Характеристики микромеханических реле на основе тонких слоистых исполнительных элементов
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
деформации) и свойств материалов (модуля Юнга и контактной жесткости) [25, 26]. В первую очередь интересовало влияние жесткости конструкций на деформацию для последующих расчетов минимальной нагрузки срабатывания УМСТ - такой нагрузки, при которой исполнительный элемент, прогибаясь, ложится на нижний электрод.
Рис.2.27. Деформация при различных жесткостях исполнительных элементов.
В связи с этим, одной из задач эксперимента было прогнуть исполнителньый элемент до упора вниз, что удалось только для двух тестовых образцов (см. табл. 2.19., образцы 1 и 2).
Также интересовало влияние толщины никелевой прослойки на жесткость слоистого исполнительного элемента в целом.
Усредненные по трем точкам экспериментальные данные представлены в таблицах 2.19-2.21 и проиллюстрированы диаграмами.
Таблица 2.19. Характеристики слоистых исполнительных элементов разной толщины на 2-х меандрах и свойства материалов.
ОбразецЖесткость конструкции, кН/мДеформация, мкмМодуль Юнга, ГПаКонтактная жесткость, ГПа№Толщина,мкм10.50.754.50812.921.10.874.50685.431.511.53.52571.842.127.52.93353.652.542.92.81495.863.046.42.06576.173.449.51.51686.2
Таблица 2.20. Характеристики слоистых исполнительных элементов разной толщины на 3-х меандрах и свойства материалов.
ОбразецЖесткость конструкции, кН/мДеформация, мкмМодуль Юнга, ГПаКонтактная жесткость, ГПа№Толщина,мкм10.530.13.10853.521.142.92.45685.331.550.71.50714.742.165.71.05544.152.571.61.08586.063.0124.60.67546.573.4170.60.74676.5
Таблица 2.21. Характеристики слоистых исполнительных элементов разной толщины на 4-х меандрах и свойства материалов.
ОбразецЖесткость конструкции, кН/мДеформация, мкмМодуль Юнга, ГПаКонтактная жесткость, ГПа№Толщина,мкм10.567.41.10863.521.1154.10.49695.331.5168.20.41696.442.1204.30.33656.252.5220.70.30576.463.0254.30.25616.473.4311.20.27907.8
Рис. 2.28. Жесткость исполнительного элемента на основе системы металлов золото-никель-золото при различных толщинах прослойки никеля
2.6 Выводы к экспериментальной части
. Проведена экспериментальная работа для исследования условий гальванического осаждения никеля и морфологии гальванических покрытий. С увеличением толщины слоя никеля и показателя кислотности электролита микрошероховатость возрастает и стремится к некоторому предельному значению. Предел шероховатости можно объяснить содержанием буферных добавок в растворе электролита, которые улучшают структуру гальванического осадка и помогают поддерживать pH. При использовании электролитов, не обладающих выравнивающей способностью, зависимости Ra-h становятся линейными.
. Выбраны оптимальные по механическим характеристикам режимы и условия гальванического осаждения никеля из сульфаминовокислого электролита, обеспечивающие минимальную шероховатость при некотором уровне микротвердости: плотность тока на катоде - 1 А/дм2; скорость осаждения никеля - 0.095 мкм/мин; температура электролита - 55..60 градусов Цельсия; кислотность электролита pH=3, микрошероховатость - от 90 до 175 нм при толщинах от 1.5 до 6.5 мкм.
. Исследована микрошероховатость пленок никеля, меди и золота, полученных при оптимальных режимах. Показано, что шероховатость покрытий возрастает с увеличением толщины. Для никеля из сульфаминовокислого электролита Ra составляет 70-240 нм при толщине пленки от 1 до 6 мкм; для меди из пирофосфатного электролита - 10 до 90 нм при толщине пленки до 6 мкм; для золота - от 30 до 120 нм при толщине пленки от 1 до 6 мкм.
. Выбраны толщины функциональных слоев исполнительного элемента, обеспечивающие минимальную шероховатость: 2 мкм - толщина медного покрытия на нижнем электроде, 1 мкм - толщина нижнего и верхнего золотого слоя в сандвич-структуре исполнительного элемента, 0.5 мкм - толщина никелевой прослойки в исполнительном элементе.
. Исследованы характеристики конструкции исполнительного элемента -изгибная жесткость и деформация в зависимости от толщины никелевой прослойки в сандвич-структуре золото-никель-золото и количества упругих подвесов. Показано, что с изменением толщины никелевой прослойки от 0.5 мкм до 3.5 мкм, жесткость возрастает: для конструкций с двумя подвесами до 50 кН/м, для конструкций с тремя подвесами - от 30 до 170 кН/м, для конструкций с четырьмя подвесами - от 70 до 320 кН/м.
. Полученные результаты позволяют оптимизировать конструкцию исполнительного элемента.
3. ОПТИМИЗАЦИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УМСТ
3.1 Рекомендации по снижению влияния физико-технологических ограничений исполнительных элементов, полученных методом гальванического осаждения на характеристики микромеханических реле
Особенности формирования конструктивных элементов субмикронных и нанометровых масштабов. Важность выбора адекватных технологических режимов и условий
Исполнительные элементы микрореле, изготовленные по старой технологии страдали от ряда физико-технологических ограничений: низкая скорость переключения, высокое напряжение срабатывания (свыше 80 В для золотых исполнительных элементов); ограничения, вносимые механическими и физико-химическими свойствами материалов; а также проблема залипания электродов.
Рис. 3.1. Морфология исполнительного элемента микрореле (круглой мембраны на четырех меандрах), изготовленного по старой технологии: 1 - СЗМ-изображение поверхности подвижного элемента; 2 - СЗМ-изображение поверхности нижнего электрода. Изображение выполнено в масштабе по вертикали. Толщина круглой мембраны равна 2 мкм.
При изготовлении исполнительных элементов субмикронн