Файл: Магистерская Болтунов.docx

Характеристики микромеханических реле на основе тонких слоистых исполнительных элементов

Москва 2011

АННОТАЦИЯ

Работа содержит: 100 страниц, 58 рисунков, 23 таблицы.

В главе 1 «Анализ принципа действия, конструкции и технологии изготовления микромеханических реле (Обзор литературы)» рассмотрены типовые конструкции и принцип действия микрореле (1.1), а также методы изготовления микросистем и основные технологические операции в процессе формирования микромеханических реле (1.2). В разделе (1.3) рассмотрены физико-технологические ограничения при изготовлении микрореле.

Глава 2 «Исследование характеристик исполнительных элементов, полученных методом гальванического осаждения, для применения в устройствах МСТ (Экспериментальная часть)» отражает результаты исследования режимов гальванического осаждения никеля, меди и золота и характеристик исполнительных элементов на их основе.

В главе 3 «Оптимизация технологического процесса» представлена улучшенная на основе экспериментальных данных технология гальванического осаждения и рекомендации по преодолению физико-технологических ограничений. В приложения включены 5 расчетов.

ANNOTATION

In this paper, galvanic conditions and mechanical properties of electroplated gold-nickel-gold actuators were studied to improve microwave switch operating parameters.

ВВЕДЕНИЕ

Механические микросистемы находят широкое применение в космическом приборостроении, а также в других отраслях как гражданской, так и военной промышленности. Под механическими микросистемами понимаются такие устройства, как микродатчики и микроприводы, способные реагировать на изменение окружающей среды, используя для этого внутренние средства управления. В состав таких систем могут входить различные микрокомпоненты в зависимости от функционального назначения устройства, например: микроисточники питания, микрореле, сигнальные микропроцессоры, и др. Микрокомпоненты позволяют повысить быстродействие и надежность системы, снизить стоимость, расширить ряд функциональных возможностей.

В работе исследовались микросистемы на основе микромеханических реле c электростатическим механизмом управления.

Цель работы. Оптимизация технологии изготовления и конструкции исполнительных элементов устройств микросистемной техники для улучшения характеристик микромеханических реле.

Для достижения цели требуется решить следующие задачи:

1. Провести анализ принципа действия типовых конструкций микрореле и основных методов изготовления.

2. Выявить основные физико-технологические ограничения при изготовлении микромеханических реле.

3. Провести экспериментальную работу.

4. Сформулировать рекомендации по преодолению физико-технологических ограничений.

5. Сформулировать выводы.

1. Анализ принципа действия, конструкции и технологии изготовления микромеханических реле (обзор литературы)

1.1. Принцип действия и особенности конструкции исполнительных элементов микромеханических реле

Микромеханическое реле – это силовое микроустройство, осуществляющее разрыв или соединение линии передач при помощи исполнительного механизма, управляемого специальным сигналом. Микрореле используются в высокочастотных схемах для перенаправления сигналов (в том числе сигналов большой мощности и высокой частоты), а также в цепях согласования импеданса и для изменения усилительного коэффициента усилителей.

Любое микроэлектромеханическое устройство состоит из некоторого набора микроструктур, объединяющих механические и электронные компоненты, изготовленные по единой технологии (за исключением гибридных микроприборов). В общем случае, ЭКБ можно разделить на преобразователи, упругие подвесы, и электронные средства [ 1–4].

Принцип действия исполнительного механизма микрореле основан на преобразовании электрической энергии в механическую и наоборот, для чего применяются частотно-зависимые преобразователи. Преобразователи бывают пьезоэлектрическими, электрострикционными, магнитострикционными, электромагнитными, электродинамическими, электростатическими и др. [1].

Несмотря на то, что каждый из указанных типов преобразователей имеет свои достинства и недостатки, электромеханические приводы являются самыми распространенными в микросистемах [2]. Преимущество электростатических исполнительных механизмов заключается в отсутствии потребления тока, а недостаток – в высоком напряжении срабатывания (от 5 до 100 В). Электростатические реле применяются в системах, для которых важным является низкая потребляемая мощность [1].

Исполнительный элемент электростатического микрореле, в самом простом случае, представляет собой систему из двух коммутирующих электродов (подвижного и неподвижного), электрически изолированных друг от друга в разомкнутом состоянии [5].

В консольном микрореле такой элемент выполнен в виде свободно подвешенной консольной балки (см. рис.1) [2].

Рис.1.1. Консольное микромеханическое реле.

а) Ключ разомкнут; б) Ключ замкнут.

При подаче управляющего напряжения между металлическими поверхностями происходит перераспределение зарядов, что приводит к возникновению электростатических сил. Под действием этих сил, заставляющих свободно подвешенный контакт двигаться навстречу нижнему электроду, балочка прогибается. В ней возникают силы упругости, направленные в противоположных воздействию направлениях. В момент, когда электростатические силы превзойдут силы упругости – консоль резко упадет на нижний электрод, что приведет к замыканию электрических контактов (рис.1.1-б).

Консоль вернется в исходное положение (рис 1.1-а) после того, как приложенное напряжение станет ниже порогового значения размыкания контактов (которое, как правило, бывает значительно ниже напряжения срабатывания) [2].

Рассмотрим подробнее процессы, возникающие в балочке консольного микромеханического реле под действием внешней силы (рис. 1.2-а). Любой объем, расположенный в напряженном теле, подвержен воздействию двух типов сил: объемных и поверхностных [3].

Объемные силы действуют на все части упругого элемента извне, к ним относятся, например, сила тяжести и сила инерции. Поверхностные силы приобретают огромное значение для наноразмерных объектов, в частности, наноструктурированных пленок. Дальнейшая миниатюризация микроустройств и развитие планарных технологий в полупроводниковой промышленности уже происходит с учетом эффектов в приповерхностном слое, таких как, например, реконструкция атомов и возникновение другого порядка из-за ненасыщенности связей на поверхности [4].

Поверхностные силы в рассматриваемых микро- и нанотолщинных балочных подвижных элементах действуют через поверхность любого удельного объема со стороны окружающих частей. Через них выражаются механические напряжения. В свою очередь, связь между механическими напряжениями и деформациями определяет закон Гука. Если принять упругие свойства материала консоли анизотропными, то закон Гука в тензорной форме примет вид:

ε_ij = s_ijkl×T_kl (1.1)

где: s_ijkl – тензор упругих податливостей; T_kl – тензор мех. напряжений [3].

Выделим часть консольной балочки сечением S, левую часть упругого элемента отбросим. Уравновесим отсутствующую левую часть силами, распространяющимися по сечению, как показано на рис. 1.2-б.

Рис.1.2. а) Балочка консольного микрореле под действием силы Q.

б) Выделенная сечением S часть консольной балки.

Вертикальную составляющую смещения балочного исполнительного элемента можно найти на основе вычисленных компонент тензора механических напряжений и тензора упругих деформаций:

(1.2) где: а – толщина балочки; b – ширина балочки; L – длина балочки;

Q – действующая сила; S_ij – тензор упругих деформаций.

Выражение (1.2) справедливо для случая, когда кристаллографическая ориентация молекул материала балочки совпадает с осями x₁, x₂, x₃ (см. рис. 1.2). Расчет смещения консольной балки для всех случаев кристаллографической ориентации рассмотрены подробно в [3]. Четыре года спустя, другая группа ученых [5] также выяснила, что отклонение конца балки пропорционально L³/a³b.

Рассмотренный выше балочный подвижный элемент применяется при последовательном электрическом соединении, в случае параллельного соединения используют, например, двухконсольные микромеханические реле (рис.1.3), в которых роль исполнительного элемента выполняет жестко зафиксированная мембрана [6].

Рис.1.3. Двухконсольное (мембранное) микромеханическое реле.

а) Ключ разомкнут; б) Ключ замкнут [2].

При подачи сигнала на пластину действует равномерно распределенная нагрузка. Расчет напряжений и деформаций в таком балочном подвижном элементе сводится к решению уравнений на прогибы [4]. Таким образом, мы рассмотрели самые простые конструктивные схемы исполнительных элементов УМСТ – консоли и мембраны. В зависимости от поставленных задач и функционального назначения устройства в электростатических микрореле и других УМСТ могут применяться более сложные типовые конструкции исполнительных элементов.

Исполнительный элемент является самым критическим узлом конструкции микромеханического устройства, что объясняется механической сложностью и подверженностью к износу [2,3].

Исполнительный элемент (чувствительный элемент) устройств микросистемной техники (УМСТ), таких как ВЧ переключатель, акселерометр, датчик давления, состоит из инерционной массы (ИМ), которая смонтирована в корпус с помощью упругих подвесов [2]. На рис. 1.1 представлена принципиальная схема исполнительного элемента УМСТ.

Чувствительные элементы изготавливаются из различных материалов в зависимости от функционального назначения микроустройства: по объемной технологии – из полупроводников или диэлектриков [1-4], по многоуровневой поверхностной технологии – из диэлектрических и/или металличеких микро- и нанотолщинных пленок [2,4].

Исполнительные элементы микроприборов, таких как ВЧ переключатель, акселерометр, датчик давления, изготавливаются на основе гальванических пленок металлов (в том числе золота, меди и никеля), что позволяет упростить и удешевить технологию изготовления конструктивных элементов микромеханических устройств с требуемыми свойствами [2–4].

Характеристики исполнительных элементов зависят от конструктивной схемы, которая выбирается исходя из функционального назначения микроустройства, и технологии изготовления [1–4].

Рис. 1.5. Принципиальные схемы осевых ЧЭ [1] электроуправляемых микроустройств: а), б) ЧЭ с крестообразным подвесом; в),г) ЧЭ с z-образным косо-симметричным подвесом; д) ЧЭ с симметричным подвесом; е) ЧЭ с параллельным подвесом. 1 – ИМ; 2 – упругий элемент; 3 – опорная рамка [1].

Типовую схему ЧЭ можно оптимизировать в соотвествии с поставленной задачей с помощью упругих подвесов, которые бывают трех типов [2]: