Автореферат (1143966), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Основные результаты диссертационнойработы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах ишколах: Семинар «Конструктоско-технологическое проектирование» (СанктПетербург, 2015); 18 всероссийская молодёжная конференция по физикеполупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектроинке8(Санкт-Петербург, 2016); X Всероссийский форум студентов, аспирантов имолодых ученых "Наука и инновации в технических университетах" (СанктПетербург, 2016); V международная школа-конференция «Saint-Petersburg OPEN2018» по Оптоэлектронике, Фотонике, Нано- и Нанобиотехнологиям (СанктПетербург, 2017); XXIV Санкт-Петербургская международная конференция поинтегрированным навигационным системам (Санкт-Петербург, 2017); Семинар смеждународным участием «Seminar on MEMS based sensitive elements» (Ганновер,Германия, 2017); Международная конференция «MikroSystemTechnik Kongress2017» (Мюнхен, Германия, 2017); V международная школа-конференция «SaintPetersburg OPEN 2018» по Оптоэлектронике, Фотонике, Нано- иНанобиотехнологиям (Санкт-Петербург, 2018).Публикации.
По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, из них:3 статьи в научном журнале, рекомендованном ВАК, 2 патента на полезнуюмодель, 8 статей в научных журналах, индексируемых «SCOPUS»Личный вклад автора имеет определяющее значение в постановке цели изадач, в выборе объектов и методов исследования. Изготовление образцов, ихтеоретическое и экспериментальное исследование, а также анализ полученныхрезультатов, проводились лично автором или совместно с соавторами.Структура и объем диссертационной работы.
Диссертационная работасостоит из введения, четырёх глав, заключения, списка сокращений и условныхобозначений и библиографического списка, включающего 90 наименований.Диссертация содержит 155 страницы машинописного текста, включая 80 рисункови 4 таблицы.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении показаны актуальность выбранного направления исследованийи степень его разработанности, раскрыта научная новизна, сформулированы цель иосновные задачи работы, приведены объекты и методы исследования, научная ипрактическая значимость, а также изложены положения, выносимые на защиту.Глава 1 содержит аналитический обзор современного состоянияисследований по теме диссертации.
Показано, что нелинейные микромеханическиеструктуры с потерей устойчивости привлекают внимание исследователейблагодаря комплексу практически важных свойств, обуславливающих ихприменение в качестве функциональных элементов как микроприводов,требующих наличия стабильных состояний, так и резонансных датчиков,требующих расширения частотного диапазона. Рассмотрены основныетеоретические и численные модели описания поведения аркообразных упругихэлементов, а также технологии их изготовления. Сформулирована проблемаобеспечения устойчивости второго стабильного состояния.
Критический анализ9опубликованных данных показал недостаточную изученность технологииизготовления тонкоплёночных аркообразных упругих элементов и нелинейныхдинамических характеристик данных структур. На основании выполненногоанализа опубликованных сведений сформулированы актуальность, цель и задачиисследования.В главе 2 представлен анализ технологий изготовления аркообразныхупругих элементов и аспектов проявления потери устойчивости, вызваннойвнутренними напряжениями осаждённых плёнок. В главе рассматриваютсятехнологическиепроблемыформированиявнеплоскостныхмикроэлектромеханических структур методами поверхностной микрообработки иособенности технологии изготовления подобных нелинейных структур методамиобъёмной микрообработки с использованием глубокого плазмохимическоготравления (ГПХТ).Ключевой особенностью изготовления внеплоскостных плёночных структурявляетсятехнологическоеуправлениевнутренниминапряжениями,возникающими в процессе формирования структурных механических слоёвплёнок.
Было показано, что для формирования нелинейных микромеханическихструктур, профиль которых имеет вид арки, необходимо обеспечение внутреннихрастягивающих напряжений, превышающих критические значения, приводящие кпотере устойчивости. В работе продемонстрировано, что такое управлениявнутренними напряжениями быть достигнуто посредством изменения давлениярабочего газа в ходе магнетронного напыления некоторых металлических плёнок.Было проведено исследование, направленное на выявление закономерностейформирования внутренних напряжений в многослойных плёночных структурах,полученных методом магнетронного напыления.
В качестве объекта исследованиябыла выбрана упругая механическая структура типа «кантилевер» (балка сконсольной заделкой). В подобной структуре внутренние напряжения приводят квозникновению вращательного момента, приводящего к скручиванию свободногопрофиля кантилевера. При этом искривление механической структуры будетпроявляться вне зависимости от знака действующих напряжений и не будет иметьточек бифуркации, в отличие от механической структуры типа «мостик» (балка сзащемлёнными концами). Данные структуры был изготовлены при разномдавлении рабочего газа (рис.
1а, б), где для кантилеверов, напылённых придавлении рабочего газа ниже 3,4 мТорр (рис.1б), наблюдается отрицательнаявеличина кривизны поверхности, свидетельствующая о растягивающихнапряжениях в структуре. В качестве структурных слоёв данного элемента былавыбрана многослойная комбинация Cr-Cu-Cr, осажденная на кремниевуюподложку с изоляционным слоем SiO2. Профиль искривленной структуры,полученный с использованием оптических методов и методов конфокальной10микроскопии на микроскопе «Keyence VK-9700», был использован для расчетавеличин внутренних напряжений в слоях при помощи численного моделирования.Рисунок 1– Фотография многослойных балок с консольным закреплением; давлениерабочего газа: а – 1,2 мТорр; б – 3,4 мТоррДля определения упругих параметров полученных металлических плёнок,использовались контактные методы с применением наноиндентора Hysitron.Полученные величины модуля Юнга для структурных слоёв Cu и Cr составили60 ГПа и 184 ГПа соответственно, и отличаются от табличных значенийпрактически в два раза.
Это объясняется высокой плотностью дефектов иобразованием объемных структурных неоднородностей, обнаруженных в ходеизучения морфологии методом растровой электронной микроскопии.Обнаруженные несовершенства структурных слоёв в первую очередь определяютвеличину и тип внутренних напряжений. Полученные величины упругихпараметров были также оценены резонансными методами, в которых резонансныечастоты кантилевера определялись с помощью лазерного доплеровскоговиброметра (Laser Doppler Vibrometer) LDV Polytec вблизи свободного краякантилевера. Полученные АЧХ и ФЧХ хорошо согласуются с представленнойчисленной моделью.На основании полученных данных были изготовлены аркообразныеструктуры, пример профиля показан на рисунке 2а. Величина внутреннихнапряжений напылённых плёнок определялась расчётным способом, исходя изизмеренных упругих параметров плёнок, кривизны балок и высоты арочногопрогиба мостовых структур.
На рисунке 2б представлена полученная зависимостьвнутренних напряжений структурных слоёв балочных элементов. Из рисункавидно, что внутренние напряжения слоёв хрома имеют сильную зависимость отдавления рабочего газа, вплоть до изменения типа внутренних напряжений (сжатие/ растяжение).11Рисунок 2 – Пример измеренного профиля «мостовых» структур длиной 500мкм (а) изависимость внутренних напряжений структурных слоёв балочных элементов от давлениярабочего газа (Ar) (б)В ходе данного этапа работы были исследованы внутренние напряжения ивыявлены причины их возникновения на примере многослойной плёночнойконструкции Cr-Cu-Cr. Определено, что доминирующим фактором образованиявнутренних напряжений в подобных слоях является рост дефектов и объемныхструктурных неоднородностей высокой плотности. Однако сложность обеспечениявоспроизводимости параметров полученных плёнок из-за чувствительностипроцесса к различным факторам и особенностям процесса и недостаточностьинформации о других комбинациях материалов требуют более детальныхтехнологических исследований, выходящих за рамки данной работы.
Для изученияповедения нелинейных микромеханических структур, основанных на проявлениив них потери устойчивости, целесообразнее использовать технологические методы,исключающие столь высокое влияние несовершенства технологического процесса.Методы объёмной микрообработки с использованием ГПХТ позволяютнепосредственно формировать нелинейные микромеханические структуры,профиль которых соответствует первой форме потери устойчивости.
Для изученияповедения подобных структур была разработана технология и изготовленытестовые образцы. В работе предложен профиль электростатического привода,позволивший снизить влияния аспектного отношения при ГПХТ. Полученныйрезультат позволил добиться увеличения ёмкости гребенчатых электростатическихструктур. Это позволяет применить данные структуры для формированияэлектростатической нагрузки при исследовании статического и динамическогоповедения аркообразных упругих структур.Разработанная технология является наиболее предпочтительной дляпроведения технологического моделирования за счёт возможности контролироватьнапрямую различные параметры и действующие нагрузки в нелинейныхмикромеханических структурах.12Глава 3 включает в себя теоретическое исследование нелинейногоповедения арочных структур и возникающих неустойчивостей и определениестепени влияния внутренних механических напряжений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
