i ng  p os i t i on,   w h i c i s   due  t t he  l ac k  on m em b r ane  el as t i c i t y   af t er  def or m at i on an l os s  of  e l ec t r o m agnet i c  f or c e   henc e r e qu i r i n g m or e t i m e t o r el e as i t s  s ur f ac e s t r es s   A l t hou gh t h e pl a nar  s pi r a l  m i c r o - c oi l  r es ul t e d i n b et t e r   m agnet i c  pr oper t i es  an d hi g her   def l ec t i o n c apa bi l i t y  t ha n pl a nar  par a l l el  c i r c ul ar   m i c r o - c oi l ,  i t  s ho ul d be c ons i der ed t h a t th e   f abr i c at i o pr oc es s   of   t he   pl a nar  p ar al l e l  c i r c ul ar  m i c r o - c oi l   i s  s i m pl er  t h an  t he s pi r al   on e as   i t   does  no t  r equ i r e i nt er c on nec t i o n be t w ee n i nner  c o i l  and o ut p ut  pa ds .  O t her   adv ant ages  of   pl a nar  par a l l el  c i r c ul ar  m i c r o - c oi l  t y p e ar e t h at  i t   d oes  not   n eed  w i r e bo nd i n g pr oc es s  f o r   c onnec t i on,   s ac r i f i c i al  l a y er   or   i ns u l at i on   l a y er   t pr e v e nt   s h or t   c i r c ui t   bet w e en   t he   i nt er c on nec t i on  and  c oi l  s t r uc t ur e.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI K A     I S S N :  1 693 - 6 930       D es i gn   an F abr i c at i on of  C omp ac t  ME MS   E l ec t r o ma gnet i c   ( R o er  E k P aw i n a nt o )   865     F ig ur 14.  D y n am i c   R es po ns e of  F abr i c at ed  Mi c r o - A c t uat or  f or  I nt er m i t t ent  E l ec t r i c i t y  I npu t  of   0. 5 A   at   P l an ar  P ar al l el  C i r c ul ar  M i c r o - C oi l   1       4 .  C o n c l u s i o n   T he s i l i c on bas e d el ec t r om agne t i c  m i c r o - ac t uat or  us i n g pl a nar  m i c r o - c oi l  on P C B  has   been  s uc c es s f ul l y  f abr i c a t e d an d t es t ed.  T w o t y p es  of   pl a nar  m i c r o - c oi l  i nc l u di n v ar i at i on  of  c oi l   geom et r y   w er c hos en  f or   t he  i n v es t i gat i o n.   T he  r es ul t s   s how e t hat   r el i ab l e l ec t r om agnet i c   m i cr o - ac t uat or   c an  b des i gned  and  f abr i c at ed  us i n s i m pl and  c he ap  M E M S   p r oc es s .   I t   w as   al s o s ho w n t h at  pl anar   m i c r o - c oi l s  ar e abl e t o p r oduc e an opt i m u m  S i l i c on m e m br ane   di s pl ac em ent   of   ap pr ox i m at el y   1 2. 87   µ m .   R eas onab l e   m at c bet w een   s i m ul at i on   an d   m eas ur e m ent  of  about   82. 5 %  has  b een  a l s o r e v ea l ed .   I t   w as  a l s o c o nc l ud ed  t hat   pl a nar  p ar al l e l   c i r c ul ar  c o i l  i s   abl e t def or m  t he s i l i c on m em br ane ef f ec t i v el y   w i t hi n 4 0 s ec onds   w i th  th e   m a x i m u m  def l ec t i on  of  2. 7 5 µ m   f or  onl y   20 0 mW   el ec t r i c al  p o w er  c ons um pt i on .  T hi s   ac t uat or   t y p e i s  c ons i der ed f or  t he s i m pl e s t r uc t ur e w i t h e as y  f abr i c at i on t h at   w i l l  be nef i t  t h e de v e l opm ent   of  c o m pac t   m i c r opum p i nt egr at ed i n La b on C h i p.   P r o v i de a  s t at em ent  t hat  w hat  i s  ex pec t ed,  as   s t at ed  i n  t he  " I nt r od uc t i o n"   c hapt er  c a n u l t i m at el y  r es u l t  i " R es u l t s  a nd D i s c us s i o n"  c h apt er ,  s t her i s  c om pat i bi l i t y .   Mor eov er ,  i t  c an a l s o b e a dd ed t h e pr os p ec t  of  t he  d ev e l o pm ent  o f   r es ear c r es ul t s   an ap pl i c at i o pr os pec t s   of   f ur t her   s t udi es   i nt t he  nex t   ( bas e d   on  r es ul t   and  di s c us s i on) .       A c k n o w l e d g e m e n t s   T he aut h or s  ac k now l ed ge  t he f i n anc i a l  s u ppor t  f r o m  U ni v er s i t i   K eb angs a an  Ma l a y s i a f or   s uppor t i ng t hi s   pr oj ec t  un d er  E R G S  gr an t  no .  E R G S / 1 / 201 3/ T K 02/ U K M/ 02/ 3.       R ef er en ces   [1   X   Lv ,   W   W e i ,   X   M ao,   Y   C hen,   J   Y ang,   F   Y ang .   A   n ov el   M E M S   el ec t r om a gnet i c   a c t uat or   w i t l ar g e   di s p l a c em ent .   S ens or s  A c t u at or  A :  P h y s i c al .   20 15 ;   221 22 - 28.   [2   J   S ut ant o,   P J   H es k et h,   Y H   B e r t hel o t .   S t at i c   and  dy na m i c   r e s pon s e s   of   an  el ec t r om a gnet i c   bi s t abl e bi di r ec t i ona l   m i c r oa c t ua t or   on   s i n gl e   s i l i c on   s u bs t r at e Se ns or s   and  A c t uat or s  A :  P h y s i c al .   200 6 ;   132 70 1 - 7 13.   [3   H L Y i n,  Y C   H uang,  W   F a ng ,   J   H s i eh .   A  nov el  e l e c t r o m agn et i c  e l a s t o m er  m em br ane a c t uat or   w i t a   s e mi - em bed ded c oi l .   S e ns or s  and  A c t uat o rs  A:  Ph y s i c a l .   2 007 ;   139 :   1 94 20 2.   [4   J   N i ,  B   W a ng,  S  C han g,  Q  Li n .   A n i nt eg r at e d pl an ar  m agne t i c   m i c r opu m p .   M i c r o e l ec t r onic   engi n eer i ng .   2014 ;  11 7:  3 5 - 40.   [5   J  J oha r i ,  J  Y unas ,  A A   H am z a h,  B Y   M a jlis .   P i ez oe l e c t r i c  m i c r opum p w i t h nanol i t er  per  m i n ut e   fl o w  fo r   dr ug d el i v er y  s y s t em s .   S a i ns  M al ay s i an a .   2 011 40( 3) :   275 - 281.   [6   A N i s a r,  N   A f z ul p ur k ar ,  B  M ahai s av ar i y a,  A   T uan t r ano nt .   ME MS - bas ed  m i c r op um p s   i dr ug  de l i v e r and b i om edi c al  app l i c at i on s .   S ens or s  a nd A c t uat or s  B .   20 08 130 :   917 942.   [7   G et pr e ec har s aw as ,  I   P u c hade s ,  B   H o ur nb uc k l e,  L  F ul l er ,  R   P e ar s o n,   S  Ly s h ev s k i .   An   E l ec t r om agnet i c  M E M S  A c t uat or  f or  M i c r opum p s ,  P r o c eed i ngs  o f  t he  2nd I nt er n at i onal   C onf er e n c e   on P er s pe c t i v e T ec h nol o gi e s   a nd M et hods   i n M E M S  D es i gn ,  2006 ,   ME MS T E C H .   2006 :   11 - 14.   [8   J   Y unas ,   B Y   M a jlis .   C o m par a t i v s t udy   of  s t a c k  i nt er w i nd i ng m i c r o - t r an s f or m er s   on   s i l i c on  m ono l i t h i c M i c r oel ec t r oni c s  J our nal .   200 8 39 :   1 564 156 7.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.