Диссертация (Исследование потери устойчивости для нелинейной микромеханической структуры), страница 7

Определение внутреннихнапряжений носит сложнопрогнозируемый характер из-за многообразия факторов,влияющихнамеханическиенапряжения.Напараметрыплёноккромеособенностей процессов осаждения могут так же оказывать влияние ииндивидуальныеособенностиотдельныхустановок.Такимобразомдляпредопределения параметров несовершенных аркообразных упругих структур,необходимопроведениетехнологическогомоделированиядляизучениянапряжённых слоёв.1.6 Выводы и постановка задачи исследованияПодводя итог, можно отметить, что исследование и разработка микросистемс потерей механической устойчивости имеее высокие темпы развития. В настоящеевремя проделано множество работ, посвящённых исследованиям потериустойчивости в устройствах МСТ и, в частности, исследованиям поведения микро38арочных элементов жёсткости.

Разработанные и описанные аналитические моделипозволяют определять поведения аркообразных балок как в статике, так и вдинамике. Однако для внедрения вышеназванных принципов в устройства МСТ,требуется развития конструкционных и технологических основ. Настоящая работапосвященаразработкеконструкции,методовуправленияитехнологииизготовления нелинейных микромеханических структур с потерей устойчивости, атакже экспериментальному исследованию их статического и динамическогоповедения. На настоящее время можно выделить ряд проблем, решение которыхнеобходимо для разработки и изготовления мультистабильных систем:1. Технологии изготовления преднапряжённых аркообразных упругихэлементов и упругим свойствам осаждаемых слоёв уделялось мало внимаю из-засложности контроля однородности параметров [32].

Для решения даннойпроблемытребуютсянапряженийнадополнительныеформообразованиеисследованиявлияниявнеплоскостныхвнутреннихплёночныхмикроэлектромеханических элементов и анализ технологических методовформирования нелинейных микромеханических структур с проявлением потериустойчивости.2. Основной особенностью данных систем является их бистабильноеповедение и устойчивость в стабильных состояниях.

Однако проведённыеисследования показывают низкую устойчивость второго стабильного состояния,имеющего сильную зависимость от геометрических периметров (вплоть доотсутствия бистабильного поведения) [18, 31]. Слабая механическая устойчивостьвторого стабильного состояния – проблема, обусловленная сильно выраженныминизкоэнергитическими вращательными формами переходов, а методы повешенияустойчивости для преднапрежённых структур требуют развития [18]. Так длярешения данной проблемы требуется разработка численной модели поведенияаркообразных упругих подвесов и выявление критериев, влияющих намеханическую устойчивость стабильных состояний, таких как геометрическиепараметры и внутренние напряжения.393.

Рабочий зазор привода ограничивает рабочий ход арки. Кубическаянелинейность, присущая арочным упругим элементам позволяет существенноснизить нестабильность схлопывания (pull-in нестабильность), однако формапрофиляданныхмежэлектродногоэлементовзазора,априводиткзначительномуименноксущественномуувеличениюснижениюэлектростатической силы в областях перехода и резкому возрастанию её послеперехода [19], что приводит к ограничению в высоте арочного прогиба балки.Данная проблема требует дополнительных решений в области проектированияприводных переключающих элементов таких как описано в работе [45];4.

Статический переход между промежуточными стабильными состояниямикрайне неэффективен – в большинстве работ для обеспечения переходов междустабильными состояниями рассматривались нечётные (симметричные) формыпереходов, в тоже время низкоэнергетический переход между стабильнымисостояниями через чётные (несимметричные) формы переходов [20] осталсямалоизученным и требует развития численной модели и экспериментальныхисследований. Был так же предложен метод переключения между устойчивымисостояниями на основе резонансного возбуждения, численная модель показываетэнергетическую эффективность данного метода [34].

Однако, данной моделью неучитывается управление реальной системой с квадратичной и кубическойнелинейностью.Дляразвитияданногометодатребуетсяполучениеэкспериментальных данных о динамическом поведении систем с аркообразнымиупругими элементами под действием различных нагрузок.Такимоснованныхобразом,надляпроектированияаркообразныхэлементахмультистабильныхжёсткости,требуетсяустройств,решениевышеописанных проблем и развитие как численной модели поведенияпреднапряжённых элементов, так и разработки технологический решений.40ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АРКООБРАЗНЫХ УПРУГИХЭЛЕМЕНТОВ2.1Технология изготовления внеплоскостных плёночных акрообразныхэлементов с использованием поверхностной микрообработкиАркообразныеупругиеэлементы,выполненныесиспользованиемтехнологии поверхностной микрообработки, имеют ряд преимуществ передкремниевымиобъёмнымибалками.Такиеэлементыимеютболеепредпочтительное соотношение сторон (в данном случае высота арочного прогибак толщине плёнки), необходимое для бистабильного поведения, а технология ихизготовления является относительно недорогой и обладает возможностьюинтеграциисдругимимикроэлектроннымиустройствами.Крометого,использование данной технологии позволяет добиться более высоких величинуправляющих нагрузок в случае электростатического возбуждения за счёт малойвеличины зазоров между обкладками электродов.Основнаяпроблема,которуюнеобходиморешитьприсозданиипреднапряжённых внеплоскостных аркообразных упругих структур – этоформирование плёнок с внедрёнными внутренними напряжениями, с трудомподдающимися прогнозированию и контролю.

Важной частью данной работыявляется экспериментальное определение внутренних напряжений и достижениевоспроизводимости и равномерности их значений. Ключевой особенностьюизготовления внеплоскостных плёночных структур является технологическоеуправление внутренними напряжениями, возникающими в процессе формированияструктурных механических слоёв плёнок.Потеря устойчивости балки или мембраны обуславливает её бистабильноеповедение, то есть, при снятии внешней нагрузки, система сохраняет устойчивоесостояние, вблизи которого она находится.

Для управления данной системой, впростом случае, требуется генерировать внешнюю нагрузку в двух направлениях.Для электростатического возбуждения это означает, что необходимо формироватьтрёхэлектродную структуру: нижний электрод, подвижный аркообразный электрод41и верхний электрод. Отметим, что переход в изначальное стабильное положениеможет быть организован с использованием несимметричной нагрузки, приводящейк неустойчивой второй форме потери устойчивости. Экспериментальная проверкаданного предположения представлена в третьей главе.Разработанная в данном исследовании МЭМС представлена на рис.

2.1а исостоит из проводящего преднапряжённого тонкоплёночного упругого слоя,сформированного на кремниевой подложке с изоляционным слоем оксидакремния. При этом кремниевая подложка является первым электродом. Второйэлектрод сформирован на стеклянной подложке (pyrex или ЛК-5), соединяемой скремниевой подложкой и закрывающей подвижный элемент. Второй электродразделён на три части (крайние – атюаторные; центральный – измерительный) длявозможности формировать несимметричную нагрузку.

Представленная схемаможет быть выполнена с аркообразным элементом в виде мембраны, балки или ввиде массива балочных элементов мультистабильного переменного конденсатора(рис. 2.1б).siliconКремниеваяподложка смассивом балокglass substrateэвтектическиеконтактытонкопленочнаяаркообразная балкасиловыеэлектродыСтекляннаяподложка сэлектродамиосновные функциональныеэлементы (собранные)Рисунок 2.1 – Поперечное сечение бистабильной системы переменногомикроэлектромеханического конденсатораВрамкахописанныхтребованийкконструкциибылразработантехнологический маршрут, основанный на стандартных операциях поверхностноймикрообработки(рис.монокристаллический2.2).кремнийВкачествеКДБ-0,01подложкиориентации(100)использовансвысокойпроводимостью и двухсторонней полировкой. Для формирования изоляционногослоя, также являющегося жертвенным слоем, на поверхности кремниевой42пластины создавался слой SiO2 методом термического окисления или плазмохимического осаждения. Толщина слоя определялась из расчёта электрическихпараметров конденсатора и технологических соображений для сохранения зазора,обеспечивающегопроникновениежидкостноготравителя.Нанижнююповерхность (без изоляционного слоя) методом магнетронного напылениянаносился сплошной металлический слой, необходимый для формированиянижнего контакта.а) окисленная кремниевая положкае) стеклянное основаниеб) нанесение металлизацииё) нанесение металлизациив) травление металлизацииж) травление металлизацииг) травление SiO2з) формирование эвтектических контактовд) щелочное травление Siи) соединение пластинРисунок 2.2 – Технологический маршрут формирования бистабильнойсистемы переменного микроэлектромеханического конденсатораНа поверхность оксида кремния наносятся проводящие металлическиеплёнки (в настоящей работе Cr-Cu-Cr) методом магнетронного напыления в средеаргона.

Эта операция является определяющей для данной системы, так как приосажденииметаллическихплёнокформируютсявнутренниенапряжения,определяющие конечный профиль бистабильной структуры и параметры еёповедения. Внутренние напряжения и упругие характеристики, как показал анализ43источников, определяются параметрами процесса напыления. Одним из способовтехнологического управления внутренними напряжениями является управлениедавлением аргона в ходе процесса формирования плёнки, то есть управлениеэнергией падающих на подложку частиц.