Estudios de la Adherencia Y de la Fricción de los Materiales Para los Sistemas Microelectromecánicos (MEMS) Usando el Tribometer Nano de los Instrumentos del CSM

Temas Revestidos

Antecedentes

Pruebe el Método

Fuerce el Método del Gráfico de la Calibración

Medición de la Adherencia

Mediciones de la Fuerza de Fricción

Efectos de la Velocidad

Humedad Relativa

Resultados

Efectos de Temperatura

Antecedentes

Debido a la superficie grande a la relación de transformación del volumen en dispositivos de MEMS como las disminuciones de la escala de la talla, las fuerzas superficiales tales como adherencia y la fricción llegan a ser cada vez más críticas y dominan sobre fuerzas de inercia y gravitacionales. Este artículo presenta algunos resultados de las mediciones hechas con un Tribometer Nano de los Instrumentos del CSM en una selección de materiales estructurales de uso general de MEMS.

Pruebe el Método

Las pruebas fueron realizadas usando 100) bolas del Si (del μm del radio 500 como el socio esférico montado en un voladizo del acero inoxidable. Los tres materiales de la muestra consistieron en 100) fulminantes monocristal del Si ((fosforado dopado), una película de carbono tipo diamante (DLC) del espesor 10 nanómetro (depositados en (100) fulminantes) del Si y un tiol del hexadecano (HDT) uno mismo-ensambló la capa monomolecular (SAM) depositada en substratos del Au (111) /Si (100) por la inmersión.

Método del Gráfico de la Calibración de la Fuerza

Las fuerzas adhesivas fueron medidas en condiciones ambiente (22°C, humedad relativa del 45% - el 55%) usando una técnica muy similar método del ` de la fuerza al gráfico de la calibración' usado en Microscopia de la Fuerza de la Exploración (SFM).

Esto consiste en el traer de la bola en contacto con el material de la muestra de una manera controlada y el mantenerse de las superficies en contacto por un periodo de tiempo. La fuerza máxima, las necesarias separar las superficies superiores y más inferiores, se mide como la fuerza adhesiva.

Medición de la Adherencia

Un ejemplo típico de tal medición de la adherencia se muestra en Fig. 1 para las 100) bolas del Si (en contacto con una parte plana del mismo material. Pues la bola se acerca a la Florida en la muestra dentro de algunos nanómetros (la punta A), una fuerza atractiva existe entre las dos superficies. La bola por lo tanto se tira hacia la muestra y el contacto ocurre en la punta B. La adsorción de las moléculas de agua en la superficie de la muestra puede también acelerar esto supuesto broche de presión-en, debido a la formación de un menisco del agua. Desde aquí, la bola está en contacto con la superficie de la muestra, y como el Z-Piezoeléctrico extiende más lejos, el voladizo se desvía más a fondo. Esto es representada por la porción vertida de la curva. Los efectos del tiempo sobre la fuerza adhesiva pueden ser estudiados manteniendo el Z-Piezoeléctrico en su longitud máxima por diversos plazos. Como la bola entonces se retracta del superficial (la punta C), va más allá de la línea (plana) de la desviación cero debido a la fuerza atractiva. Este fenómeno puede ser debido a la fuerza de largo alcance del menisco, a la fuerza de van der Waals o a la fuerza electroestática. En la punta D, los broches de presión de la bola liberan de las fuerzas adhesivas y están otra vez en aire libre.

AZoNano - La A a Z de la Nanotecnología - datos Típicos de la adherencia para las 100) bolas del Si (que hacen contacto con un Si (100) la Florida en con un rato de descanso de 2 segundos. La desviación voladiza se traza en función del tiempo (a) y de la dislocación (b) como la bola se acerca a la superficie, contacto establecido y de la bola después se retracta.

Cuadro 1. datos Típicos de la adherencia para las 100) bolas del Si (que hacen contacto con 100) partes planas del Si (con un rato de descanso de 2 segundos. La desviación voladiza se traza en función del tiempo (a) y de la dislocación (b) como la bola se acerca a la superficie, contacto establecido y de la bola después se retracta.

AZoNano - La A a Z de la Nanotecnología - Variación de la fuerza de fricción en función de la carga normal aplicada para las mediciones hechas en Si (100), DLC y el HDT alisa con 100) bolas del Si (del radio los 500μm. Una velocidad que deslizaba de la amplitud de 720μms-1 y el deslizar del 1000μm fue utilizada en el modo oscilante lineal.

El Cuadro 2. Variación de la fuerza de fricción en función de la carga normal aplicada para las mediciones hechas en Si (100), DLC y el HDT alisa con 100) bolas del Si (del radio los 500μm. Una velocidad que deslizaba de la amplitud-1 de 720μms y el deslizar del 1000μm fue utilizada en el modo oscilante lineal.

Mediciones de la Fuerza de Fricción

Las fuerzas friccionales fueron medidas usando el instrumento en el modo oscilante lineal (en comparación con el modo del contacto-en-disco) con las cargas normales aplicadas en el rango 100 a 2500μN. Los valores Medios del coeficiente de fricción fueron obtenidos midiendo la fuerza friccional en función de carga normal y la reproductibilidad fue encontrada para estar dentro del ± el 5%. Algunos resultados típicos se resumen en Fig. 2 donde puede ser visto que las tres muestras exhiben una reacción lineal sobre el rango medido de la carga. Los coeficientes de fricción eran calculados y alineados en la orden siguiente: μSi (0,47) > μDLC (0,19) > μHDT (0,15). Esto confirmó que las capas delgadas de DLC y del HDT se pueden utilizar como lubricantes efectivos para los materiales del Si en dispositivos de MEMS.

Efectos de la Velocidad

Los efectos de la velocidad fueron investigados midiendo la fuerza friccional con velocidades a partir del 50 a 2200μms-1. Todas Las pruebas fueron realizadas en condiciones ambiente en una carga normal de 2000μN. Los resultados se muestran en Fig. 3 (a) e indican que para Si (100), de fricción de la fuerza las disminuciones inicialmente hasta que ocurra el equilibrio, mientras que parece que la velocidad casi tiene no hay efecto sobre las propiedades de la fricción de DLC y de HDT.For Si (100), a alta velocidad, el menisco del agua fragmentado y no tiene suficiente tiempo de reconstruir. Las reacciones Triboquímicas también se piensan para desempeñar un papel importante, pues el óxido2 nativo de SiO obra recíprocamente con las moléculas de agua produciendo el Si (OH)4 que se quita y se llena contínuo durante deslizar. Esta capa del Si (OH 4) se sabe para estar de fuerza de resistencia inferior. Por otra parte, las superficies de DLC y del HDT exhiben propiedades hidrofóbicas y pueden absorber solamente algunas moléculas de agua en condiciones ambiente así que la fuerza de fricción no es influenciada importante por la velocidad que desliza.

AZoNano - La A a Z de la Nanotecnología - resultados Experimentales que muestran la influencia (a) de la velocidad que desliza, (b) humedad relativa y (c) temperatura en la fuerza de fricción de Si (100), de DLC y del HDT.

Cuadro 3. resultados Experimentales que muestran la influencia (a) de la velocidad que desliza, (b) humedad relativa y (c) temperatura en la fuerza de fricción de Si (100), de DLC y del HDT.

Humedad Relativa

Los efectos de la humedad relativa fueron investigados introduciendo una mezcla del aire seco y húmedo. La humedad se podría por lo tanto variar a partir de la 5% hasta el 65% mientras que la temperatura, la carga normal y la velocidad de la exploración fueron mantenidas en 22°C, 2000μN y 720 μms-1 respectivamente.

Resultados

Los resultados se muestran en Fig. 3 (b) y puede ser visto que para Si (100), los aumentos de la fuerza de fricción con un aumento de la humedad relativa hasta el 45% pero por otra parte muestran una disminución ligera con un aumento posterior en la humedad relativa. La humedad parecía no tener ninguna influencia en las propiedades de la fricción de DLC o del HDT. En el caso de Si (100), el aumento inicial en humedad hasta el 45% causa más moléculas de agua adsorbidas que formen un menisco más grande del agua que lleve a un aumento en la fricción. Pero en la humedad muy alta (el 65%), una gran cantidad de tales moléculas pueden formar una capa contínua del agua que separe las superficies de la bola y de la muestra, creando una capa del lubricante que cause una disminución de la fricción.

Efectos de Temperatura

La temperatura del contacto tribológico fue variada de 25°C hasta 125°C mientras que mantenía la humedad relativa, carga normal y explora velocidad en 45%-55%, 2000μN y 720 μms-1 respectivamente.

Los resultados presentaron en la Fig. 3 (c) demostración que en temperaturas encima de 50°C, un aumento en causas de la temperatura una disminución importante de la fricción para Si (100) y una disminución ligera en el caso de DLC. El HDT parece no ser influenciado por los cambios en temperatura sobre el rango probado. En las temperaturas altas, la desorción del agua y la reducción de la tensión de superficie llevan a la disminución de fuerzas de fricción de Si (100) y de DLC. Sin Embargo, en el caso del HDT, solamente algunas moléculas de agua se adsorben en la superficie así que los mecanismos ya mencionados no ejercen una influencia importante y el HDT parece así inafectado por cualquier cambio de temperatura.

Fuente: Instrumentos del CSM

Para más información sobre esta fuente visite por favor los Instrumentos del CSM

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

Last Update: 9. December 2014 20:00

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