Диссертация (Исследование потери устойчивости для нелинейной микромеханической структуры), страница 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 исследованияВ ходе проведения диссертационного исследования были измерены упругиесвойства напылённых металлических плёнок, а также изучены проявления потериустойчивости в нелинейным микромеханических структурах.Для определения упругих свойств напылённых плёнок были изготовленытестовые образцы внеплоскостного микроэлектромеханического актюатора в видеизогнутого кантилевера и защемлённых с обоих концов балок. Для изготовленияобразцов использовались методы поверхностной микрообработки, основнойоперацией которой являлось магнетронное напыление структурных слоёв Cr-CuCr.

Для исследования упругих свойств полученных плёнок применялись:– оптические методы измерения кривизны кантилевера и температурнойзависимости внутренних напряжений;– методы растровой электронной микроскопии (РЭМ) для изученияморфологии структурных слоёв;– лазерная доплеровская микроскопия («Laser Doppler Vibrometer» фирмы«Polytec») для определения резонансных частот кантилевера;– конфокальной микроскопии («Keyence VK-9700») для определениякривизны поверхности плёночных элементов– численные методы моделирования с использованием метода конечныхэлементов (МКЭ) с последующей верификацией разработанной модели.Для изучения поведения нелинейных микромеханических структур имеханизмов проявления в них потери механической устойчивости былоиспользовано прототипирование тестовых образцов с использованием технологииобъёмной микрообработки кремния.

Выбор технологии обусловлен возможностьюосуществить прямой контроль над формированием формы профиля упругого8элемента и его внутренними напряжениями. Для изучения поведения, определенияупругих сил реакции на действующую нагрузку, точек потери устойчивости ичастотных характеристик данных структур были применены следующие методы:– оптические методы для определения нагрузки, проводящей к потеремеханической устойчивости, заданной источником напряжения сконтролем управляющего напряжения вольтметром;– оптические методы для определения температурных зависимостей, приизмерении смещения в температурном диапазоне 0 – 60 ̊С;– методы РЭМ для определения геометрических параметров изготовленныхтестовыхобразцовиучётаотклоненийразмеров,вызванныхтехнологическими уходами;– методы дифференциального измерения ёмкости для определениястатического отклика и переходных процессов при потере механическойустойчивости нелинейной микромеханической структуры под действиемпостоянного напряжения путем измерения электрических сигналовосциллографом;– методы лазерной доплеровской микроскопии и стробоскопическойвидеомикроскопии («Polytec MSA-500») для высоколокального измерениядинамических характеристик нелинейных резонаторов– методы дифференциального измерения ёмкости для определенияамплитудно- и фазово-частотных характеристик тестовых образцов привозбуждении колебаний переменным напряжением (генератор) ипеременнымнапряжениемспостояннымсмещением(источникпостоянного напряжения и генератор) в вакуумной камере путемизмерения электрических сигналов осциллографом;– численныеметодымоделированиясиспользованиемпоследующей верификацией разработанной модели.МКЭс9Научная новизна результатов диссертационной работы1Получены 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 работы1Получены 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.2Определеназависимостьлинеаризациипотенциальнойэнергиинелинейной микромеханической структуры от геометрических параметровупругих элементов и установлена степень влияния несимметричных форм потериустойчивости на сохранение бистабильного поведения.103Продемонстрировано,аркообразногоупругогочтоэлементаприменениепрямоугольноймодуляциифункциейпрофиляприводиткувеличению 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.6плёночныхРазработанкомплексмеханическихметодикструктуриопределенияметодикупругихизмерениясвойствнелинейныхмеханических 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 привыполнении ряда научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ:11– 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«Разработкаконструкцииитехнологиипроизводствамикромеханических чувствительных элементов для навигационных системповышенной точности» (ФЦП "Исследования и разработки по приоритетнымнаправлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020годы" (RFMEFI57815X0123) № 14.578.21.0123).Научные положения, выносимые на защиту:1Ростдефектоввходенепрерывногопослойногоосаждениятонкопленочных покрытий Cr-Cu-Cr приводит к снижению модулей Юнга меди ихрома до 60 ГПа и 120 ГПа соответственно.2Основнымфактором,определяющимвеличинувнутреннихнапряжений 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 возникновениенесимметричныхформпотериустойчивостиприводитклинеаризациипотенциальной 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 два12раза 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.Апробация работыОсновныерезультатыдиссертационнойработыдокладывалисьиобсуждались на следующих конференциях, семинарах и школах:1.Семинар«Конструктоско-технологическоепроектирование»,Санкт-Петербург, Россия, 12-15 мая 2015 года;2.18 всероссийская молодёжная конференция по физике полупроводников инаноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектроинке, Санкт-Петербург,Россия, 28 ноября – 02 декабря 2016 г;3.X Всероссийский форум студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука иинновации в технических университетах", Санкт-Петербург, Россия, 24 – 28октября 2016 г;4.Научно-практическая конференция с международным участием «XLVНеделя науки СПбПУ», Санкт-Петербург, Россия, 4 – 19 ноября 2016 г;5.V международная школа-конференция «Saint-Petersburg OPEN 2018» поОптоэлектронике, Фотонике, Нано- и Нанобиотехнологиям, Санкт-Петербург,Россия, 3 – 6 апреля 2017;6.XXIVСанкт-Петербургскаямеждународнаяконференцияпоинтегрированным навигационным системам (МКИНС2017), Санкт-Петербург,Россия, 29 – 31 мая 2017 г;7.Семминар с международным участием «Seminar on MEMS based sensitiveelements», Ганновер, Германия, 8 – 15 октября 2017 г;138.Международнаяконференция«MikroSystemTechnikKongress2017»,Мюнхен, Германия, 23-25 октября 2017 г;9.V международная школа-конференция «Saint-Petersburg OPEN 2018» поОптоэлектронике, Фотонике, Нано- и Нанобиотехнологиям, Санкт-Петербург,Россия, 3 – 6 апреля 2017.ПубликацииПо теме диссертации опубликовано 18 научных работ, из них: 3 статьи внаучном журнале, рекомендованный ВАК, 2 патента на полезную модель, 8 статейв научных журналах, индексируемых «SCOPUS»Степеньдостоверностирезультатовопределяетсякомплекснымиспользованием современных экспериментальных, аналитических и численныхметодик, соответствием полученных экспериментальных и расчётных результатов,их воспроизводимостью и корреляцией с данным из литературных источников.Личный вклад автора имеет определяющее значение в постановке цели изадач, в выборе объектов и методов исследования.