Beitritt Und Reibungs-Studien Von Materialien Für Microelectromechanical Anlagen (MEMS) Unter Verwendung des Nano--Tribometer Von CSM-Instrumenten

Themen Umfaßt

Hintergrund

Prüfmethode

Kraft Kalibrierungs-Plan-Methode

Beitritt Maß

Reibung Kraftmessungen

Geschwindigkeit Effekte

Relative Luftfeuchtigkeit

Ergebnisse

Temperatur Effekte

Hintergrund

Wegen der großen Fläche zum Volumenverhältnis in MEMS-Einheiten als den Größenschuppenabnahmen, werden die Oberflächenkräfte wie Beitritt und die Reibung in zunehmendem Maße kritisch und herrschen über den Trägheits- und Gravitationskräften vor. Dieser Artikel stellt einige Ergebnisse von den Maßen dar, die mit einem Nano--Tribometer von CSM-Instrumenten auf einer Auswahl von allgemein verwendeten strukturellen Materialien MEMS gemacht werden.

Prüfmethode

Die Prüfungen wurden unter Verwendung einer (100) Kugel des Si von Radius 500 μm als der kugelförmige Partner durchgeführt, der an einem Edelstahlkragbalken montiert wurde. Die drei Beispielmaterialien bestanden einem (100) Wafer Einzelkristall Si (phosphorigem lackiert), aus einem diamantenähnlichen Kohlenstoff (DLC)film von Stärke 10 nm (abgegeben auf einem (100) Wafer) des Si und ein Hexadekanthiolalkohol (HC-TURBINE) selbst-baute die monomolekulare Schicht zusammen, die (SAM) auf einer (abgegeben wurde 100) Substratfläche des Au (111) /Si durch Immersion.

Kraft Kalibrierungs-Plan-Methode

Die Klebkraft wurden in den Umgebungsbedingungen (22°C, relative Luftfeuchtigkeit von 45% - 55%) unter Verwendung einer Technik gemessen, die dem ` Kraftkalibrierungsplan' die Methode sehr ähnlich ist, die in der Scannen-Kraft-Mikroskopie angewendet wurde (SFM).

Dieses besteht, die Kugel in Kontakt mit dem Beispielmaterial auf eine esteuerte Art zu holen und die Oberflächen im Kontakt für einen bestimmten Zeitraum zu halten. Die maximale Kraft, das erforderliche, die oberen und Unterseiten auseinanderzuziehen, wird als die Klebkraft gemessen.

Beitritt Maß

Ein typisches Beispiel solch eines Beitrittsmaßes wird in Fig. 1 für eine (100) Kugel des Si in Verbindung mit einer Ebene des gleichen Materials gezeigt. Da die Kugel dem Florida an der Probe innerhalb einiger nm sich nähert (Punkt A), eine attraktive Kraft existiert zwischen den zwei Oberflächen. Die Kugel wird deshalb in Richtung zur Probe gezogen und Kontakt tritt am Punkt B. auf. Die Aufnahme von Wassermolekülen auf der Beispieloberfläche kann dieses so genannte Schnapp auch beschleunigen, wegen der Entstehung eines Wassermeniskus. Ab hier ist die Kugel in Verbindung mit der Beispieloberfläche, und während das Z-Piezo sich weiter ausdehnt, wird der Kragbalken weiter abgelenkt. Dieses wird durch den geschwappten Teil der Kurve dargestellt. Die Zeiteffekte auf die Klebkraft können studiert werden, indem man das Z-Piezo an seiner maximalen Länge für verschiedene Zeiträume wartet. Wie die Kugel dann vom Oberflächen eingefahren wird (Punkt C), geht er über die (flache) Zeile des nullausschlags wegen der attraktiven Kraft hinaus. Dieses Phänomen kann an der Langstreckenmeniskuskraft, an Kraft van Der Waals oder an der elektrostatischen Kraft liegen. An Punkt D, geben die Kugelverschlüsse von den Klebkraft frei und sind wieder im Freifeld.

AZoNano - das A bis Z der Nanotechnologie - Typische Beitrittsdaten für eine (100) Kugel des Si, die ein (in Kontakt bringt 100) Florida des Si, an mit einer Ruhezeit von 2 Sekunden. Der freitragende Ausschlag wird als Funktion Zeit (a) und von Distanzadresse (b) grafisch dargestellt, während die Kugel zur Oberfläche genähert wird, der hergestellte Kontakt und von der Kugel dann eingefahren.

Abbildung 1. Typische Beitrittsdaten für eine (100) Kugel des Si, die eine (in Kontakt bringt 100) Ebene des Si, mit einer Ruhezeit von 2 Sekunden. Der freitragende Ausschlag wird als Funktion Zeit (a) und von Distanzadresse (b) grafisch dargestellt, während die Kugel zur Oberfläche genähert wird, der hergestellte Kontakt und von der Kugel dann eingefahren.

AZoNano - das A bis Z der Nanotechnologie - Variante der Reibungskraft als Funktion des angewandten Ladegewichts für die Maße, die auf Si (100) gemacht werden, DLC und HC-TURBINE taucht mit einer (100) Kugel des Si von Radius 500μm auf. Eine Gleitgeschwindigkeit von 720μms-1 und Schiebenamplitude 1000μm wurden im linearen hin- und herbewegenden Modus verwendet.

Abbildung 2. Variante der Reibungskraft als Funktion des angewandten Ladegewichts für die Maße, die auf Si (100) gemacht werden, DLC und HC-TURBINE taucht mit einer (100) Kugel des Si von Radius 500μm auf. Eine Gleitgeschwindigkeit von 720μms--1 und Schiebenamplitude 1000μm wurden im linearen hin- und herbewegenden Modus verwendet.

Reibung Kraftmessungen

Die Reibungskräfte wurden gemessen, indem man das Instrument im linearen hin- und herbewegenden Modus (im Gegensatz zu dem Kontaktstift-aufplatte Modus) mit angewandten Ladegewichten in der Reichweite 100 zu 2500μN verwendete. Durchschnittswerte von Reibungsbeiwert wurden erhalten, indem man die Reibungskraft als Funktion des Ladegewichts maß und Reproduzierbarkeit wurde gefunden, um innerhalb ± 5% zu sein. Einige typische Ergebnisse werden in Fig. 2 zusammengefasst, wo es gesehen werden kann, dass alle drei Proben eine lineare Antwort über dem gemessenen Messbereich aufweisen. Reibungsbeiwert wurden in der folgenden Ordnung berechnet und geordnet: μSi (0,47) > μDLC (0,19) > μHDT (0,15). Dieses bestätigte, dass Dünnschichten von DLC und von HC-TURBINE als effektive Schmiermittel für Simaterialien in MEMS-Einheiten verwendet werden können.

Geschwindigkeit Effekte

Die Effekte der Geschwindigkeit wurden nachgeforscht, indem man die Reibungskraft mit Geschwindigkeiten von 50 zu 2200μms maß-1. Alle Prüfungen wurden in einer Umgebungsbedingung an einem Ladegewicht von 2000μN durchgeführt. Die Ergebnisse werden in Fig. 3 (a) gezeigt und dass für Si (100), die Abnahmen der Reibungskraft zuerst anzeigen, bis Gleichgewicht auftritt, während es scheint, dass die Geschwindigkeit fast hat, ist kein Effekt auf die Reibungseigenschaften von DLC- und HDT.For-Si (100), an der hohen Geschwindigkeit, der Wassermeniskus unterbrochen und hat nicht genügend Zeit umzubauen. Tribochemische Reaktionen werden auch gedacht, um eine wichtige Rolle zu spielen, da das gediegene2 Oxid SiO auf Wassermoleküle einwirkt, Si (OH-) produzierend4 das gelöscht wird und kontinuierlich während des Schiebens aufgefüllt. Diese Schicht des Si (OH- 4) bekannt, um von der niedrigen Scherfestigkeit zu sein. Andererseits weisen die DLC- und TURBINEN-Oberflächen hydrophobe Eigenschaften auf und können einige Wassermoleküle in den Umgebungsbedingungen nur absorbieren, also wird die Reibungskraft nicht beträchtlich durch die Gleitgeschwindigkeit beeinflußt.

AZoNano - das A bis Z der Nanotechnologie - Versuchsergebnisse, die den Einfluss (a) der Gleitgeschwindigkeit, (b) relative Luftfeuchtigkeit und (c) Temperatur auf die Reibungskraft des Si (100) zeigen, des DLC und der HC-TURBINE.

Abbildung 3. Versuchsergebnisse, die den Einfluss (a) der Gleitgeschwindigkeit, (b) relative Luftfeuchtigkeit und (c) Temperatur auf die Reibungskraft des Si (100) zeigen, des DLC und der HC-TURBINE.

Relative Luftfeuchtigkeit

Die Effekte der relativen Luftfeuchtigkeit wurden nachgeforscht, indem man eine Mischung der trockenen und feuchten Luft einführte. Die Feuchtigkeit könnte von 5% bis 65% deshalb unterschieden werden, während die Temperatur, das Ladegewicht und die Scannengeschwindigkeit an 22°C, an 2000μN und an 720 μms beziehungsweise aufrechterhalten-1 wurden.

Ergebnisse

Die Ergebnisse werden in Fig. 3 (b) gezeigt und es kann gesehen werden, dass für Si (100), die Reibungskraftzunahmen mit einer Zunahme der relativen Luftfeuchtigkeit bis zu 45% aber andererseits eine geringfügige Abnahme mit einer weitereren Zunahme der relativen Luftfeuchtigkeit zeigt. Die Feuchtigkeit schien, keinen Einfluss auf die Reibungseigenschaften von DLC oder von HC-TURBINE zu haben. Im Falle des Si (100), verursacht die Anfangszunahme der Feuchtigkeit bis zu 45% mehr adsorbierte Wassermoleküle, die einen größeren Wassermeniskus bilden, der zu eine Zunahme der Reibung führt. Aber an der sehr hohen Feuchtigkeit (65%), können große Mengen solcher Moleküle eine kontinuierliche Wasserschicht bilden, die die Kugel- und Beispieloberflächen sich trennt und eine Schmiermittelschicht erstellen, die eine Abnahme an der Reibung verursacht.

Temperatur Effekte

Die Temperatur des tribologischen Kontaktes wurde von 25°C bis zu 125°C unterschieden, während, die relative Luftfeuchtigkeit, Ladegewicht beibehalten und Geschwindigkeit bei 45%-55%, 2000μN und 720 μms beziehungsweise-1 scannend.

Die Ergebnisse stellten sich in Fig. 3 (c) Show dar, der bei den Temperaturen über 50°C, ein Temperaturanstieg eine beträchtliche Abnahme an der Reibung für Si (100) und eine geringfügige Abnahme im Falle DLC verursacht. Die HC-TURBINE scheint, nicht durch Temperaturschwankungen über der geprüften worden Reichweite beeinflußt zu werden. An den hohen Temperaturen führen Desorption des Wassers und Reduzierung der Oberflächenspannung zu die Abnahme an den Reibungskräften des Si (100) und des DLC. Jedoch im Falle HC-TURBINE, nur einige Wassermoleküle werden auf der Oberfläche adsorbiert, also üben die oben erwähnten Vorrichtungen keinen beträchtlichen Einfluss aus und folglich scheint die HC-TURBINE durch jeden möglichen Temperaturwechsel unberührt.

Quelle: CSM-Instrumente

Zu mehr Information über diese Quelle besuchen Sie bitte CSM-Instrumente

Date Added: Dec 12, 2006 | Updated: Dec 2, 2014

Last Update: 9. December 2014 19:45

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