Estudos da Adesão E da Fricção dos Materiais Para os Sistemas Microelectromechanical (MEMS) que Usam o Nano

Os testes foram executados usando umas 100) bolas do Si (do μm do raio 500 como o sócio esférico montado em um modilhão de aço inoxidável. Os três materiais da amostra consistiram bolachas do Si do único-cristal em umas 100) ((fosforoso lubrificado), em um filme semelhante ao diamante (DLC) do carbono da espessura 10 nanômetro (depositados (em umas 100) bolachas) do Si e um tiolato do hexadecane (HDT) auto-montou o monolayer (SAM) depositado 111) /Si (em umas 100) carcaças do Au (pela imersão.

As forças adesivas foram medidas em condições ambientais (22°C, humidade relativa de 45% - 55%) usando uma técnica muito similar método ao lote da calibração da força do `' usado na Microscopia da Força da Exploração (SFM).

Isto consiste trazer a bola no contacto com o material da amostra em uma maneira controlada e manter as superfícies no contacto por um período de tempo. A força máxima, as necessários para separar os intradorsos superiores e, são medidas como a força adesiva.

Um exemplo típico de tal medida da adesão é mostrado em Fig. 1 para umas 100) bolas do Si (em contacto com um plano do mesmo material. Porque a bola aproxima o fl na amostra dentro de alguns nanômetros (o ponto A), uma força atractiva existe entre as duas superfícies. A bola é puxada conseqüentemente para a amostra e o contacto ocorre no ponto B. A adsorção de moléculas de água na superfície da amostra pode igualmente acelerar esta assim chamada pressão-em, devido à formação de um menisco da água. A partir daqui, a bola é em contacto com a superfície da amostra, e como o Z-Piezo estende mais, o modilhão é deflexionado mais. Isto é representado pela parcela derramada da curva. Os efeitos do tempo na força adesiva podem ser estudados mantendo o Z-Piezo em seu comprimento máximo por vários períodos de tempo. Como a bola é retraída então do de superfície (ponto C), vai além da linha (lisa) da deflexão zero devido à força atractiva. Este fenômeno pode ser devido à força de longo alcance do menisco, à força de camionete der Waals ou à força electrostática. No ponto D, as pressões da bola livram das forças adesivas e estão outra vez no ar livre.

Figura 1.

A Figura 2. e deslizamento de uma amplitude de 1000μm foi usada no modo reciprocando linear.

As forças de fricção foram medidas usando o instrumento no modo reciprocando linear (ao contrário do modo do pino-em-disco) com cargas normais aplicadas na escala 100 a 2500μN. Os valores Médios do coeficiente de fricção foram obtidos medindo a força de fricção em função da carga normal e a reprodutibilidade foi encontrada para estar dentro do ± 5%. Alguns resultados típicos são resumidos em Fig. 2 onde se pode ver que todas as três amostras exibem uma resposta linear sobre a escala medida da carga. Os coeficientes de fricção foram calculados e classificados no seguinte pedido: μSi (0,47) > μDLC (0,19) > μHDT (0,15). Isto confirmou que as camadas finas de DLC e de HDT podem ser usadas como lubrificantes eficazes para materiais do Si em dispositivos de MEMS.

Os efeitos da velocidade foram investigados medindo a força de fricção com velocidades de 50 a 2200μms. Todos Os testes foram realizados em uma condição ambiental em uma carga normal de 2000μN. Os resultados são mostrados em Fig. 3 (a) e indicam que para o Si (100), de fricção da força as diminuições inicialmente até que o equilíbrio ocorra, enquanto parece que a velocidade tem quase nenhum efeito nas propriedades da fricção do Si de DLC e de HDT.For (100), na velocidade alta, o menisco da água é quebrado e não tem bastante tempo para reconstruir. As reacções Triboquímicas são pensadas igualmente para jogar um papel importante, porque o óxido nativo de SiO interage com as moléculas de água produzindo o Si (OH) que é removido e reabastecido continuamente durante o deslizamento. Esta camada do Si (OH) é sabida para ser da baixa força de tesoura. Por outro lado, as superfícies de DLC e de HDT exibem propriedades hidrofóbicas e podem somente absorver algumas moléculas de água em circunstâncias ambientais assim que a força de fricção não é influenciada significativamente pela velocidade deslizante.

Figura 3.

Os efeitos da humidade relativa foram investigados introduzindo uma mistura do ar seco e húmido. A umidade poderia conseqüentemente ser variada de 5% a 65% quando a temperatura, a carga normal e a velocidade da exploração foram mantidas em 22°C, em 2000μN e em 720 μms respectivamente.

Os resultados são mostrados em Fig. 3 (b) e pode-se ver que para o Si (100), os aumentos da força de fricção com um aumento da humidade relativa até 45% mas por outro lado mostram uma diminuição ligeira com um aumento mais ulterior na humidade relativa. A umidade pareceu não ter nenhuma influência nas propriedades da fricção de DLC ou de HDT. No caso do Si (100), o aumento inicial na umidade até 45% causa mais moléculas de água fixadas que formam um menisco maior da água que conduza a um aumento na fricção. Mas na umidade muito alta (65%), as grandes quantidades de tais moléculas podem formar uma camada contínua da água que separe a bola e a amostra surija, criando uma camada do lubrificante que cause uma diminuição na fricção.

A temperatura do contacto tribológico foi variada de 25°C até 125°C enquanto mantendo a humidade relativa, carga normal e fazendo a varredura da velocidade em 45%-55%, em 2000μN e em 720 μms^-1

Os resultados apresentaram no Fig. 3 (c) mostra que em temperaturas acima de 50°C, em um aumento em causas da temperatura uma diminuição significativa na fricção para o Si (100) e uma diminuição ligeira no caso de DLC. O HDT parece não ser influenciado por mudanças na temperatura sobre a escala testada. Em altas temperaturas, a dessorção da água e a redução da tensão de superfície conduzem à diminuição em forças de fricção do Si (100) e do DLC. Contudo, no caso do HDT, somente algumas moléculas de água são fixadas na superfície assim que os mecanismos acima mencionados não exercem uma influência significativa e assim o HDT parece não afectado por toda a mudança de temperatura.