CSM の器械からの Nano Tribometer を使用して Microelectromechanical システム (MEMS) のための材料の付着および摩擦調査

カバーされるトピック

背景

方法をテストして下さい

口径測定のプロット方法を強制して下さい

付着の測定

摩擦力の測定

速度の効果

相対湿度

結果

温度効果

背景

サイズのスケールの減少として MEMS 装置のボリューム比率への大きい表面積のために、付着のような地表部隊および摩擦はますます重大になり、慣性および重力に支配します。 この記事は広く使われた MEMS 構造材料の選択で CSM の器械から Nano Tribometer となされる測定からのある結果を示します。

方法をテストして下さい

テストは半径 500 のμm の Si の (100 つの) 球を使用してステンレス鋼の片持梁に取付けられた球形パートナーとして行われました。 3 つのサンプル材料は単一水晶 Si の (100 つの) ウエファー (添加される沈殿したリン)、厚さ 10 nm の (DLC)ダイヤモンドそっくりのカーボンフィルムから (Si の (100 つの) ウエファーで) 成り、ヘキサデカンのチオール (HDT) は液浸によって (SAM) Au (111) /Si の (100 つの) 基板で沈殿した単一層を自己組み立てました。

力の口径測定のプロット方法

粘着力は包囲された状態 (22°C の 45% - 55% の相対湿度) でスキャン力の顕微鏡検査で使用された ` 力の口径測定のプロットと」同じような技術を使用して非常に方法測定されました (SFM)。

これは球を制御された方法でサンプル材料が付いている接触にしばらく持って来、接触で表面を保つことから成っています。 最大力、必要なの粘着力として上部および下の表面を離れて引っ張るために、測定されます。

付着の測定

そのような付着の測定の典型的な例は Si の (100 つの) 球のための図 1 で同じ材料の平たい箱と接触して示されています。 球が少数のナノメーター内のサンプルで fl に (近づくのでポイント A) は 2 つの表面の間に、引力あります。 従って球はサンプルの方に引っ張られ、接触はポイント B. に発生します。 サンプル表面の水分子の吸着はまた水メニスカスの形成が原因でこのいわゆるスナップ式を加速できます。 ここから先は、球はサンプル表面と接触してあり、 Z Piezo 更に伸びると同時に、片持梁は更に逸れます。 これはカーブの傾斜させた部分表されます。 粘着力に対する時間の効果はさまざまな期限の最大長の Z Piezo 維持によって調査することができます。 球は表面からそれから引き込むように (ポイント C) の引力による方向零分画 (平らな) ラインを越えて行きます。 この現象は長距離メニスカス力、 van der Waals 力または静電気力が原因である場合もあります。 ポイント D で、球のスナップは粘着力の放し、自由大気に再度あります。

AZoNano - A からナノテクノロジーの Z - Si (2 秒の積分時間のに 100) fl に接触する Si の (100 つの) 球の典型的な付着データ。 片持梁偏向は時間 (a) の機能としてそして変位 (b) の球が表面、確立される接触に近づかれるおよび球計画されましたりそして引き込みますと同時に。

2 秒の積分時間の Si の (100 つの) 平たい箱に接触する Si の (100 つの) 球の図 1. 典型的な付着データ。 片持梁偏向は時間 (a) の機能としてそして変位 (b) の球が表面、確立される接触に近づかれるおよび球計画されましたりそして引き込みますと同時に。

AZoNano - A からナノテクノロジーの Z 半径 500μm の Si の (100 つの) 球と - は Si (100)、 DLC および HDT でなされる測定のための応用正常なロードの機能として摩擦力の変化浮上します。 720μms-1 の速度は滑走線形交換のモードでおよび 1000μm の振幅を滑らせること使用されました。

Si (100)、 DLC および HDT でなされる測定のための応用正常なロードの機能として摩擦力の図 2. 変化は半径 500μm の Si の (100 つの) 球と浮上します。 720μms の速度は滑走-1線形交換のモードでおよび 1000μm の振幅を滑らせること使用されました。

摩擦力の測定

摩擦力は 2500μN への範囲 100 の応用正常なロードとの線形交換のモードで器械を (ピンディスクのモードに対して) 使用することによって測定されました。 摩擦の係数の平均値は正常なロードの機能として摩擦力の測定によって得られ、再現性は ± 5% の内であると見つけられました。 ある典型的な結果は図 2 で 3 つのサンプルはすべて測定されたロード範囲上の線形応答を表わすことそれが見ることができるところで要約されます。 摩擦の係数は以下の順で計算され、ランク付けされました: μSi (0.47) > μDLC (0.19) > μHDT (0.15)。 これは DLC および HDT の薄層が MEMS 装置で Si 材料のために有効な潤滑油として使用することができることを確認しました。

速度の効果

速度の効果は 50 からの 2200μms への速度の摩擦力の測定によって調査されました-1。 すべてのテストは 2000μN の正常なロードの包囲された状態で遂行されました。 結果は図 3 (a) で速度はほとんど持っていることにそれがようである間示され、平衡が発生するまでことを Si (100) のために、最初の摩擦力の減少示します、 DLC および HDT.For Si (100) の摩擦特性に対する効果は、高速で、水メニスカス壊れていないし、再製する十分な時間をありません。 Tribochemical 反作用はまた重要な役割を担うと考えられ SiO のネイティブ酸化物が2水分子と相互に作用しているので滑走の間に除去され、4絶えず補充される Si (オハイオ州) を作り出します。 この Si (オハイオ州) の 4層は低い剪断強度であると知られています。 一方では、 DLC および HDT の表面は疎水性特性を表わし、包囲された条件の少数の水分子しか吸収なできます従って摩擦力は滑走の速度によってかなり影響を及ぼされません。

AZoNano - A からナノテクノロジーの Z - Si (100)、 DLC および HDT の摩擦力の (a) 滑走の速度の影響を、 (b) 相対湿度および (c) 温度示す実験結果。

Si (100)、 DLC および HDT の摩擦力の (a) 滑走の速度の影響を、 (b) 相対湿度および (c) 温度示す図 3. 実験結果。

相対湿度

相対湿度の効果は乾燥した、湿った空気の混合物の導入によって調査されました。 従って湿気は 5% から 65% まで温度、正常なロードおよびスキャンの速度がそれぞれ 22°C、 2000μN および 720 のμms で維持される間、変える-1ことができます。

結果

結果は図 3 (b) で示され、 Si (100) のために、 45% までの相対湿度の増加を用いる摩擦力の増加が一方では相対湿度のなお一層の増加を用いるわずかな減少を示すが、ことそれは見ることができます。 湿気は DLC または HDT の摩擦特性の影響がなかったようではないです。 Si (100) の場合には、 45% までの湿気の最初の増加により摩擦の増加の原因となるより大きい水メニスカスを形作るより多くの吸着された水分子を引き起こします。 しかし非常に高湿度 (65%) で、たくさんのそのような分子は球およびサンプル表面を分ける摩擦の減少を引き起こす潤滑油の層を作成する連続的な水層を形作ることができます。

温度効果

tribological 接触の温度は 125°C まで 25°C から間変わりま相対湿度、正常なロードを維持し、速度を 45%-55%、それぞれ 2000μN および 720 のμms で-1スキャンします。

結果は 50°C の上の温度、温度の原因の増加で Si (100) のための摩擦の重要な減少および DLC の場合にはわずかな減少図 3 (c) ショーで示しました。 HDT はテストされる範囲上の温度の変更によって影響を及ぼされないようではないです。 高温で、水の脱着および表面張力の減少は Si (100) および DLC の摩擦力の減少の原因となります。 ただし、 HDT の場合には、少数の水分子だけ表面で吸着されます従って前述のメカニズムは重要な影響を出さないし、こうして HDT はあらゆる温度変化によって変化しないようです。

ソース: CSM の器械

このソースのより多くの情報のために CSM の器械を訪問して下さい

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

Last Update: 9. December 2014 19:50

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