Études d'Adhérence Et de Friction des Matériaux Pour les Systèmes Microelectromechanical (MEMS) Utilisant le Tribometer Nano des Instruments de CSM

Sujets Couverts

Mouvement Propre

Testez la Méthode

Forcez la Méthode de Traçage d'Étalonnage

Mesure d'Adhérence

Mesures de Force de Friction

Effets de Vitesse

Hygrométrie

Résultats

Effets de Température

Mouvement Propre

À cause de la grande surface au taux de volume dans des dispositifs de MEMS comme diminutions d'échelle de taille, les forces de surface telles que l'adhérence et la friction deviennent de plus en plus critiques et dominent sur les forces à inertie et gravitationnelles. Cet article présente quelques résultats des mesures effectuées avec un Tribometer Nano à partir des Instruments de CSM sur une sélection des matériaux structurels utilisés généralement de MEMS.

Testez la Méthode

Les essais ont été réalisés utilisant des 100) billes de SI (de μm du radius 500 en tant qu'associé sphérique monté sur un encorbellement d'acier inoxydable. Les trois matériaux témoin se sont composés des 100) disques monocristallin de SI ((phosphoreux dopé), d'un film diamantaire (DLC) de carbone de l'épaisseur 10 nanomètre (déposés sur (des 100) disques) de SI et un thiol d'hexadécane (TURBINE-HC) auto-a assemblé la couche unitaire (SAM) déposée sur substrats de l'Au (111) /Si (des 100) par submersion.

Méthode de Traçage d'Étalonnage de Force

Les pouvoirs adhésifs ont été mesurés en états ambiants (22°C, hygrométrie de 45% - 55%) utilisant une technique très assimilée méthode de ` de force d'étalonnage à traçage' employée dans la Microscopie de Force de Lecture (SFM).

Ceci se compose mettre la bille en contact avec du matériau témoin d'une voie réglée et maintenir les surfaces en contact pendant un laps de temps. La force maximum, les nécessaires pour séparer le supérieur et les intrados, est mesurée comme pouvoir adhésif.

Mesure d'Adhérence

Un cas particulier d'une telle mesure d'adhérence est affiché dans Fig. 1 pour des 100) billes de SI (en contact avec un méplat du même matériau. Car la bille approche la Floride à l'échantillon dans quelques nanomètres (la remarque A), une force attrayante existe entre les deux surfaces. La bille est pour cette raison tirée vers l'échantillon et le contact se produit à la remarque B. L'adsorption des molécules d'eau sur la surface témoin peut également accélérer ceci soi-disant rupture-dans, en raison de la formation d'un ménisque de l'eau. À partir de là, la bille est en contact avec la surface témoin, et pendant que le Z-Piézo-électrique étend davantage, l'encorbellement est encore guidé. Ceci est représenté par la partie renversée de la courbure. Les effets de temps sur le pouvoir adhésif peuvent être étudiés en mettant à jour le Z-Piézo-électrique à sa longueur maximale pour différentes périodes de temps. Comme la bille est alors rétractée de l'extérieur (remarque C), elle dépasse la ligne (plate) de fléchissement nul due à la force attrayante. Ce phénomène peut être dû à la force à longue portée de ménisque, à la force de van der Waals ou à la force électrostatique. À la remarque D, les ruptures de bille exempt des pouvoirs adhésifs et est de nouveau en air libre.

AZoNano - A à Z de Nanotechnologie - données Particulières d'adhérence pour des 100) billes de SI (entrant en contact avec un SI (100) la Floride à avec du temps de reste de 2 secondes. Le fléchissement en porte-à-faux est tracé en fonction du temps (a) et du déplacement (b) pendant que la bille est approchée sur la surface, contact déterminé et de la bille puis est rétracté.

Le Schéma 1. données Particulières d'adhérence pour des 100) billes de SI (entrant en contact avec des 100) méplats de SI (avec du temps de reste de 2 secondes. Le fléchissement en porte-à-faux est tracé en fonction du temps (a) et du déplacement (b) pendant que la bille est approchée sur la surface, contact déterminé et de la bille puis est rétracté.

AZoNano - A à Z de Nanotechnologie - Variation de la force de friction en fonction de la charge normale appliquée pour des mesures effectuées sur SI (100), DLC et TURBINE-HC apprête avec des 100) billes de SI (du radius 500μm. Une vitesse de glissement de 720μms-1 et glissement de l'amplitude de 1000μm ont été utilisées dans le mode de échange linéaire.

Le Schéma 2. Variation de la force de friction en fonction de la charge normale appliquée pour des mesures effectuées sur SI (100), DLC et TURBINE-HC apprête avec des 100) billes de SI (du radius 500μm. Une vitesse de glissement de 720μms-1 et glissement de l'amplitude de 1000μm ont été utilisées dans le mode de échange linéaire.

Mesures de Force de Friction

Les forces de frottement ont été mesurées à l'aide de l'instrument en mode de échange linéaire (par opposition au mode de goupille-sur-disque) avec les charges normales appliquées dans le domaine 100 à 2500μN. Des valeurs Moyennes du coefficient de friction ont été obtenues en mesurant la force de frottement en fonction de la charge normale et la reproductibilité s'est avérée dans le ± 5%. Quelques résultats typiques sont récapitulés dans Fig. 2 où il peut voir que chacun des trois échantillons montre une réaction linéaire sur le domaine mesuré de charge. Les coefficients de friction ont été prévus et classés dans l'ordre suivant : μSi (0,47) > μDLC (0,19) > μHDT (0,15). Ceci a confirmé que des couches minces de DLC et de TURBINE-HC peuvent être utilisées en tant que lubrifiants pertinents pour des matériaux de SI dans des dispositifs de MEMS.

Effets de Vitesse

Les effets de la vitesse ont été vérifiés en mesurant la force de frottement avec des vitesses de 50 à 2200μms-1. Tous Les tests ont été effectués en état ambiant à une charge normale de 2000μN. Les résultats sont affichés dans Fig. 3 (a) et indiquent que pour SI (100), de friction de force les diminutions au commencement jusqu'à ce que l'équilibre se produise, tandis qu'il semble que la vitesse a presque aucun effet sur les propriétés de friction de DLC et de HDT.For SI (100), à la vitesse élevée, le ménisque de l'eau n'est cassé et n'a pas assez de temps de reconstruire. Des réactions Tribochimiques sont également pensées pour jouer un rôle majeur, car l'oxyde2 indigène de SiO agit l'un sur l'autre avec des molécules d'eau produisant SI (OH)4 qui est retiré et continuellement complété le niveau pendant le glissement. Cette couche de SI (OH 4) est connue pour être de résistance au cisaillement faible. D'autre part, les surfaces de DLC et de TURBINE-HC présentent les propriétés hydrophobes et peuvent seulement absorber quelques molécules d'eau en conditions ambiantes ainsi la force de friction n'est pas sensiblement influencée par la vitesse coulissante.

AZoNano - A à Z de Nanotechnologie - résultats Expérimentaux affichant l'influence (a) de la vitesse coulissante, (b) hygrométrie et (c) température sur la force de friction de SI (100), de DLC et de TURBINE-HC.

Le Schéma 3. résultats Expérimentaux affichant l'influence (a) de la vitesse coulissante, (b) hygrométrie et (c) température sur la force de friction de SI (100), de DLC et de TURBINE-HC.

Hygrométrie

Les effets de l'hygrométrie ont été vérifiés en introduisant un mélange d'air sec et moite. L'humidité pourrait pour cette raison être variée de 5% à 65% tandis que la température, la charge normale et la vitesse de lecture étaient mises à jour à 22°C, à 2000μN et à 720 μms-1 respectivement.

Résultats

Les résultats sont affichés dans Fig. 3 (b) et il peut voir que pour SI (100), les augmentations de force de friction avec une augmentation d'hygrométrie jusqu'à 45% mais d'autre part affiche une diminution mince avec un accroissement plus ultérieur de l'hygrométrie. L'humidité a semblé ne pas avoir n'importe quelle influence sur les propriétés de friction de DLC ou de TURBINE-HC. Dans le cas de SI (100), l'augmentation initiale de l'humidité jusqu'à 45% entraîne des molécules d'eau plus adsorbées qui forment un plus grand ménisque de l'eau qui mène à une augmentation de la friction. Mais au humidité très élevé (65%), les grandes quantités de telles molécules peuvent former une couche continue de l'eau qui sépare les surfaces de bille et témoin, produisant une couche de lubrifiant qui entraîne une diminution de la friction.

Effets de Température

La température du contact tribologique a été variée de 25°C jusqu'à 125°C tout en mettant à jour l'hygrométrie, charge normale et balayant la vitesse à 45%-55%, à 2000μN et à 720 μms-1 respectivement.

Les résultats ont présenté dans Fig. 3 (c) exposition qui aux températures au-dessus de 50°C, à une augmentation des causes de la température une diminution significative dans la friction pour SI (100) et à une diminution mince dans le cas de DLC. La TURBINE-HC semble ne pas être influencée par des changements de la température sur le domaine testé. Aux températures élevées, la désorption de l'eau et la réduction de tension superficielle mènent à la diminution des forces de friction de SI (100) et de DLC. Cependant, dans le cas de TURBINE-HC, seulement quelques molécules d'eau sont adsorbées sur la surface ainsi les mécanismes mentionnés ci-dessus n'exercent pas une influence significative et la TURBINE-HC semble ainsi inchangée par n'importe quel changement de température.

Source : Instruments de CSM

Pour plus d'informations sur cette source visitez s'il vous plaît les Instruments de CSM

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

Last Update: 9. December 2014 19:41

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