De Studies van de Adhesie En van de Wrijving Van Materialen Voor Microelectromechanical Systemen die (MEMS) Nano Tribometer Van Instrumenten CSM Gebruiken

Besproken Onderwerpen

Achtergrond

Testmethode

De Methode van het Perceel van de Kaliberbepaling van de Kracht

De Meting van de Adhesie

De Metingen van de Kracht van de Wrijving

De Gevolgen van de Snelheid

Relatieve Vochtigheid

Resultaten

De Gevolgen van de Temperatuur

Achtergrond

Wegens de grote oppervlakte aan volumeverhouding in apparaten MEMS als dalingen van de grootteschaal, worden de oppervlaktekrachten zoals adhesie en wrijving meer en meer kritiek en overheersen over traagheids en gravitatiekrachten. Dit artikel stelt sommige die resultaten van metingen voor met een Nano Tribometer van Instrumenten CSM op een selectie van algemeen gebruikte structurele materialen MEMS worden gemaakt.

Testmethode

De tests werden uitgevoerd gebruikend 100) bal een van Si (van straal 500 μm als sferische partner opgezet op een roestvrij staalcantilever. De drie steekproefmaterialen bestonden uit een single-crystal 100) wafeltje van Si ((gesmeerd fosforachtig), een diamantachtige koolstof (DLC)film van dikte 10 die NM (op een (100 worden gedeponeerd) wafeltje) van Si en hexadecane thiol (HDT) zelf-geassembleerde die monolayer (SAM) op 100) wordt gedeponeerd substraat 111) /Si een van Au ((door onderdompeling.

De Methode van het Perceel van de Kaliberbepaling van de Kracht

De zelfklevende krachten werden gemeten in omringende voorwaarden (22°C, relatieve die vochtigheid van 45% - 55%) gebruikend een techniek zeer gelijkend op het ` perceel' methode van de krachtkaliberbepaling in de Microscopie van de Kracht van het Aftasten wordt gebruikt (SFM).

Dit bestaat uit het brengen van de bal in contact met het steekproefmateriaal op een gecontroleerde manier en het houden van de oppervlakten in contact voor een periode. De maximumkracht, nodig om de hogere en lagere oppervlakten te trekken apart, wordt gemeten als zelfklevende kracht.

De Meting van de Adhesie

Een typisch voorbeeld van zulk een adhesiemeting wordt getoond in Fig. 1 voor 100) bal een van Si (in contact met een vlakte van het zelfde materiaal. Aangezien de bal FL bij steekproef binnen een paar nanometers (punt A) nadert, bestaat een aantrekkingskracht tussen de twee oppervlakten. De bal wordt daarom getrokken naar de steekproef en het contact komt op punt B. voor. De adsorptie van watermolecules op de steekproefoppervlakte kan dit zogenaamd ook versnellen onverwacht-binnen, wegens de vorming van een watermeniscus. Vanaf dit punt, is de bal in contact met de steekproefoppervlakte, en aangezien z-Piezo zich verder uitbreidt, wordt de cantilever verder doen afwijken. Dit wordt vertegenwoordigd door het gemorste gedeelte van de kromme. De tijdgevolgen voor de zelfklevende kracht kunnen worden bestudeerd door z-Piezo te handhaven bij zijn maximumlengte voor diverse tijdspannes. Aangezien de bal dan van de oppervlakte (punt C) wordt ingetrokken, gaat het voorbij de nul afbuigings (vlakke) lijn toe te schrijven aan de aantrekkingskracht. Dit fenomeen kan aan lange-afstands meniscuskracht, van der Waals kracht of elektrostatische kracht toe te schrijven zijn. Op punt D, dwingt de balbreuken vrij van de kleefstof en is opnieuw in vrije lucht.

AZoNano - A aan Z van Nanotechnologie - Typische adhesiegegevens voor een 100) bal die van Si (100) contacteert FL van Si (bij met een rust tijd van 2 seconden. De cantileverafbuiging wordt in kaart gebracht als functie van tijd (a) en van verplaatsing (b) aangezien de bal aan de oppervlakte is genaderd, gevestigd contact en de bal dan intrekt.

Figuur 1.

AZoNano - A aan Z van Nanotechnologie - Variatie van wrijvingskracht als functie van toegepaste normale die lading voor metingen op oppervlakten Si (100) worden gemaakt, DLC en HDT met 100) bal een van Si (van straal 500μm. Een het glijden snelheid van 720μms-1 en het glijden de omvang van 1000μm werden gebruikt op de lineaire het vergelden wijze.

Figuur 2 werd. en het glijden omvang van 1000μm gebruikt op de lineaire het vergelden wijze.

De Metingen van de Kracht van de Wrijving

De wrijvingskrachten werden gemeten door het instrument op de lineaire het vergelden wijze (in tegenstelling tot de speld-op-schijf wijze) te gebruiken met toegepaste normale ladingen in waaier 100 aan 2500μN. De Gemiddelde waarden van de coëfficiënt van wrijving werden verkregen door de wrijvingskracht als functie van normale lading te meten en de reproduceerbaarheid werd gevonden om binnen ± 5% te zijn. Sommige typische resultaten worden samengevat in Fig. 2 waar men kan zien dat alle drie steekproeven een lineaire reactie over de gemeten ladingswaaier tentoonstellen. De coëfficiënten van wrijving werden berekend en werden gerangschikt in de volgende orde: μSi (0.47) > μDLC (0.19) > μHDT (0.15). Dit bevestigde dat de dunne lagen van DLC en HDT als efficiënte smeermiddelen voor de materialen van Si in apparaten kunnen worden gebruikt MEMS.

De Gevolgen van de Snelheid

De gevolgen van snelheid werden onderzocht door de wrijvingskracht met snelheden van 50 aan 2200μms te meten. Alle tests werden uitgevoerd in een omringende voorwaarde bij een normale lading van 2000μN. De resultaten worden getoond in Fig. 3 (a) en erop wijzen dat voor Si (100), de wrijvingskracht aanvankelijk vermindert tot het evenwicht voorkomt, terwijl het dat de snelheid bijna geen effect op de wrijvingseigenschappen van DLC heeft en Si HDT.For (100), bij hoge snelheid schijnt, is de watermeniscus gebroken en heeft genoeg tijd niet te herbouwen. Tribochemical reacties worden ook verondersteld om een belangrijke rol te spelen, aangezien het inheemse oxyde SiO met watermolecules veroorzakend Si in wisselwerking staat (OH) dat wordt verwijderd en onophoudelijk tijdens het glijden bijgevuld. Laag Deze van Si (OH) is gekend om van lage scheerbeurtsterkte te zijn. Anderzijds, stellen de oppervlakten DLC en HDT hydrophobic eigenschappen tentoon en kunnen een paar watermolecules in omringende voorwaarden slechts absorberen zodat wordt de wrijvingskracht niet beduidend beïnvloed door de het glijden snelheid.

AZoNano - A aan Z van Nanotechnologie - Experimentele resultaten die de invloed van (a) het glijden snelheid tonen, (b) relatieve vochtigheid en (c) temperatuur op de wrijvingskracht van Si (100), DLC en HDT.

Figuur 3.

Relatieve Vochtigheid

De gevolgen van relatieve vochtigheid werden onderzocht door een mengsel van droge en vochtige lucht te introduceren. De vochtigheid kon daarom van 5% tot 65% worden gevarieerd terwijl de temperatuur, de normale lading en de aftastensnelheid bij 22°C, 2000μN en 720 respectievelijk μms werden gehandhaafd.

Resultaten

De resultaten worden getoond in Fig. 3 (b) en men kan zien dat voor Si (100), de wrijvingskracht stijgt met een relatieve vochtigheidsverhoging tot 45% maar anderzijds een lichte daling met een verdere verhoging van de relatieve vochtigheid toont. De vochtigheid scheen om geen invloed op de wrijvingseigenschappen van DLC of HDT te hebben. In het geval van Si (100), veroorzaakt de aanvankelijke verhoging van vochtigheid tot 45% meer geadsorbeerde watermolecules die een grotere watermeniscus vormen die tot een verhoging van wrijving leidt. Maar bij zeer hoge vochtigheid (65%), kunnen de grote hoeveelheden dergelijke molecules een ononderbroken waterlaag vormen die de bal en steekproefoppervlakten scheidt, die tot een smeermiddellaag leiden die een daling van wrijving veroorzaakt.

De Gevolgen van de Temperatuur

De temperatuur van het tribological contact werd gevarieerd van 25°C tot 125°C terwijl het handhaven van de relatieve vochtigheid, normale lading en het aftasten van snelheid bij 45%-55%, 2000μN en 720 μms-1

De resultaten in Fig. 3 (c) worden voorgesteld tonen aan dat bij temperaturen boven 50°C, een verhoging van temperatuur een significante daling van de wrijving voor Si (100) en een lichte daling in het geval van DLC die veroorzaakt. HDT schijnt niet om door veranderingen in temperatuur over de geteste waaier worden beïnvloed. Bij hoge temperaturen, leiden de desorptie van water en de vermindering van oppervlaktespanning tot de daling van wrijvingskrachten van Si (100) en DLC. Nochtans, in het geval van HDT, slechts worden een paar watermolecules geadsorbeerd op de oppervlakte zodat oefenen de voornoemde mechanismen geen significante invloed uit en zo schijnt HDT onaangetast door om het even welke temperatuurverandering.

Bron: Instrumenten CSM

Voor meer informatie over deze bron te bezoeken gelieve Instrumenten CSM

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

Last Update: 13. June 2013 12:31

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit