Резонансные свойства трехслойных металлических кантилеверов наноразмерной толщины

• Автор: Уваров, Илья Владимирович
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Ярославль
• Количество страниц: 126 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 КАНТИЛЕВЕРЫ В СОВРЕМЕННЫХ МЭМС/НЭМС
1.1 Канти лев ер как подвижный элемент переключателя
1.2 Кантилевер как чувствительный элемент сенсора
1.3 Методы регистрации изгиба кантилевера
1.4 Современные кантилеверы: материалы, технология изготовления, свойства
ГЛАВА 2 ИЗГОТОВЛЕНИЕ КАНТИЛЕВЕРОВ И МЕТОДЫ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1 Процедура изготовления кантилеверов
2.2 Методы исследования особенностей конструкции, морфологии поверхности и элементного состава материала кантилеверов
2.2.1 Сканирующая электронная микроскопия
2.2.2 Ренгеновский энергодисперсионный микроанализ
2.2.3 Сканирующая туннельная микроскопия
2.3 Измерение резонансных характеристик кантилеверов
2.4 Выводы Главы
ГЛАВА 3 ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ, КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И МОРФОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТИ КАНТИЛЕВЕРОВ
3.1 Изготовление кантилеверов Cr/Al/Cr
3.2 Изготовление кантилеверов Ti/Al/Ti
3.3 Назначение трехслойной структуры кантилеверов
3.4. Особенности конструкции кантилеверов
3.5 Морфология поверхности кантилеверов
3.6 Выводы Главы
ГЛАВА 4 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КАНТИЛЕВЕРА
4.1 Уравнение движения кантилевера
4.2 Электростатический метод возбуждения колебаний
4.3 Собственные частоты трехслойного кантилевера
4.4 Потери энергии в кантилеверах
4.4.1 Воздушное демпфирование
4.4.2 Передача энергии колебаний кантилевера опорной площадке
4.4.3 Термоупругое демпфирование
4.4.4 Потери энергии на дефектах в объеме и поверхностном слое кантилевера
4.5 Выводы Главы
ГЛАВА 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ РЕЗОНАНСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КАНТИЛЕВЕРОВ И ИХ АНАЛИЗ
5.1 Зависимость резонансных характеристик кантилеверов от давления воздуха
5.2 Результаты измерений резонансной частоты кантилеверов
5.3 Сравнение экспериментальных значений резонансной частоты
с результатами расчетов
5.4 Результаты измерений добротности кантилеверов
5.5 Анализ добротности кантилеверов
5.6 Выводы Главы
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ
Кантилевер - балка, один конец которой закреплен - является одним из основных подвижных элементов микро- и наноэлектромеханических систем (МЭМС и НЭМС). Широкий класс МЭМС/НЭМС составляют переключатели (ключи), среди которых наибольшее распространение получили устройства с электростатическим механизмом срабатывания. В таких переключателях между кантилевером и управляющим электродом прикладывается напряжение, под действием электростатической силы кантилевер притягивается к управляющему электроду и при некотором значении напряжения, называемом напряжением срабатывания, соприкасается с контактным электродом, замыкая переключатель. Достоинства МЭМС/НЭМС-ключей электростатического типа (малые габариты, низкое энергопотребление и высокое отношение импеданса в замкнутом и разомкнутом состоянии) позволяют рассматривать их как возможную альтернативу традиционным полупроводниковым логическим элементам или как дополнение к ним [1]. Одним из недостатков является высокое напряжение срабатывания. Современной тенденцией является переход от микро- к нанопереключателям с созданием их на основе наноразмерных кантилеверов. Целью такого подхода является уменьшение габаритов переключателя, снижение напряжения срабатывания и увеличение скорости переключения. Однако напряжение срабатывания современных переключателей составляет несколько вольт и более и не позволяет широко использовать их в современных электронных схемах, обладающих низким энергопотреблением. Поэтому разработка МЭМС/НЭМС-переключателей с низким напряжением срабатывания является актуальной задачей.
Один из наиболее эффективных методов снижения напряжения срабатывания переключателя заключается в уменьшении упругости кантилевера. Для изготовления кантилевера, обладающего малой упругостью, целесообразно применять материалы с относительно малым модулем Юнга, к которьм относятся металлы (А1, Аи и др.) и полимеры (8Ц-8, полистирол). Однако для получения сверхмалых значений упругости необходимо уменьшать толщину кантилевера до наноразмерной величины, сохраняя длину на микронном уровне, т.е. увеличивать отношение длины к толщине. Для изготовления нанокантилеверов со сверхвысоким отношением длины к толщине (более 100) полимеры малоприменимы. Кроме того, кантилевер должен быть проводящим, поэтому для изготовления кантилевера МЭМС/НЭМС-переключателя целесообразно использовать металлы. Согласно литературным

Рисунок 1.20 - Кантилеверы толщиной 50 нм, Рисунок 1.21 - Кантилеверы толщиной материал - композит №-Мо [74] 100 нм, материал - А1 [75]
Рисунок 1.22 - Кантилеверы толщиной 1,32 мкм, материал - А1 [76]
Рисунок 1.23 - Кантилеверы толщиной 100 нм, материал - Аи [78]
Рисунок 1.24 - Кантилеверы толщиной 83 нм, Рисунок 1.25 - Кантилеверы толщиной
материал - Сг [81] 100 нм, материал - пермаллой (№»оРе2о) [82]