Studi di Attrito E di Aderenza sui Materiali Per i Sistemi Microelectromechanical (MEMS) Facendo Uso del Tribometer Nano dagli Strumenti di CSM

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Sfondo

Metodo di Prova

Metodo del Tracciato di Calibratura della Forza

Misura di Aderenza

Misure della Forza di Attrito

Effetti di Velocità

Umidità Relativa

Risultati

Effetti di Temperatura

Sfondo

A causa di grande area al rapporto del volume in unità di MEMS come le diminuzioni del disgaggio di dimensione, le forze di superficie quale aderenza e l'attrito diventano sempre più critici e dominano sopra le forze inerziali e gravitazionali. Questo articolo presenta alcuni risultati dalle misure effettuate con un Tribometer Nano dagli Strumenti di CSM su una selezione dei materiali strutturali comunemente usati di MEMS.

Metodo di Prova

Le prove sono state eseguite facendo uso delle 100) palle di Si (del μm del raggio 500 come il partner sferico montato su una trave a mensola dell'acciaio inossidabile. I tre materiali del campione hanno consistito wafer di Si del unico cristallo dei 100) ((fosforoso verniciato), di una pellicola tipo diamante (DLC) del carbonio di spessore 10 nanometro (depositati (sui 100) wafer) di Si e un tiolo dell'esadecano (HDT) auto-ha montato lo strato monomolecolare (SAM) depositato substrati dell'Au (111) /Si (sui 100) tramite l'immersione.

Metodo del Tracciato di Calibratura della Forza

Le forze adesive sono state misurate negli stati ambientali (22°C, un'umidità relativa di 45% - 55%) facendo uso di una tecnica molto simile metodo del ` della forza al tracciato di calibratura' impiegato nella Microscopia della Forza di Scansione (SFM).

Ciò consiste di mettere la palla in contatto con il materiale del campione in un modo controllato e tenere le superfici in contatto per un periodo. La forza massima, le necessarie separare gli intradossi superiori e, è misurata come la forza adesiva.

Misura di Aderenza

Un esempio tipico di una tal misura di aderenza è indicato nella Fig. 1 per le 100) palle di Si (in contatto con un piano dello stesso materiale. Mentre la palla si avvicina alla Florida al campione all'interno di alcuni nanometri (indichi A), una forza attraente esiste fra le due superfici. La palla quindi è tirata verso il campione ed il contatto si presenta a punto B. L'adsorbimento delle molecole di acqua sulla superficie del campione può anche accelerare questo cosiddetto rottura-in, dovuto la formazione di menisco dell'acqua. A partire da qui, la palla è in contatto con la superficie del campione e mentre il Z-Piezo-elettrico estende più ulteriormente, la trave a mensola più ulteriormente è deviata. Ciò è rappresentata dalla parte rovesciata della curva. Gli effetti di tempo sulla forza adesiva possono essere studiati mantenendo il Z-Piezo-elettrico alla sua lunghezza massima per vari periodi di tempo. Come la palla poi è ritirata dal di superficie (punto C), va oltre la riga (piana) di deformazione zero dovuto la forza attraente. Questo fenomeno può essere dovuto la forza a lungo raggio del menisco, la forza di van der Waals o la forza elettrostatica. A punto D, le rotture della palla esente dalle forze adesive ed è ancora in aria libera.

AZoNano - A - Z di Nanotecnologia - dati Tipici di aderenza per le 100) palle di Si (che contattano le 100) Floride di Si (con ad un tempo di resto di 2 secondi. La deformazione a mensola è tracciata in funzione di tempo (a) e di spostamento (b) mentre la palla si avvicina a alla superficie, contatto stabilito e la palla quindi ritirato.

Figura 1.

AZoNano - A - Z di Nanotecnologia - Variazione della forza di attrito in funzione del caricamento normale applicato per le misure effettuate sulle superfici di Si (100), di DLC e di HDT con le 100) palle di Si (del raggio 500μm. Fare scorrere e di 720μms-1 una velocità di scivolamento un'ampiezza di 1000μm è stata utilizzata nel modo scambiantesi lineare.

Le Figure 2. e fare scorrere un'ampiezza di 1000μm sono state utilizzate nel modo scambiantesi lineare.

Misure della Forza di Attrito

Le forze frizionali sono state misurate utilizzando lo strumento nel modo scambiantesi lineare (rispetto al modo del perno-su-disco) con i caricamenti normali applicati nell'intervallo 100 a 2500μN. I valori Medii del coefficiente di attrito sono stati ottenuti misurando la forza frizionale in funzione del caricamento normale e la riproducibilità è stata trovata per essere all'interno di ± 5%. Alcuni risultati tipici sono riassunti nella Fig. 2 dove può essere veduto che tutti e tre i campioni esibiscono una risposta lineare sopra l'intervallo misurato del caricamento. I coefficienti di attrito sono stati calcolati ed allineato stati nel seguente ordine: μSi (0,47) > μDLC (0,19) > μHDT (0,15). Ciò ha confermato che gli strati sottili di DLC e del HDT possono essere utilizzati come efficaci lubrificanti per i materiali di Si nelle unità di MEMS.

Effetti di Velocità

Gli effetti di velocità sono stati studiati misurando la forza frizionale con le velocità da 50 a 2200μms. Tutte Le prove sono state effettuate in uno stato ambientale ad un caricamento normale di 2000μN. I risultati sono indicati nella Fig. 3 (a) ed indicano che per il Si (100), di attrito della forza le diminuzioni inizialmente finché l'equilibrio non accada, mentre sembra che la velocità abbia quasi non c'è rotto e non ha nessun effetto sui beni di attrito del Si di HDT.For e di DLC (100), ad alta velocità, il menisco dell'acqua abbastanza tempo di ricostruire. Le reazioni Tribochimiche egualmente sono pensate per svolgere un ruolo importante, poichè l'ossido indigeno di SiO interagisce con le molecole di acqua producendo il Si (OH) che è eliminato e continuamente è riempito durante lo scivolamento. Questo livello di Si (OH) è conosciuto per essere di resistenza al taglio bassa. D'altra parte, le superfici di HDT e di DLC presentano i beni idrofobi e possono assorbire soltanto alcune molecole di acqua nelle circostanze ambientali in modo dalla forza di attrito non è influenzata significativamente dalla velocità scorrevole.

AZoNano - A - Z di Nanotecnologia - risultati Sperimentali che mostrano l'influenza (a) di scivolamento della velocità, (b) umidità relativa e (c) temperatura sulla forza di attrito del Si (100), di DLC e del HDT.

Figura 3.

Umidità Relativa

Gli effetti di umidità relativa sono stati studiati presentando una miscela di aria asciutta ed umida. L'umidità potrebbe quindi essere variata da 5% a 65% mentre la temperatura, il caricamento normale e la velocità di scansione sono stati mantenuti a 22°C, a 2000μN e a 720 μms rispettivamente.

Risultati

I risultati sono indicati nella Fig. 3 (b) e possono essere veduti che per il Si (100), gli aumenti della forza di attrito con un aumento di umidità relativa fino ad un massimo di 45% ma d'altra parte mostra una leggera diminuzione con un accrescimento più ulteriore nell'umidità relativa. L'umidità è sembrato non avere alcun'influenza sui beni di attrito di DLC o del HDT. Nel caso del Si (100), l'aumento iniziale nell'umidità fino ad un massimo di 45% causa più molecole di acqua adsorbite che formano un più grande menisco dell'acqua che piombo ad un aumento nell'attrito. Ma ad umidità molto alta (65%), un gran quantità di tali molecole possono formare un livello continuo dell'acqua che separa le superfici del campione e della palla, creante un livello del lubrificante che causa una diminuzione nell'attrito.

Effetti di Temperatura

La temperatura del contatto tribologico è stata variata da 25°C fino a 125°C mentre mantenendo l'umidità relativa, caricamento normale e scandendo la velocità a 45%-55%, a 2000μN e a 720 μms-1

I risultati hanno presentato nella Fig. 3 (c) manifestazione che alle temperature sopra 50°C, un aumento nelle cause di temperatura una diminuzione significativa nell'attrito per il Si (100) e una leggera diminuzione nel caso di DLC. Il HDT sembra non essere influenzato dai cambiamenti nella temperatura sopra l'intervallo provato. Alle temperature elevate, il dissorbimento dell'acqua e la riduzione di tensione superficiale piombo alla diminuzione nelle forze di attrito del Si (100) e di DLC. Tuttavia, nel caso del HDT, soltanto alcune molecole di acqua sono adsorbite sulla superficie in modo dai meccanismi suddetti non esercitano un'influenza significativa ed il HDT sembra così inalterato tramite tutto il mutamento di temperatura.

Sorgente: Strumenti di CSM

Per ulteriori informazioni su questa sorgente visualizzi prego gli Strumenti di CSM

Date Added: Dec 12, 2006 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 12:39

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