Характеристики микромеханических реле на основе тонких слоистых исполнительных элементов
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
х режимах. Показано, что шероховатость покрытий возрастает с увеличением толщины. Для никеля из сульфаминовокислого электролита 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.
.3.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.
.Сформулированы рекомендации по снижению влияния физико-технологических ограничений: изготавливать подвижный элемент с помощью многоуровневой поверхностной технологии с нанесением никеля, меди и золота гальваническим способом, используя экспериментально определенные режимы гальванического осаждения. Предложен способ борьбы с высоким управляющим напряжением и залипанием электродов микромеханических реле.
.Выбранные режимы гальванического осаждения обеспечивают формирование подвижных элементов устройств микросистемной техники на основе системы металлов золото-никель-золото при суммарной толщине золотых покрытий 2 мкм и толщине никелевой прослойки 0.5-3.5 мкм со следующими характеристиками: морфология контактов верхнего электрода 7-20 нм, нижнего электрода 70-240 нм; жесткость конструкции 70-310 кН/м; критическое напряжение срабатывания 40-90 В; давление срабатывания 320-1320 кПа.
ПРИЛОЖЕНИЯ
А. Расчет напряжения срабатывания исполнительного элемента при различных жесткостях упругого подвеса
V - к р и т и ч е с к о е н а п р я ж е н и е с р а б а т ы в а н и я , В
- р а д и у с м е м б р а н ы , м
S - п л о щ а д ь м е м б р а н ы ,
- з а з о р м е ж д у н и ж н и м э л е к т р о д о м
и п о д в и ж н ы м э л е м е н т о м
- и з г и б н а я ж е с т к о с т ь к о н с т р у к ц и и , и н д е к с 2, 3 и л и 4 о б о з н а ч а е т к о л -в о у п р у г и х п о д в е с о в
Б. Расчет давления срабатывания исполнительного элемента при различных жесткостях упругого подвеса
В. Исследование сил молекулярного взаимодействия между гальваническими пленками никеля, золота и кремниевым зондом атомно-силового микроскопа
Силы адгезии, действующие на кремниевый кантилевер со стороны исследуемых балочных подвижных элементов, были расчитаны на основе данных силовой спектроскопии для четырех тестовых образцов (сканы см. рис.В.1-В.4). Для этого были сняты зависимости величины изгиба кантилевера от степени выдвижения z-пьезотрубки сканера в нескольких точках: по 25 кривых для каждого образца (см. рис.В.5-В.9). Значение силы адгезии можно вычислить по закону Гука, считая линейной зависимость силы от смещения зонда относительно поверхности образца по вертикальной оси:
= k ?H,
где: k - жесткость кантилевера (измерено экспериментально с помощью команды script в программном модуле нанолаборатории Интегра); ?H - смещение зонда по вертикальной оси (определяется по кривым отвода как разность Z1 и Z2). В точке 1 сила притяжения, действующая на кантилевер, максимальна. В точке 2 кантилевер отрывается от поверхности, и сигнал сканера становится постоянным.
Результаты исследования сил адгезии, действующих на кремниевый кантилевер со стороны золотых и никелевых балочных подвижных элементов находятся в таблице В.3.1. Согласно полученным экспериментальным данным, сила адгезии возрастает с увеличением силы прижатия.
Если на исследуемой поверхности присутствую пленки адсорбата, то сила адгезии уменьшается. Это происходит потому, что в результате взаимодействия подложки и зонда возникает электростатическое поле, которое порождает механическое напряжение, нормально ориентированное к плоскости электродов [28]. Проникновение электростатического поля в объем подложки может вызвать глубинную деформацию и другие нежелательные эффекты, отрицательно влияющие на механические свойства покрытий, в том числе адгезионные свойства. С помощью сильного электростатического поля в области между проводящим зондом и исследуемой поверхностью возможна поляризация молекул среды и их перестройка, а вследствие диполь-дипольного взаимодействия и за счет легирующих примесей возможно образование проводящих молекулярных мостиков из адсорбата или жидкого диэлектрика. Проводящие мостики адсорбируются на поверхности с увеличением силы воздействия на подложку, когда напряженность электрического поля преодалевает определенное критическое значение [30]. Именно формирование пленки адсорбата и послужило причиной снижения адгезии кантилевера к золотым балочным подвижным элементам. Для разрушения пленки адсорбата необходимо продолжать повышать силу воздействия или увеличить время взаимодействия кантилевера с исследуемой поверхностью.
Для оценки полученных экспериментальных значений сил адгезии, были проведены расчеты значений микровзаимодействий молекул материала балочного подвижного элемента (золота и никеля) к материалу зонда (кремнию) по модели Леннард-Джонса [29]. Глубина потенциаль?/p>