Surface tension driven fabrication of three-dimensional microstructures

Author: J Date: 28  Versie: 3.

M.Sc. The  

Group:  T Committe Ing J.W. B Referenc Period: N

S URFA

anarthanan S august 2010  .0 

esis University

Transducer Sc ee:  Prof.Dr.ir Berenschot, D

e: 

Nov. 2009 – au

ACE TE

undaram 

y of Twente 

cience and Tec r.  M.  Elwens Dr. J. Snoeijer. 

ugust 2010 

NSION  DI

chnology Gro spoek,  Dr.ir. 

DRIVEN IMENSI

up 

L.  Abelmann

N FABRI ONAL M

n,  Dr.ir.  N.R. 

CATION MICROS

Tas,  Dr.ir.  J

N OF TH STRUCT

J.W.  van  Ho

HREE ‐

TURES

onschoten,  

T ABLE OF CONTENT  

1   Introduction... 3  

1.1   motivation ... 3  

1.2   Outline of this project ... 4  

2   Theory ... 5  

2.1   Capillary forces ... 5  

2.1.1   Folding with capillary forces ... 6  

2.1.2   Effects of different contact angles ... 12  

2.1.3   Varying the structural dimension ... 14  

3   Folding templates ... 15  

3.1   Method ... 15  

3.1.1   Design of the templates ... 15  

3.1.2   Cleanroom processes ... 17  

3.1.3   Experimental setup ... 18  

3.2   Results ... 19  

3.2.1   First results folding structures with more the 2 flaps. ... 19  

3.2.2   Results of folding of prism ... 19  

4   Folding with different contact angle ... 22  

4.1   method ... 22  

4.1.1   white light measurement using lateral scanning interferometry ... 22  

4.2   Results ... 24  

5   Varying design of the prisms ... 25  

5.1   Problem definition ... 25  

5.1.1   Torsion in folding ... 25  

5.1.2   Folding without symmetry ... 26  

5.1.3   Varying contact area ... 28  

5.1.4   Lifting objects out of the plane ... 28  

5.2   Results ... 29  

5.2.1   Torsion in folding ... 30  

5.2.2   Folding without symmetry ... 30  

5.2.3   Varying contact area ... 32  

5.2.4   Lifting objects out of the plane ... 34  

6   Conclusion ... 36  

6.1   Recommendation ... 37  

7   Bibliography ... 38  

Surface te  

1 I NT

1.1 ^M

The inven compute has  more transistor single sili A process technolog scale of t mobile  p same tec the figure will be dr

FIGURE 1 S IN SIZE FRO

In this re nitride lik folding m of water  We  all  kn surface te an silicon  

ension driven

TRODUCTI

MOTIVATION ntion of the t r. Even more, e  capacity  tha

r, but also by  con chip. This s technology i gy  creates  sm these mechan hones,  which chnology as co

e. This planar ramatically inc

SCANNING ELECT OM 0.5 MM TO 1 

eport we will d ke the ancient method has to  drops to fold  now  the  smal ension of the  n nitride temp

 fabrication o

ON  

transistor led   everyone can an  a  supercom

the invention s technology is is Micro Elect mall  mechanic nical devices. 

h  react  to  mo omputer chip r disposition o creased if the

TRON MICROSCO MM

.

discuss a met t Japanese tec be as such th the structure ll  insects  that water. This sa plate into a str

of three‐dimen to a revoluti n have a comp mputer  of  the n of the whole s now mature

ro Mechanica cal  systems  w These system vement,  or  h s, all the com of the structu re was a way 

OPE IMAGE OF A 

thod to create chnique called hat a small str

s. This is beca t  walk  on  the ame force can ructure like a p

nsional micros on which ma puter in his po e  70’s.  This  a e process that e and is being  al Systems, als which  interact ms are used in

have  a  compa mponents lay 

ures limits the to create ME

SPIDER MITE ON

e three dime d origami. The ructure can be ause capillary  e  water,  this  i n be used to fo

pyramid.  

structures de possible t ocket nowada all  was  possib t was needed used to deve so called MEM

  electrically. 

n sensors and ss  function.  T planar on the e possibilities  MS devices th

N A POLYSILICON

nsional struct e structures a e folded. The  forces becom s  possible  du old structures

hat almost ev ays, the conte ble  not  only  b  to make mill lop new types MS. As the na

Figure  1  gives can also be f These  structu e surface. Also

of this techn hat stood up fr

N MEMS GEAR‐T

tures by foldin re of course o method we u me dominant a e  the  capillar s. One single d

very househo emporary mob by  the  inventi lions of transi s of technolog me already im s  an  impressi found in cont ures  are  made o this can bee nology. The po rom the surfa

TRAIN. SPIDER M

ng flat pieces on a micro sca use is the capi at smaller scal ry  force  also  drop is enoug

Page 3  ld owns a  bile phone  ion  of  the  stors on a  gies. 

mplies this  ion  of  the  temporary  e  with  the  en seen in  ossibilities  ace. 

MITES RANGE 

s of silicon  ale, so the  llary force  es. 

called  the 

h to fold a 

1.2 O UTLINE OF THIS PROJECT  

In this project we are going to fold a template made in silicon nitride using standard IC technology and fold this  into three dimensional structures. Folding will be done by using the capillary forces of water drops. At first we  will determine the theoretical forces working on these structures when a drop of water is placed on them, and  assess whether these structures can be made to fold. And if they fold, will these structures stay folded? We will  determine  the  folding  rate  and  how  different  surface  parameters  will  influence  this  rate.  The  structures  and  theoretical model are already created and determined.  

The  folding  of  the  structures  led  to  new  effects  which  we  will  investigate  experimentally.  Effects  that  posed  new  questions  were  that  of  the  structures  stayed  folded  after  folding  and  that  the  structures  kept  folding  seamlessly  every  single  time.  We  will  look  at  the  stiffness  of  hinges,  the  geometry,  the  manner  in  which  we  dispense water and the surface characteristics of the structures. Getting a clear picture of the forces that play  role. 

All these experiments will give enough data to give an understanding on the folding of silicon nitride structures. 

In addition to all this we will try to lift the logo of the university out of the plane, and try dispense a drop of  water through a channel, instead of dispensing water off hollow fiber used in the experiments  

We will discuss the created model of folding in chapter 2. In this chapter the theory behind capillary folding and  how  this  force  can  be  harnessed    for  folding  structures.  The  setup  and  the  method  how  we  did  these  experiments are elaborated in chapter 3.1. Different experiments are spread out over different chapters and  have  sub  results.  This  is  the  chronological  order  in  which  the  experiments  were  done.  Results  of  the  Simple  folding experiments can be found in chapter3.2, experiments with variation of the structure parameters can be  found in chapters 4.2 and 5.2. This is followed by an overall conclusion and recommendations. 

Surface te

2 T H

2.1 C A The  force capillarie regardles everywhe water str that wet  with a for This all ca the same in the flu their sha minimiza

FIGURE 2 LI

Every liqu where th liquid air  give an a factor. Th example  walk on w inner wal

ension driven

HEORY  

APILLARY FO e  we  use  to 

s. When thes ss  of  gravity.

ere in their sy riders to walk glasses stick t rce of 10N, so an be explain e liquid. Molec uid as illustrat

pes to minim tion of the int

IQUID AIR INTER

uid is specific  he liquid react

interface. The ngle to the sh hese forces be of this scaling water. Or if w ll of the straw

Air 

Liquid 

 fabrication o ORCES  

fold  structure e tubes are p   This  phenom stem. But the k on water. Sa

to flat surface o hold a glass p ed by the fac cules on the s ted in Figure  mize the expos

terface manif

FACE, TOP MOLE

how it reacts  ts to the solid ese interface  hape of the dr ecome domin g is a small in we would look w, and if we loo

of three‐dimen es  is  the  sam placed in a bat menon  is  use e same force c

ame force is r es. A drop of w

plate of 1 kg  ct that molecu surface will ha 2. This is an  sed surface. T

ests in formin

ECULE IS NOT HA

to the solid s d is called to s

forces depen roplet on a so ant when we  nsect that can k at a straw w ok at a shorel

nsional micros me  force  that 

th of water, t ed  by  plants can be witness

responsible fo water with a 

ules in liquids  ave half less m unfavorable e The exposed s ng of droplets.

APPY BECAUSE IT 

surfaces. This  solid liquid in d on the liqui lid plane. This scale down, a n walk on wat with water we ine we will no

structures can  be  seen the water will   to  get  wate sed as surface or sticky hair 

radius of 1 cm

want to be s molecules surr energy state. 

surface is also . 

IS NOT SURROU

has a lot to do terface, and  id. A contact a s angle relates and thus beco ter using surfa will see that  ot see this effe

in  really  nar tend to flow  er  with  nutri e tension, this when coming m can hold tw

urrounded by rounding them

This is the re o called the li

NDED BY SAME K

o with surface how the liqui angle measure

s directly to th ome favorable ace tension, b the water sta ect. As shown

rrow  tubes,  a  into the tube ients  from  th s phenomena 

g out of the s wo glass plates

y other molec m than other  eason that flu

iquid air inter

KIND OF MOLEC

e tension. The d reacts to ai ement of the  he solid liquid e In this appli but an elepha ands higher a n in Figure 3. 

Page 5  also  called  e upwards  he  soil  to  is used by  shower or  s together 

cules from  molecules  uids adjust  rface. This 

ULES 

e interface 

ir is called 

liquid will 

d interface 

cation. An 

ant cannot 

gainst the 

FIGURE 3 DIFFERENCE BETWEEN WATER IN A TUBE AND LARGE WATER BODIES. THERE IS A CLEAR EFFECT ON THE EDGE OF THE TUBE  BUT THERE NONE ON THE EDGE OF A SHORELINE 

When drop is placed on a surface the drop can form a thin film or become a drop. This depends on the surface  and liquid characteristics. This is quantified by the contact angle θ

.  

When a drop tends to become a thin film on a surface we call this fully wetting. When considering water it will  fully wet a SiN surface. This is the material our templates are made of. Other liquids will react differently to this  surface and may form a droplet. In this case the contact angle of the drop with the surface can be measured by  viewing the drop. 

2.1.1 F OLDING WITH CAPILLARY FORCES  

It  was  proven  recently  (2)  that  when  a  drop  of  water  is  put  on  a  thin  sheet  of  polymer,  the  polymer  would  spontaneously wrap. This is due to that the drop will try to minimize the water air interface, the capillary force  will  fold  the  polymer  sheet  as  shown  in  Figure  4.  As  you  can  see  in  the  figure  the  sheet  of  plastic  is  on  a  millimeter scale. After folding the water will totally evaporate. As already explained in the previous chapter this  effect should become larger when we scale down to micrometers. 

Water between shorelines Water in a vertically 

placed capillary 

millimeters 

meters 

Surface te

FIGURE 4 W FOLDING O

There  wa solder. Pl (3). This w hinges. F using wat By using  in Figure  productio the  prod object as most righ same size

ension driven

WRAPPING  OF D ON A MILIMETER 

as  a  demons lacing solid so was scaled do or folding it w ter. 

water on tem 5(a) to (d). T on by convent uction  proces s shown in Fig ht top templat e, namely 50µ

 fabrication o

ROP  OF WATER  SCALE. 

tration  of  as older on the h own to scale o would be gre

mplates the TS The design of  tional lithogra sses  can  be  f gure 5(b). The

te results in th µm. 

of three‐dimen

WITH SQUARE A

sembling  mil hinges and me of 100nm. Pro at if we could

ST group alrea the template aphic process found  in  chap e top center t he cube as sh

nsional micros

AND TRIANGULA

limeter  sized elting the sold oblem with th d combine th

ady folded var es are shown  es, and there pter  3.1.  Fold template resu own in Figure

structures

R SHEETS OF PDM

  structures  u der made the his technique  e scale of the

rious structure in Figure 5(a efore it is desi ing  the  long  ults in the sha e 5 (d). The bla

MS (POLYDIMETH

using  capillary e structures st is that the so e last techniq

es (4) with the ). These temp gned in plana structure  res pe as shown  ack bar in the

HYLSILOXANE ) E

y  effects  usin tand up from  older will be l que and the b

e use of wate plates are des ar manner. M sults  in  a  pris in Figure 5 (c ese figures are

Page 7 

EXAMPLE OF 

ng  molten  the plane  eft on the  benefits of 

er. As seen 

signed for 

ore about 

m  shaped 

c) and the 

e all of the 

FIGURE 5 (A ZOOM IN O

The  prism made. Be just take  and the v figure the thickness and then transition different  shown in  We will m structure progressi model wh angle tha circle. Th the hinge

A) DESIGN TEMP ON THE HINGES (D

m  structure  is ecause a prism

the front view volume of wa e flaps are be s. Structures c  opens, or the ns  are  shown

angles and t  Figure 9 is sh make the follo e  is  fully  wett ion of folding  here we again at flaps make 

e angle of thi e, t is the thick

PLATES (B) FOLDE D) 

s  specially  de m structure is  w. By doing th

ter on the str nt slightly. Th can behave in e hinges are l n  in  figure  8 

he water men hown in Figure owing assump

ting  and  the  we need to d n take the fro when folding s piece of this kness of the h

ED PRISM (C) OP

signed  to  ver much longer  his simplificat ructure. A fron

e hinge is dep two manners loose enough

and  Figure  9 niscus is show e 5 (b). An arti

tions, the edg drop  covers  t define the follo ont view of a p g. The curvatu

s circle is θ. F inge; if we tak

EN AND FOLDED

rify  the  two  d than that it is tion the variab

nt view of the picted as a th s, either the h

 so that the s 9.  In  these  fig wn as a thin l ist impression ges of the dro the  whole  su owing dimens prism to simp ure of the men Figure 6 shows ke l

 as a part 

D HALF A DODECA

dimensional  t s wide, we can

bles we can d e template of inner line, l

 i hinges are too structure can  gures  the  flap

line. The end  n of the folded oplet is pinned urface  of  the 

sions as show plify the mode

niscus on the  s the bending of a circle the

AEDER (C) FOLDE

heoretical  mo n neglect long

istinguish are a prism is sh s the length o o stiff and the fold complete ps  are  shown

result of the  d prism is show d down on the

structure.  To wn in Figure 10 el. W is the w

structure can g of a hinge, w en R is the rad

ED AND OPENED

odel  the  grou gitudinal dime e the angles o

own in Figure of the hinge a e structure fol ely. These tw n  schematical  folding prog wn in Figure 7 e edges of the o  form  a  mod 0. This figure s width of the fla n be seen as a where l

 is the dius of this cir

D CUBE WITH 

up  already  ension and  f the flaps  e 6, in this  nd t is the  ds al little  o types of  ly  making  ression as  7. 

e flap. The 

del  of  the 

shows the 

aps, φ the 

a part of a 

e length of 

rcle. 

Surface te

FIGURE 6 B

FIGURE 7 A

ension driven

ENDING A THE H

ARTISTS IMPRESS

 R

 fabrication o

HINGE, WHERE l0 

ION OF A FOLDE

 t l

of three‐dimen  

IS THE LENGTH O

D PRISM 

nsional micros

OF THE HINGE, T

structures

THE THICKNESS A

AND φ THE ANGGLE THAT THE HIN

Page 9   

NGE MAKES  

  figure 8 schematic overview of the front view of a prism while Folding and opening progresses 

  Figure 9 schematic overview of the front view of a prism while Folding progresses 

Surface te

FIGURE 10  THE MENIS THE MENIS

A  droplet bending t interface  the bend results in written a

Where  volume  a with:

FIGURE 11 

If we min how the 

w 

ension driven

THE VARIABLES  SCUS AS A PART O

CUS WHEN ENOU

t  placed  on  t the flaps. The of the drople ding stiffness. 

 a bending en

s

 is the and  in  our  sim

PHASE DIAGRAM

nimize the ene equilibrium a

w 

θ 

 fabrication o

FOR THE MODEL OF A CIRCLE THE UGH WATER IS E

the  surface  w e total energy

et. The bendin E is the Youn nergy per unit

. If we n

 balance betw mplification  th

M OF THE EVOLUT

ergy   in resp angle change  φ  w

of three‐dimen

L, w IS THE WIDT N θ IS THE ANGL VAPORATED AN

will  tend  to  m of the system ng energy of  ng’s modulus  t length as:

normalize this 

ween mechan he  surface  S  a

sin 2

TION OF EQUILIB

ect to   resu depends on t

w

nsional micros

TH OF A FLAP, φ LE OF THE TIP OF D THE STRUCTUR

minimize  the  m consists of  a curved plat and υ the Po

. Th  per unit leng

nical bending f as  constant,  t

 and 

BRIUM STATES A

lting in an equ the stiffness p

w θ

structures

φ IS THE ANGLE T F THIS PART. RIGH

RE DID NOT FOLD

liquid  air  inte the elastic en e can be writ oisson’s ratio. 

he surface ene

th: 

forces and ca the  relation  o

 is the norm

S FUNCTION OF V

uilibrium angl parameter . 

φ w

THAT THE FLAP T HT FIGURE SHOW D COMPLETELY 

erface  and  de nergy in the h

ten as   and Bending the  ergy of the liq

pillary forces.

of  the  angles  malized cross s

VOLUME  

e of  . As w For a certain 

TAKES, WHEN CO WS THE CONCAV

eform  the  str inges and the d where 

flaps over th uid air interfa

. When taking    and   can  section.

we can see in  stiffness of t

Page 11 

ONSIDERING. 

E SHAPE OF. 

ructure  by  e liquid‐air   is  he angle φ  ace can be 

g the total  be  found 

Figure 11, 

the hinges 

the  flaps  bend  due  to  evaporation  of  the  droplet  to  a  certain  angle  and  then  open  again  after  attaining  the  equilibrium  angle   ,  this  is  shown  in  Figure  11  as  the  line  where  .  For  a  certain  lesser  stiffness  the  flaps fold completely into a prism. The  in this case is reached when completely folded. This is depicted as  the  line .  The  stiffness   is  the threshold  stiffness  value  where  we  get the  transition  from  folding  and  opening into folding completely. For angles    smaller then 2 3  the flaps will not close completely and will  open  again  after  reaching  this  angle.  At  the  angle  = ² 3  the  flaps  close  completely  this  corresponds  to √3.  Reducing   any  further  will  result  in  a    not  larger  than  1.39  rad,  leading  to  a  discontinuous  transition in the diagram. This means that the structure will abruptly reopen again. 

In Figure 11 we see that for   the interface shape transitions from a convex in to a concave shape. On the  transition point the angle of the interface will be zero ( 0), from this we can find  .   has a minimum for 

= ² 3  and this results in  √3. Note that there is a gap between after that  = ² 3 . According to  this model after the gap the structure should fold open. 

2.1.2 E FFECTS OF DIFFERENT CONTACT ANGLES  

Previous experiments we used the fully wetting surfaces. This means that the contact angle of the water with  the surface of the structures is pinned down at the edges and the angle that the water makes with the edge is  totally dependent on the volume of water.  

For not fully wetting surface the curvature of the meniscus is dependent on the contact angle this is shown in  Figure  12.  Looking  at  this  figure  one  might  observe  that  there  is  an  dependency  between  θ  and  θ

.  This  dependence  is  clearly  illustrated  in  Figure  13.  We  can  deduce  from  this  figure  that  α=180

‐90

‐φ‐½  θ  and  α=90

‐θ

, this results in ½ θ=θ

 – φ. Substituting this in the energy function formulated in the previous chapter 

will  result  in 

.  This  means  that  now  the  energy  is  not  dependent  on  θ  but  dependent on θ

.  

FIGURE  12  SCHEMATIC  OVERVIEW  OF  THE  MODEL  AND  VARIABLES  WHEN  THE  LIQUID  IS  NOT  FULLY  WETTING  .  θC  IS  THE  CONTACT  ANGLE, W IS THE WIDTH OF A FLAP, φ IS THE ANGLE THAT THE FLAP TAKES, WHEN CONSIDERING THE MENISCUS AS A PART OF A CIRCLE  THEN θ IS THE ANGLE OF THE TIP OF THIS PART. RIGHT FIGURE SHOWS THE CONCAVE SHAPE OF THE MENISCUS WHEN ENOUGH WATER  IS EVAPORATED AND THE STRUCTURE DID NOT FOLD COMPLETELY. 

w φ w  w 

θ 

w φ w w

θ

θ

θ

Surface te It was alr fixed con the maxim then see  previous 

FIGURE 13 

FIGURE 14 

ension driven ready proven  ntact angle it  mum point of

how this ma model the qu

HOW CONTACT A

MAXIMUM EQU

φ

φ

 fabrication o that folding s is not necess f the progress ximum equili uestion arises 

ANGLE IS RELATE

ILIBRIUM ANGLE

½ θ  θ

w 

½ w 

ax1 

φ

φ

of three‐dimen structures are ary to perfor sion lies, the m

brium angle c whether the e

ED TO θ 

ES FOR DIFFEREN

φ  α

nsional micros e following th

m all the ang maximum equ changes for d experimental 

NT CONTACT ANG

structures e theoretical  gle measurem uilibrium angle

ifferent conta results will fo

GLES 

model, so to  ents. We nee e φ

, as show act angles θ

.  ollow this mod

see the effec ed to determ wn in figure 1 in Figure 15.

del. 

Page 13 

ct of the a 

ine where 

4. We can 

 As in the 

FIGURE 15 

2.1.3 V

Experime folded. S fact that  we need 

FIGURE 16 G

Another  end up se effect to  design in  a view on  

HOW THE MAXIM

V ARYING THE ents  done  rev EM picture sh structures sta change the ar

GLUING  RESIDU

effect  is  that  eamless over 

the limit by i such a way t n the force tha

MUM ANGLE CHA

E STRUCTURA veal  new  phe how that ther ay folded. To  re over which

 IN THE SEAM OF

the  structure nanometers. 

ntroducing ne hat an additio at play a role 

ANGES DUE TO T

L DIMENSION nomena  whic e are some m get a better i  the flaps are 

F A FOLDED CUBE

e  fold  seamle This is a huge ew designs wh onal torsion fo in this folding

THE CHANGE OF C

N  

ch  need  to  b material on the

dea about th glued togeth

E 

essly  every  sin e accuracy tha hich will test  orce is neede g mechanism.

CONTACT ANGLE

be  examined  e edge of the e amount of f er. 

ngle  time.  The at is created b

different kind d to fold seam

E 

more.  The  st fold. This mig force that is h

e  flaps  move  y the capillary ds of distortio mlessly. This e

ructures  that ght be the ca holding the fla

over  microm y force. We pu ons. We will c

extra hurdle w

t  fold  stay  use of the  aps folded 

meters  and 

ushed this 

hange the 

will give us 

Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures  Page 15 

3 F OLDING TEMPLATES  

3.1 M ^ETHOD  

3.1.1 D ESIGN OF THE TEMPLATES  

Now  we  have  explained  the  theoretical  model  we  need  to  design  and  construct  the  templates  to  verify  the  model. Design of the templates were done in CleWin and are depicted in Figure 17 and Figure 18. There were  different sets of structures with different hinge types. We varied the hinges so that we can experiment with  different  stiffness’s.  There  are  two types  of  hinges,  one  type  is  the  solid  version,  this  is  a hinge  made  out of  150nm  of  SiN.  The  second  type  of  hinge  is  also  made  of  150nm  SiN  but  they  are  not  solid,  8  small  hinges  connect  the  flap  with  a  length  of  10µm.  Both  these  designs  are  shown  in  Figure  18.  Also  the  width  of  these  hinges are varied. Every single type of hinge will result in a different  . The varieties of this set is listed in Table  1.  

The   of the perforated hinges are proportional to length of the hinges holding the flaps together divided by  the total length of structure. So how bigger the holes in the length, how smaller the factor  . 

Type of hinge Hinge width (µm) Flap width (µm) ß 

Solid 3  80 5,08 

Solid 5  80 3,05 

Solid 8  80 1,90 

Solid 15  80 1,02 

Solid 5  50 4,88 

Solid 8  50 3,05 

Solid 12  50 0,20 

10µm hinges 10  80 0,24 

10µm hinges 20  80 0,12 

10µm hinges 6  80 0,27 

10µm hinges , 5µm gap 25  80 0,07 

TABLE 1 TYPES OF DIFFERENT HINGES USED FOR DIFFERENT SETS OF STRUCTURES 

FIGURE 17  PYRAMID 

FIGURE 18 

DIFFERENT STRU

DESIGN PRISM S

UCTURE TEMPLAT

TRUCTURE (A) SO

TES, FIRST ONE I

OLID HINGE (B) H

IS A CUBE, THREE

HINGE WITH HOL

E SIDED PYRAMI

LES 

D, HALF A DODEECAEDER AND A FOUR SIDED 

Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures  Page 17 

3.1.2 C LEANROOM PROCESSES  

As  already  discussed  the  templates  are  created  using  contemporary  cleanroom  processes.  The  process  document for creating these structures can be found in the appendix. Here we can see that the following takes  place. On a silicon wafer a SiN layer of 1µm is deposited and etched away by plasma etching, leaving grooves  for the hinges on the surface of the Silicon wafer. On top of this another SiN layer is deposited of 100 nm. This  layer  is  also  deposited  between  the  flaps  forming  the  hinge.  Everything  but  the  templates  are  ethed  away,  leaving a SiN template on the surface of the silicon wafer. The total structure is then isotropically underetched,  the  left  over  Silicon  form  the  pillar  on  which  the  template  rest.  Simplified  step  by  step  overview  is  given  in  Figure 19. 

Blank Silicon wafer 

  Adding SiN layer 

  Etching away the hinges 

  Adding SiN layer 

  Etching away everything but the template 

  underetching 

FIGURE 19 SIMPLIFIED STEP BY STEP OVERVIEW OF THE PROCESS NEEDED TO CREATE TEMPLATES 

3.1.3

To get th just abou created t couple of 50µm and big strong The setup relation t probe  m structure

FIGURE 20 

Using thi that take measured three tim were com the mode  

E XPERIMENTA e structure to ut 300µm in w that can dispe

f hundreds of d a larger one g fiber, to form p consists furt to the table. P akes  it  possi e. On the micr

PHOTO OF THE S

s setup we w es place. We m

d  frame  by  fr mes the angle, mpensated fo el as discussed

AL SETUP  

o fold, one mu width, and th ense small am f micrometers e with an inne m the nozzle. 

ther of a tabl Previously me

ble  to  move  oscope a ccd 

SETUP WITH THE 

will add a drop measured the  rame  by  hand , the average  r the viewing d in the previo

ust get a drop e drop must mount of wate

s in diameter.

er diameter of The big fiber e with a micr entioned fiber

the  fiber  m camera is plac

IMPORTANT CO

p of water on  angles that t d  using  a  com

was taken of  angle and pl ous chapter u

p of water on t not be much er through a n  To do so we  f 50µm, the b

is then conne oscope. This  r is fixed on a

icrometers  a ced, the feed 

OMPONENTS HIG

the set of str the flaps make mputer  softwa f these three  lotted in a gra

sing these exp

the template.

 bigger than  nozzle which i uses hollow  igger one is st ected to a pum

microscope is a probe and fe t  a  time  and is recorded o

HLIGHTED 

ructures and c e with the ba are.  For  every

measuremen aph. The ques perimental re

 As explained that. Therefo s small enoug fibers, on wit tronger. The t mp. 

s placed at an ed by a pump d  maneuver  t n the comput

create a set o se of the stru y  flap  on  ever nts as the actu stion is wheth sults. 

d before the te ore the setup 

gh to generate th an outer di thin fiber is sli

n angle of 60 d p with demi w

the  tip  just  a ter.  

of movies of t ucture. The an ry  frame  we  ual angle. The her we can re

emplate is  has to be  e drops of  ameter of  id into the 

degrees in  water. This  above  the 

he folding 

ngles were 

measured 

ese angles 

econstruct 

Surface te

3.2 R 3.2.1

First expe not  repro remarkab Some str Confirmin other wa structure puddle do their orig held its fo If water i the  flaps  bounce b

FIGURE 21 T

3.2.2

Initial fold heat of th folded co movies  ta shown in flap is me measurem structure We did s well. This edges we

ension driven ESULTS   F IRST RESULT eriments on t oducible  in  th ble. 

uctures had s ng that the fo y around. Wh e floated on th ownward. So  ginal position.

orm even whe is added to th will  fold  dow back to their o

TRIANGLE PYRAM

R ESULTS OF F ding of prisms he lights mad ompletely. The

aken  showed  Figure 22. Th easured. The  ments  were  t e folded fully. 

see some phe s happened e ere pulled tog

 fabrication o TS FOLDING ST these were no he amount  of 

stiff hinges du olding angle w hen administe he surface of t

we had down  This last obs en the water w he cavity the f wn  as  shown  original state. 

MID WITH WATE

FOLDING OF P s was a succe e the drop ev e set with the   that  the  ang he measureme

measuremen taken  per  fla

enomena wort every time. Th ether by the c

of three‐dimen TRUCTURES W ot that succes

time  I  took  t

ue to design a would increase ering an amou

this puddle. W nward folding

ervation cont was evaporate

flaps will floa in  Figure  21.

ER IN CAVITY, (B) 

PRISM  

ss. It is fairly e vaporate it wa e array of 10µ

gle  of  the  flap ent is done at

ts are compe p  and  averag

th mentioning he meniscus o capillary force

nsional micros WITH MORE TH

ssful. Although to do  the  exp

and didn’t fold e when the h unt of water in When this pud . After all the  tradicts the ob

ed. See Figure t on the surfa .  After  all  the

 THE WATER IN T

easy to place  as clear that t m hinges fold ps  increased  t both flaps, a ensated for th ged.  Table  2  i

g, the structu of water guid es, and the str

structures HE  2  FLAPS .

h the group h periment. The

d into the full hinges are less nto the cavity ddle dried up  water had ev bservation of  e 5d. 

ace of the wa e  water  is  eva

THE CAVITY IS PU

a drop on the he flaps bend ded all comple until  they  clo and the angle  e angle of the is  similar  to  T

ures that folde ed both edge ructure folds s

had successful ere  were  som

 structures bu s stiff. Folding below the st the flaps follo aporated the  the cube that

ater and when aporated  in  th

ULLING THE FLAP

e structure wit ded and at som etely. Frame b osed  seamless

of the flaps in e microscope Table  1  but  w

ed completely es of the flaps seamlessly. 

lly folded a cu me  phenomen

ut they bende g action also 

ructure the fl owed the surf  flaps jumped t was folded. 

n the water e he  cavity  the

PS OF THE TEMPL

th the setup. 

me type of hi by frame analy

sly.  Measurem n relation to t . On every fra we  added  wh

y, folded seam s to each oth

Page 19  ube it was  a  that  are 

ed a little. 

works the  aps of the  face of the  d back into  This cube 

vaporates    flaps  will 

LATE DOWN 

While the  nges even  ysis of the  ments  are  the center  ame three  hether  the 

mlessly as 

er. So the 

FIGURE 22 

Other  hi measurem structure

FIGURE 23 

2 4 6 8 10 12 14 16

angles  in  degrees

0 5 10 15 20 25 30 35

angles  in  degrees

MEASUREMENT 

nges  which  ment  done  o e behave in wh

MEASUREMENT 

0 20 40 60 80 00 20 40 60

0

0 5 0 5 0 5 0 5

20 25 3

OF FULLY FOLDIN

were  solid  a n  a  structure hich manner. 

OF FOLDING AN  

20

30 35 40 45

NG, TAKEN FROM

nd  were  nar e  that  doesn’t In this case a 

D OPENING, TAK

40 frame

5 50 55 60 frame

M A MOVIE THAT

rrow  were  to t  fold  comple

maximum an

KEN FROM A MO

60 es

65 70 75 es

T PROGRESSED 5

oo  stiff  for  f etely.  The  tab gle of 32 degr

VIE THAT PROGR

80

80 85 90 9

FRAMES PER SEC

fully  folding. 

le  beneath  th rees is achieve

RESSED 5 FRAME

100

95

COND. 

Figure  23  s his  figure  sho ed by both fla

ES PER SECOND 

angle ri angle le

angle  angle 

hows  the  ows  which  aps. 

ght flap eft flap

rightflap left flap

Surface tension driven fabrication of three‐dimensional microstructures  Page 21 

Type of hinge Hinge width Flap width (µm) ß folding

Solid 3  80 5,08  

Solid 5  80 3,05  

Solid 8  80 1,90  

Solid 15 80 1,02 Fully 

Solid 5  50 4,88  

Solid 8  50 3,05  

Solid 12 50 0,20 Fully 

10µm hinges 10 80 0,24 Fully 

10µm hinges 20 80 0,12 Fully 

10µm hinges 6  80 0,27 Fully 

10µm hinges , 5µm

gap 25 80 0,07 Fully 

TABLE 2 FOLDING OF DIFFERENT STRUCTURES 

We can convert  the  measurements done  frame  by frame,  a  time  progression,  in  to a  measurement done  on  variation of the water volume. This is exactly how we setup the theoretical model and these measurements will  give the measurement point for constructing the graph shown in Figure 24. 

FIGURE 24 MEASURED PHASE DIAGRAM OF THE EVOLUTION OF EQUILIBRIUM STATES AS FUNCTION OF VOLUME (4) 

It  is  striking  that  the  simplification  of  the  model  has  so  little  influence  that  the  actually  measured  values  correspond  almost  exactly  to  the  model. Simplifications  like  totally  ignoring  a  whole  dimension do  not  make  the theoretical model deviate from the measured values.  

0 0.5 1 1.5 2 2.5

0 0.5 1 1.5 2

normalised volume 

 eq (ra d )

 = 1.8

 = 1.5

 = 0.07

 = 0.8

4 F OLDING WITH DIFFERENT CONTACT ANGLE  

4.1 ^METHOD  

To determine the effects of a defined contact on the folding of the structure we need to use liquids that have a  defined contact angle on SiN. Or we need to change the surface of the SiN so that water has a contact angle on  the this surface. After drafting a list of liquids with different contact angles we came to a conclusion that not all  liquids were appropriate to use in my setup due to safety reasons.  

Changing  the  property  of  a  surface  can  be  done  by  depositing  a  layer  of  Fluor  Carbon.  Fluor  Carbon  is  hydrophobic and the thickness of the layer determines the amount of hydrophobeness and thus the contact  angle of the liquid on this surface. A layer of FC can be deposited by using a Reactive Ion Etching chamber (RIE)  (5).  

The results of some reference experiments done on an empty silicon en SiN surface are depicted in Figure 25. 

We  decided  to  do  the  folding  measurements  by  putting  the  samples  in  the  RIE  chamber  between  0  and  10  minutes.  

FIGURE 25 VARYING OF CONTACT ANGLE DUE TO TIME OF FC DEPOSITION 

Changing the surface into hydrophobic means that the drop of water coming from the fiber might cling to the  fiber and not want to stick to the surface. To overcome this we have coated the fiber also with FC, this is done  by submersing the fiber into liquid FC. The fiber did not clog by this layer of FC. 

4.1.1 WHITE LIGHT MEASUREMENT USING LATERAL SCANNING INTERFEROMETRY  

To change the contact angle we chose to deposit a FC layer onto the structures. The question rised whether the  flaps  on  the  structure  would  bend  to  the  extra  force  asserted  by  the  elasticity  of  the  FC  layer.  To  measure  whether  this  is  the  case,  whitelight  measurements  using  lateral  scanning  interferometry  were  conducted  on  the structures. This will give a clear indication of the orientation of the flaps. The interferometer measures the  horizontal distance of the surface. 

0 20 40 60 80 100 120

60 30 10

Angle  (degrees)

Time (minutes)

Si : Contact angle water

SiN : Contact angle water

Surface te

FIGURE 26 

Figure 26 angle of t not addit  

ension driven

INTERFEROMETE

6 shows one o the flaps of 0 tionally increa

 fabrication o

ER MEASUREMEN

of the actual m .06 degrees. T ase the angle o

of three‐dimen

NT OF THE  FLAPS

measurement This we concl of the flaps. 

nsional micros

S 

t done on the  luded as negl

structures structures. T ectable. This 

here was an a means that a

average incre adding a layer

Page 23   

ase of the 

 of FC will 

4.2 R ESULTS  

We  did  the  same  folding  experiments  as  in  the  previous  experiments,  and  this  time  we  looked  only  to  the  maximum  of each set. We got similar results as shown in Figure 22 and Figure 23, and from these results we  looked at the maximum angle attained. We managed to do this experiment for two different hinge stiffness’s. 

The  results  of  the  measurement  are  depicted  In  Figure  27.  The  solid  line  is  the  theoretical  and  expected  progression of     to variation of the contact angle  . The crosses are the measured points. 

FIGURE 27 MAXIMUM ANGLE FOR DIFFERENT CONTACT ANGLES (4) 

Again  it  is  striking  that  we  get    measurements  that  fit  the  model  despite  of  the  simplifications.  We  actually  conclude  that  capillary  properties  doe  follow  the  model,  and  thus  this  process  is  predictable  and  useful  for  fabrication of three dimensional structures on this scale. 

0 0.5 1 1.5 2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

 c (rad)

 ma x (ra d )

Surface te

5 V A

5.1 P 5.1.1 T

We have  hurdles. O lateral di shown in  structure rear whe folding  p close sea

FIGURE 28 S

ension driven

ARYING DE

ROBLEM DE T ORSION IN F seen that ev One of these  rection. In ot  Figure 28 wil e would close  re the structu rocess  Other  mlessly, and m

STRUCTURE WIT

D1 

D2 

 fabrication o

SIGN OF T

EFINITION  

FOLDING  

very time the  hurdles is to  her words if  l the structur seamlessly, a ure was D1 in scenario  for  may open aga

TH DECREASING F

of three‐dimen

THE PRISM

prism fold th see whether  we design fla e fold seamle at the front w  width, the h this  design  is ain. 

FLAP WIDTHS 

nsional micros

MS  

e fold seamle the capillary  aps of the pris ssly. This wou where the wid inge would b s  that  the  hin

structures essly. To put t

forces will ov sm with decre uld result in a  dth is D2 the h

e pressed dow nge  would  no

this to the tes vercome the r easing flap wi folding like sh hinges would  wnwards. add ot  give  way  an

st we have m rotational for idth over the hown in Figur  stretch out a ding extra stra nd  the  struct

Page 25 

ade some 

rces in the 

 length as 

e 29 if the 

and at the 

ain on the 

ure  won’t 

FIGURE 29 

The diffe not be an

5.1.2

Next set  shown in And if th meet hal same, in t

DISTORTION OF 

rence betwee ny influence o

F ^OLDING WIT

of structures   Figure 30, th ey do they ca fway of the o the second ca Rear vie

Fro

THE HINGES 

en D1 and D2  f other effect THOUT SYMM have flaps of  he width D2 is an fold in two other flap as s

ase the angles ew 

ont view 

are not more s other than t

ETRY  

different wid s larger than D o ways, the e shown in Figu s will be differ

e than the hin the bending  a

dth, the left fla D1. Again we 

nds of the fla ure 31. In the  rent, ɸ1 is not

ge width of 5 and stretching

ap will have a will test whe aps meet each

first case bot t equal to ɸ2.

µm. This is ch g of hinges. 

a smaller widt ther these fla ht other, or o th the angles 

hosen so that 

th then the rig aps will fold se one end of th

of the flaps w

there will 

ght one as  eamlessly. 

e flap will 

will be the 

Surface te

FIGURE 30 S

FIGURE 32 ( FIGURE 31 

ension driven

STRUCTURE WIT

(A) STANDARD 4

POSSIBLE OUTCO

D1 D

 fabrication o  

TH DIFFERENT FLA

45 ANGLE EDGE (B

Option

OME FOR FOLDIN

D2 

of three‐dimen

AP WIDTHS 

B) FLEXIBLE EDGE

n 1 

NG A STRUCTURE

nsional micros

E 

E WITH DIFFEREN

structures

NT FLAP WIDTHS

optiion 2 

Page 27   

5.1.3 V

Third  typ structure the conta hinge  stif structure structure We will c is varied f

FIGURE 33 S

FIGURE 34 S

d  d 

V ARYING CON pe  of  structur es tend to stay

act surface of ffness  and  co es  folding  and es together.  

create three se from 20 µm to

STRUCTURE WIT

STRUCTURE WIT

NTACT AREA  

res  will  have  y folded desp f the flaps and ontact  area  co d  opening  aga

ets of three d o the full 390µ

TH VARYING CON

TH VARYING CON

d 

d 

a  varying  co pite of the ela d we will vary ombination  w ain.  This  will  g

different conta µm. 

NTACT SURFACE

NTACT SURFACE F

d 

d 

ntact  surface astic forces in  y the elasticit will  be  on  the  give  us  inform

act angles. Ev

FOLDED 

e.  Previous  ex the hinges. T ty of the hing transition  of  mation  of  the

very set consis

  d

d d

d

xperiments  ha To test this ph es . We will t structures  al e  quantity  of  t

sts of twenty v

ave  shown  th henomena we try to determ

ways  staying  the  forces  ke

variations of d

  d 

d 

hat  folded  e will vary  mine which  folded  to  eeping  the 

d where d 

Surface te Last but n created s from the  will be et This desig to  perfor etching n the etcha underetc

FIGURE 35 S

FIGURE 36 W

5.2 R

ension driven not least we w structures wit

plane and we tched free fro

gn has a smal rm  well.  With not to free the

ant to reach i hing. This stru

STRUCTURE WIT

WHERE IT CAN G

ESULTS  

 fabrication o will try to lift  h the letters o e will have a m m the underly ll hole in the e hout  the  hole 

e right flap fro n the center  ucture suppor

TH A LETTER 

GO WRONG WITH

of three‐dimen a structure o of the univers micro billboar ying silicon, an

extension tha the  addition om the cente of the arm. I rts the flaps th

H UNDERETCHING

nsional micros of the surface

sity on the fla rd. In the sam nd thus hang  at is holding t   to  the  struct r flap as show n this figure t hat lay on top

G

structures using this fol ps. When the e time that th freely like the he letter. This ture  which  ho wn in Figure 3

the white sha p. 

lding action. F e flaps fold the he flaps are u e flaps. 

s hole is made olds  the  lette 36. The hole w

ape is the stru

For this exper ese letters wi

nder etched t

e for the und er  can  cause  t will make it po ucture that is

Page 29  riment we  ll be lifted  the letters 

er etching 

the  under 

ossible for 

s left after 

5.2.1 T ORSION IN FOLDING  

Folding  experiments  confirm  seamless  folding.  This  means  that  the hinges  stretch  and  fold  where needed  to  facilitate this. We can conclude that the capillary forces are large enough to force the hinges. 

5.2.2 F OLDING WITHOUT SYMMETRY  

Folding  with  flaps  of  different  widths  resulted  in  some  remarkable  results.  As  already  stated  in  the  previous  chapter the folding could have gone in two ways. From the measurements of the optical microscope it looked  like that the folding occurs in the manner as depicted as option 2 in Figure 32b. Further experiments revealed  the full extent of the mechanics in this folding. 

In the very first measurements we saw that the flaps will take a maximum angle and fold back when the hinges  were stiff enough. This is due the torque on the flaps. We have determined that the capillary effect administers  a force on the flaps, the folding occurs not when the this force is larger than the counter acting elastic force of  the hinges, but when the width of the flaps times the capillary force is larger than the elastic force. This means  a fully folding structure won’t fully fold when the flaps are made less wide. This is shown in Figure 37.  

Another way to explain this is by using the model we used in the previous chapter. We have a factor   which is  dependant  on  the  width  of  the  flaps  w: .  This  means  that  when  we  change  the  w  we  change  the  folding property of the flap. In this case in such a way that it will not bend through to close. 

FIGURE 37 CAPILARY FORCE VS ELASTICITY FORCE, THIS SIMPLIFIED MODEL SHOWS HOW TORQUE IS RELATED TO THE LENGTH OF THE  FLAP. 

We have witnessed that a smaller flap takes a maximum angle, while the normal and larger flap keeps folding  and  then  crashing  into  the  flap  with  the  maximum  angle.  The  larger  flap  doesn’t  have  the  width  to  fold  seamlessly  over  the  a  flap  that  would  stop  the  folding.  This  shown  in  frames  taken  from  a  measurement  in  Figure 38. Here you can see that the right flap stays on the same angle while the left flap keeps on folding, in  the end it will collapse and not stay folded. 

T=F

∙L

L

L

T=F

∙L

Central flap 

Folding flap 

Surface te

FIGURE 38 A

Although which ap previous  maximum

FIGURE 39 S

ension driven

ASYMETRIC FOLD

 the width dif pear to fold n example, und m angle, this is

SEM PICTURE OF

 fabrication o

DING, RIGHT FLA

fference betw normally (Figu der a SEM the s shown in Fig

F ASYMETRIC FOL

of three‐dimen

AP REACHES A MA

ween flaps in t ure 39), where

 it is clear tha gure 40. 

LDED STRUCTUR

nsional micros  

AXIMUM ANGLE

his figure is d e the differen at the left flap

E 

structures

AND STOPS FOL

ramatic, this p ce in width ar  crashed into 

DING 

phenomena o re not that dr the right flap

occurs also in  ramatic as sho p that stood st

Page 31 

structures 

own in the 

teady on a 

FIGURE 40  FLAP. 

5.2.3 V

This expe contact a stayed fo solid  hing µm

.  Onl structure µm

 the l area of 7 used in th This mea

Where  µm

 this i µm leads and gives SEM pict middle th

CRASHING PHEN

V ^ARYING CON

eriment consis area and every olded for all c

ge  resulted  in ly  three  type es revealed tha

ast 7 structur 720 µm

 and w

he calculation n that for the

is an equilibri s to  4.4∙10

 J s us a measure

ures of  folded he flaps will no

NOMENA, RIGHT

NTACT AREA  

sted of three  y variation wa ontact areas. 

n  all  structure es  of  structur at due to the  res open at 68 we assume th ns. 

 energy 

10  and w um point, this J/m

 . This is t e for the force d  structure  w ot stay closed

T FLAP REACHED

sets, with thre as repeated te

So we can co es  opening  fo res  fell  in  thi manufacturin 80 µm

. Becau hat the deviat

with  θ = 2/3  s means that  the minimum es that the glu with  reduced  c

. 

 A MAXIMUM A

ee different h en times in te onclude that t or  all  contact 

is  category.  R ng process the use the majori tion is due to 

1 2 π ≈2 we get  a structure th m energy per s

uing substanc contact area

ANGLE AND THE 

hinge types. Ev n rows. The h the hinges we

area’s  except Repeating  thi ere is a deviat ity of the stru production p

U

=4∙10

 J/m hat folds seam square area n

e has to asser is  shown  in  F

LEFT FLAP CLOSE

very set had t hinges with ho

eren’t stiff en t  for  contact  s  experiment ion. The first t cture only sta process we wi

m

. For a conta mlessly over t

eeded to kee rt.  

Figure 41. For

ED INTO THE ST

twenty variati oles in them f nough. The se area’s  larger t  for  the  ten three rows op ay closed with ill take this va

act area of 72 he whole leng ep the structu

r  any  larger  h

EADY RIGHT 

ons of the  folded and  t with the  than  720  n  identical  pen at 720  h a contact  alue to be 

20 µm x 1  gth of 800  ure folded, 

ole  in  the 

Surface te

FIGURE 41 

There wa middle of need a la

FIGURE 42 

We made

Where w length) .  height wh The  disto requiring expressio the lengt

dimensio the same

ension driven

FOLDED STRUCT

as an unexpec f the folded f rge force.  

BENDING IN THE

e an estimatio

w(x) describes  E is the Youn hen taking the ortion  is  appr

g  0 0,

on for  h of the flaps

. We  meas ons we get 602 e of the whole

 fabrication o

URE WITH SMAL

cted effect wh flaps for very 

E MIDDLE OF FOL

on by taking u

the deformat g’s modulus   e crosssection roximated  by 

s. Figure 43 sh sure  a  maxim 2 N/m for q. T e width. If yo

of three‐dimen

LLER CONTACT AR

hile doing the large gaps. A 

LDED STRUCTURE

sing the Euler

tion along the and I is the s n of a flap, 1 µ a  4

  order  p

0,

. Here u is t hows the w(x) mum  distortio This model ass

u look carefu

nsional micros

REA 

ese experimen A SiN flap of 8

ES 

r‐Bernoulli eq

e x direction o second mome µm and b is th polynomial: 

0, 0 0

the distortion ) when the va on  of  2.4µm sumes that th lly you might 

structures nts. As shown

0 by 725 µm 

uation: 

of the flap, q is ent of area. In

e width of the

0,

n, L is the leng alues are filled m  from  Figure e whole flap b see that in F

 in Figure 42  is very rigid. 

s the distribut this case  e flap: 80µm. 

.  Solvi ,

gth of the flap d in. Now that e  42.  Filling  bends as a wh

igure 42 the b

there is bend To deform th

ted load (forc , wher

ing  this  funct ,  we ps and x the p t w(x) is know

in  the  value hole, and the  bending on th

Page 33   

ding in the  his flap we 

ce per unit  re h is the 

tion  when 

  acquire 

osition on 

wn we find 

es  for  the 

bending is 

he edge is