Автореферат (Исследование потери устойчивости для нелинейной микромеханической структуры)

2Работа выполнена на кафедре «Физико-химия и технологии микросистемнойтехники» федерального государственного автономного образовательного учреждениявысшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет ПетраВеликого».Научный руководитель:Пятышев Евгений Нилович, к. ф-м. н.,заведующийлабораторией«Наноимикросистемнойтехники»,Федеральногогосударственного автономного образовательногоучреждения высшего образования «СанктПетербургский политехнический университетПетра Великого»Официальные оппоненты:Корляков Андрей Владимирович, д.

т. н.,директора НОЦ «Нанотехнологии», профессоракафедры микро- и наноэлектроники Федеральногогосударственного автономного образовательногоучреждениявысшегообразованияСанктПетербургскийгосударственныйэлектротехнический университет «ЛЭТИ» им.В.И.Ульянова», г. Санкт-Петербург.Дзюбаненко Сергей Владимирович, к. т. н.,начальник отдела «Центр микросистемотехники»открытого акционерного общества «Авангард». г.Санкт-Петербург.Ведущая организация:Акционерноеобществог. Санкт-Петербург«ГИРООПТИКА».Защита состоится «30» мая 2019 г. в «___» часов на заседании диссертационногосовета Д 212.229.02, созданного на базе ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургскийполитехнический университет Петра Великого» по адресу: 195251, Россия, г.

СанктПетербург, ул. Политехническая, д. 29. С диссертацией можно ознакомиться вбиблиотеке ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет ПетраВеликого» и на сайте Электронной библиотеки СПбПУ по адресу: http://elib.spbstu.ruАвтореферат разослан «___» ________ ____ г.Ученый секретарьдиссертационного советак.х.н.Семенча Александр Вячеславович3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Основными элементами микроэлектромеханическихсистем (МЭМС) являются упругие подвесы в виде балок и мембран. В последнеедесятилетие большое внимание приобрели нелинейные элементы жёсткости, чтообусловлено особенностью их частотных характеристик и возможностьюформирования мультистабильных систем на их основе.

Особое внимание уделяетсяаркообразным подвесам, профиль которых определяется формой потеримеханической устойчивости. Нелинейность таких подвесов обусловлена резкимвозрастанием аксиальной нагрузки при действующей на балку или мембранупоперечной нагрузке. При этом наблюдается скачкообразное изменение профиляподвеса при достижении критической аксиальной нагрузки, то есть происходитмеханическая потеря устойчивости упругого подвеса.

Подобная структура имеетдва минимума механической энергии, что обеспечивает наличие двух стабильныхсостояний.Изначальный профиль аркообразной балки и внешние или внутренниеаксиальные нагрузки являются ключевыми факторами, определяющими характерповедения и нелинейные свойства аркообразной балки. Существует два основныхтехнологических подхода к формообразованию нелинейных микромеханическихструктур: использование объёмной технологии микрообработки кремния с прямымконтролем изначальной формы балки и изготовление с применениемповерхностной технологии, где форма профиля балки определяется остаточнымипродольными внутренними напряжениями.

Поверхностный метод остаётсямалоизученным из-за невозможности прямого контроля профиля балки. Решениеданной задачи требует проведения исследований, направленных наформообразование внеплоскостных плёночных структур посредством контролявнутренних напряжений.Другой проблемой бистабильных микромеханических устройств саркообразными подвесами является малая механическая устойчивость второгостабильного состояния. Это объясняется остаточным вращательным моментом,действующим после перехода. Для решения данной проблемы необходимоисследование критериев, влияющих на устойчивость второго стабильногосостояния, и оптимизация геометрических параметров упругого подвеса.Особенности нового класса МЭМС устройств, включающих применённый вмикроразмерах принцип потери устойчивости, требуют разработки новыхспособов управления.

Так, для оптимизации управления могут быть использованыдинамические методы. Наличие нелинейных АЧХ и отсутствие достаточныхсведений о динамическом поведении данных систем требуют детальноготеоретического и экспериментального их изучения.4Нелинейные микромеханические структуры могут быть использованы длясоздания энергоэффективных микроэлектромеханических устройств, имеющихдва или более стабильных состояния и не требующих энергии для поддержанияэтих состояний. К этим устройствам относятся мем-конденсаторы и настраиваемыеLC-схемы, реле и переключатели, элементы памяти, фокусирующие микролинзы.В ходе работы проведено всестороннее рассмотрение тонкоплёночныхмультистабильных систем, включающее в себя как теоретический анализ, так иэкспериментальные исследования.

Получены новые данные, позволяющиеувеличить стабильность устойчивых состояний и повысить эффективностьуправления переходами между ними.Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы состоит в разработкеконструкции, методов управления и технологии изготовления нелинейныхмикромеханических структур с потерей устойчивости, а также исследование ихстатического и динамического поведения.Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:1. Исследование влияния внутренних напряжений на формообразованиевнеплоскостных плёночных микроэлектромеханических элементов и анализтехнологических методов формирования нелинейных микромеханическихструктур с проявлением потери устойчивости;2. Разработка численной модели поведения аркообразных упругих подвесови выявление критериев, влияющих на механическую устойчивость стабильныхсостояний, таких как геометрические параметры и внутренние напряжения;3. Получение данных о динамическом поведении систем с аркообразнымиупругими элементами под действием различных типов нагрузок;Объекты и методы исследования.

В ходе проведения диссертационногоисследования были измерены упругие свойства напылённых металлическихплёнок и объемных кремниевых балок, а также изучены статические идинамические характеристики поведения нелинейных микросистем основанных напотери устойчивости.Для исследования упругих свойств полученных плёнок применялись:– оптические методы измерения кривизны кантилевера и топологииструктур;– методы растровой электронной микроскопии (РЭМ) для определениягеометрических параметров изготовленных тестовых образцов и изученияморфологии структурных слоёв;– конфокальная микроскопия («Keyence VK-9700») для определениякривизны поверхности плёночных элементов5– методы лазерной доплеровской микроскопии и стробоскопическойвидеомикроскопии («Polytec MSA-500») для высоколокального измерениядинамических характеристик нелинейных резонаторов– численные методы моделирования с использованием метода конечныхэлементов (МКЭ) с последующей верификацией разработанной модели– методы дифференциального измерения ёмкости для определениястатического отклика и переходных процессов при потере механическойустойчивости нелинейной микромеханической структуры под действиемпостоянного напряжения, путем измерения электрических сигналовосциллографом.Научная новизна результатов диссертационной работы.1Получены новые данные о влиянии структурных дефектов восаждённых магнетронным напылением плёнках Cr-Cu-Cr на упругие свойствапленок и величину внутренних механических напряжений.2Выявлены критерии, оказывающие доминирующее влияние на наличиебистабильногоповедениянелинейныхмикромеханическихструктур,обусловленного потерей механической устойчивости.3Предложен и экспериментально проверен новый конструкционныйметод повышения устойчивости стабильных состояний, основанный на локальномувеличении жёсткости для снижения проявления несимметричных форм переходоваркообразных упругих микромеханических структур.4Экспериментальноопределеныамплитудныеифазовыехарактеристики микромеханических резонаторов с параллельно объединеннымиаркообразными упругими элементами при возбуждении их колебаний в условияхвысокого и низкого вязкоупругого демпфирования.5Разработана и экспериментально продемонстрирована новая схемауправления переходами между двумя устойчивыми состояниями нелинейноймикромеханической структуры с применением частотного возбуждения колебанийи смещения резонансной частоты постоянной нагрузкой.Научная и практическая значимость диссертационной работы.1Получены экспериментальные данные о степени влияния структурныхдефектов и морфологии поверхности на упругие свойства осаждённыхмагнетронным напылением плёнок Cr-Cu-Cr, которые имеют значение дляразработки и изготовления внеплоскостных микроэлектромеханических систем,формируемых по технологиям поверхностной микрообработки.2Определена зависимость линеаризации потенциальной энергиинелинейной микромеханической структуры от геометрических параметровупругих элементов и установлена степень влияния несимметричных форм потериустойчивости на сохранение бистабильного поведения.63Продемонстрировано, что применение модуляции профиляаркообразного упругого элемента прямоугольной функцией приводит кувеличению относительной глубины потенциальной ямы деформационноэнергетической зависимости и снижает влияние несимметричных форм потериустойчивости, то есть позволяет повысить устойчивость стабильных состоянийнелинейной микромеханической структуры.4Установлено, что повышение добротности нелинейных резонаторов саркообразными упругими элементами при резонансном возбуждении приводит ксущественному увеличению скорости изменения фазы колебаний, однаконаблюдаемое возрастание амплитуды колебаний имеет ограничение.5Продемонстрировано, что снижение электрического напряженияуправления бистабильным микромеханическим приводом может быть достигнутопри возбуждении вынужденными колебаниями с частотой ниже его резонанснойчастоты и постоянном напряжении, приводящим к смещению его резонанснойчастотыдочастотывозбуждения.Приэтомвакуумированиемикроэлектромеханической системы приводит к увеличению эффективностиданного метода.6Разработан комплекс методик определения упругих свойствплёночных механических структур и методик измерения нелинейныхмеханических характеристик МЭМС.7Разработаны конструкции и технологии изготовления поверхностныхи объёмных нелинейных микромеханических структур для применения в такихМЭМС, как энергонезависимые оптоэлектромеханические переключатели дляширокополосной связи, контактные электромеханические реле для коммутациисигналов силовой электроники, вибрационные микромеханические гироскопы(датчикисилыКориолиса)длямалогабаритныхбесплатформенныхнавигационных систем.Результаты диссертационной работы использованы при выполнении ряданаучно-исследовательских и опытно-конструкторских работ:– составная часть ОКР «Разработка и изготовление оптических модулей наоснове оптических ключей, разветвителей и коллиматорных соединителей,выполненных на базе объемной и поверхностной технологии микромеханики»;– составная часть НИР "Исследование возможности создания рядаэнергонезависимых модулей хранения информации, стойких к СВВФ, потехнологии LTCC";– ПНИЭР «Разработка конструкции и технологии производствамикромеханических чувствительных элементов для навигационных системповышенной точности» (ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным7направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020годы" (RFMEFI57815X0123) № 14.578.21.0123).Научные положения, выносимые на защиту:1Рост дефектов в ходе непрерывного послойного осаждениятонкопленочных покрытий Cr-Cu-Cr приводит к снижению модулей Юнга меди ихрома до 60 ГПа и 120 ГПа соответственно.2Основным фактором, определяющим величину внутреннихнапряжений тонкопленочных покрытий Cr и Cu, сформированных в ходемагнетронного осаждения, является давление рабочего газа, при этом в диапазонедавлений аргона от 1,5 до 3 мТорр происходит переход от сжимающих напряженийк растягивающим.3Снижение отношения высоты арочного прогиба упругой балки ктолщине её профиля ниже значения 3,4 : 1 приводит к сглаживанию потенциальнойямы в области второго стабильного состояния, при этом возникновениенесимметричных форм потери устойчивости приводит к линеаризациипотенциальной энергии уже при значении вышеназванного отношения 5,1 : 1.4Модуляция профиля аркообразного упругого элемента (увеличениежёсткости в центральных областях плеч балки) приводит к увеличениюотносительной глубины потенциальной ямы, при этом модуляция прямоугольнойфункцией позволяет увеличить относительную глубину потенциальной ямы в двараза при повышении силы реакции балки, соответствующей переходу во второеустойчивое состояние, в 1,4 раза.5Действие постоянной нагрузки на нелинейную микромеханическуюструктуру с упругим элементом в виде аркообразной балки приводит к изменениючастоты собственных колебаний, при этом колебания, возбуждаемые переменнойнагрузкой на частоте, лежащей в полосе пропускания резонатора, приводят кскачкообразному переходу между устойчивыми состояниями при снижениинапряжения управления до двух раз в зависимости от добротности механическогорезонатора.Степень достоверности результатов и обоснованность выводовполученныхвдиссертационнойработе,определяетсякомплекснымиспользованием современных экспериментальных, аналитических и численныхметодик, соответствием полученных экспериментальных и расчётных результатов,их воспроизводимостью и корреляцией с данным из литературных источников.Апробация результатов работы.