Характеристики микромеханических реле на основе тонких слоистых исполнительных элементов
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
? тонких слоистых исполнительных элементов микрореле методом многоуровневой поверхностной микрообработки кремния в части операции гальванического осаждения (рис. 3.1 - г).
Рис. 3.7. Основные этапы формирования исполнительного элемента микрореле: а) термоокисление; б) формирование нижнего электрода методами магнетронного распыления и гальванического осаждения; в) нанесение жертвенного слоя; г) изготовление подвижного элемента методом гальванического осаждения; д) плазмохимическое травление жертвенного слоя.
И оптимизирована конструкция исполнительного элемента в части выбора жесткости упругого подвеса.
Исполнительные элементы предлагается изготавливать на основе гальванических пленок золота с прослойкой никеля между ними, а нижний электрод - на основе слоев гальванической меди, никеля и золота.
В работе проведены исследования морфологии пленок гальванического никеля, меди и золота с целью улучшения планаризации и адгезионных характеристик структурных слоев, а также экспериментально выбраны оптимальные по механическим характеристикам режимы и условия гальванического осаждения никеля из сульфаминовокислого электролита, обеспечивающие минимальную шероховатость при микротвердости порядка 10 ГПа: плотность тока на катоде - 1 А/дм2; скорость осаждения никеля - 0.095 мкм/мин; температура электролита - 55..60 градусов Цельсия; кислотность электролита pH=3, шероховатость Ra - от 50 до 180 нм при толщинах 1-6 мкм.
Предложенная технология гальванического осаждения обеспечивает следующие параметры: величина зазора между подложкой и балочным подвижным элементом - от 1.8 до 10 мкм; толщина балочного подвижного элемента - от 1 до 7 мкм; средняя шероховатость никеля из сульфаминовокислого электролита (Ra) составляет 70-240 нм, меди из пирофосфатного электролита - от 10 до 90 нм, золота из фосфатного электролита - от 30 до 120 нм. Экспериментально установлено, что средняя микрошероховатость поверхности линейно возрастает с увеличением толщины.
Таким образом:
1. Сформулированы рекомендации по преодолению физико-технологических ограничений микромеханических реле на основе слоистых исполнительных элементов. Для устранения гистерезиса рекомендуем подключать к микрореле параллельные емкости и последовательные резисторы, для борьбы с залипанием предлагаем проводить планаризацию в процессе изготовления и усиливать жесткость конструкции. Для снижения управляющего напряжения предлагаем понижать жесткость конструкции, изменяя толщину прослойки никеля. Согласно проведенной расчетно-экспериментальной оценке при уменьшении толщины никелевой прослойки с 3.5 мкм до 0.5 мкм, напряжение срабатывания снижается на 50%. Необходимо учитывать, что при ослаблении жесткости конструкции увеличивается риск залипания электродов.
. Выбраны оптимальные режимы гальванического осаждения, обеспечивающие формирование подвижных элементов на основе гальванических пленок золота толщиной по 1 мкм и прослойки гальванического никеля разной толщины между ними со следующими характеристиками:
Таблица 3.1. Характеристики слоистых исполнительных элементов микрореле.
Толщина прослойки никеля, мкм Жесткость конструкции, Н/мКритическое напряжение срабатывания, ВДавление срабатывания, кПа0.567.4403261.1154.1617311.5168.2638742.1204.37010852.5220.77311943.0254.37814323.4311.2861326
В продолжении работы можно провести расчетно-экспериментальные оценки минимальной жесткости конструкции, требуемой для того, чтобы исполнительный элемент смог преодолеть силы межмолекулярного взаимодействия с поверхностью нижнего электрода после того, как управляющее напряжение будет снято. Это позволит рассмотреть проблемы залипания электродов и высокого напряжения срабатывания как функции жесткости и решать их в рамках одной задачи.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.На основе анализа принципа действия типовых конструкций микрореле показано, что конструктивные особенности микромеханических реле, изготовленных по поверхностной технологии позволяют: снизить себестоимость и вносимые энергопотери; обеспечить высокое отношение емкостей во включенном и выключенном состояниях; получить добротность того же порядка, что и у существующих аналогов, таких как диод Шотки, MOSFET, PIN-диод. Рассмотрены основные методы изготовления микрореле. Приведены основные технологические операции в процессе формирования микроструктур методом поверхностной микрообработки.
.Выявлены основные физико-технологические ограничения при изготовлении микрореле: скорость переключения; напряжение срабатывания; залипание электродов; а также, ограничения за счет механических и физико-химических свойств материалов. Определена критическая операция в процессе изготовления микрореле - гальваническое осаждение.
.Проведена экспериментальная работа для исследования характеристик гальванических пленок никеля, меди, золота и слоистых исполнительных элементов устройств МСТ на их основе в зависимости от технологии изготовления и типа конструкции:
.1.Выбраны оптимальные по механическим характеристикам режимы и условия гальванического осаждения никеля из сульфаминовокислого электролита, обеспечивающие минимальную шероховатость при твердости покрытия 20-50 ГПа: плотность тока - 1 А/дм2; скорость осаждения никеля - 0.095 мкм/мин; температура электролита - 55..60 градусов Цельсия; кислотность электролита pH=3.
.2.Исследована микрошероховатость пленок никеля, меди и золота, полученных при оптимальны