Характеристики микромеханических реле на основе тонких слоистых исполнительных элементов

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

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

.1 Принцип действия и особенности конструкции исполнительных элементов микромеханических реле

1.2 Технология изготовления исполнительных элементов микрореле.

1.3 Физико-технологические ограничения при изготовлении исполнительных элементов микромеханических реле, полученных методом гальванического осаждения

.4 Общие сведения о методе получения гальванических покрытий.

1.5 Состав электролитов никелирования, меднения и золочения

2. Исследование характеристик исполнительных элементов, полученных методом гальванического осаждения, для применения в устройствах МСТ (экспериментальная часть)

2.1 Цель

2.2 Объекты исследования

.3 Методы исследования

.4 Описание эксперимента

2.5 Экспериментальные результаты

2.5.1 Выбор оптимальных режимов и условий осаждения никеля из сульфаминовокислого электролита для применений МСТ

2.5.2 Морфология гальванических пленок никеля, меди и золота, полученных при оптимальных режимах и условиях гальванического осаждения

2.5.3 Механические свойства исполнительных элементов УМСТ на основе системы металлов «золото-никель-золото»

3. Оптимизация исполнительных элементов УМСТ

3.1 Рекомендации по снижению влияния физико-технологических ограничений исполнительных элементов, полученных методом гальванического осаждения, на характеристики микрореле

.2 Характеристики исполнительных элементов микрореле, изготовленных с учетом рекомендуемых технологических и конструктивных решений

Заключение

Приложения

Расчет напряжения срабатывания исполнительного элемента при различных жесткостях упругого подвеса

Расчет давления срабатывания исполнительного элемента при различных жесткостях упругого подвеса

Исследование сил молекулярного взаимодействия между гальваническими пленками никеля, золота и кремниевым зондом атомно-силового микроскопа

Расчет сил адгезии кантилевера к никелевым и золотым балочным подвижным элементам. Обработка экспериментальных данных Mathcad

Расчет сил адгезии кантилевера к никелевым и золотым балочным подвижным элементам по модели леннард-джонса. Mathcad

Список сокращений

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

микромеханический реле гальванический электролит

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:

?ij = sijklxTkl (1.1)

где:sijkl - тензор упругих податливостей; Tkl - 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; Sij - 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.

1 - корпус, 2 - упругий подвес, 3 - подвижный электрод,4 - неподвижный электрод,S - площадь перекрытия обкладок подвижного и неподвижного электродов.

Рис. 1.4. - Конструктивная схема подвижного узла РМП [1].

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]:

Рис. 1.6.Варианты креплений подвесных исполнительных элементов УМСТ для получения низких коээфициентов упругости системы.

ЧЭ на рис.1.5 а), б) имеют две пары упругих элементов, расположенных крестообразно вдоль осей х,z. Конструктивный вариант б) может быть изготволен с меньшей жесткостью подвеса в направлении оси y. Ось чувствительности ЧЭ на рис 1.5 а), б) совпадают с осью y (начало координат на всех рисунках 1.5. находится в геометрическом центре пластин) [1].

Схема рис.1.5 а) реализуется в микрореле, проектируемом в ОАО «Российские Космические Системы»

Рис. 1.7 - Исполнительный элемент с крестообразным подвесом на упругих пружинах.

ЧЭ на рис.1.5 в),г),д) имеют по две пары упругих элементов, параллельных одной из осей: x или z. Эти подвесы могут быть названы z-образными и между ними есть разница, определяемая местом соединения упругого элемента с пластиной ИМ. Оси чувствительности конструкций на рис. в),г),д) совпадают с осью y. Причем, подбирая геометрические размеры упругих элементов, ЧЭ можно спроектировать таким образом, что ИМ будет чувствительна к любой из осей (особенно это относится к схеме д) [1].

Модифицированная схема д) реализуется в микроэлектромеханических переключателях «Теравикта» - одного из ведущих производителей МЭМС.

Рис. 1.8 - Схема исполнительного элемента с симметричным подвесом СВЧ-микрореле «Теравикта» [I] .

Компания «Теравикта» анонсировала выход самого быстрого в мире MЭМС-коммутатора [а], работающего на частоте до 26,5 ГГц.

Исполнительный элемент по схеме (рис 1.5-е) может иметь ось чувствительности, совпадающую с осью y или x.

Схема реализуется в микромеханическом реле компании «Нортроп Грумман Корпарэйшн» (Northrop Grumman Corporation, Los Angeles, CA).

Рис 1.9 - Исполнительный элемент с параллельным подвесом на пружинных упругих элементах от «Нортроп Грумман Корпарэйшн» [II].

Исполнительные элементы на рис.1.5 действуют по тому же принципу, что и рассмотренные выше консоли (рис. 1.1) и мембраны (рис. 1.3).

Уравнение движения ИМ (прогиба) при условии, что центра масс и геометрический центр пластины совпадают, а также совпадают направление действующего ускорения с одной из координатных осей, например с осью y, имеет вид [1]:

my + byy + Gyy = may, (1.3),

где m - масса ИМ; by - коэффициент демпфирования вдоль оси y; Gy - суммарная жесткость подвеса в направлении оси y; ay - действующее ускорение.

В установившемся режиме (y=y=0)

y = may/ Gy (1.4),

Расчет смещения исполнительных элементов разной конструкции подробно рассмотрен в [4,6,7,8].

Таким образом, чувствительность исполнительного элемента зависит от конструкции ЧЭ и ряда параметров: y, y, by, Gy, m.

На рабочие характеристики исполнительных элементов УМСТ влияют: величина зазора между ЧЭ и нижним электродом; напряжение срабатывания; коэффициент демпфирования; инерционная масса; жесткость упругого элемента. Первые три из них в значительной степени зависят от типа конструкции, оставшиеся два - инерционная масса и жесткость упругих элементов зависит от технологии изготовления.

ЧЭ для электроуправляемых УМСТ делают по многоуровневой поверхностной технологии на основе гальванических пленок металлов [3,7]. В зависимости от режимов формирования можно получать исполнительные элементы с различными механическими и электрофизическими характеристиками [5-7,10,13]. Масса и жесткость упругих подвессов может регулироваться временем гальванического осаждения.

В настоящей работе рассматриваются чувствительные элементы типовой конструкции (см рис. 1.7) для коммутационных микроустройств с ЧЭ, изготовленными на основе гальванических пленок золота [12] и никеля [13]. Режимы гальванического осаждения, обеспечивающие требуемые физико-механические свойства определены в [19,20].

Выбор адекватных режимов формирования исполнительных элементов - нетривиальная задача, обусловленная функциональным назначением микроустройства. Например, конструктивные особенности и режимы изготовления ЧЭ микропереключателей позволяют снизить себестоимость и вносимые энергопотери, обеспечить высокое отношение емкостей во включенном и выключенном состояниях, получить добротность того же порядка, что и у существующих электронных аналогов (диод Шотки, MOSFET, PIN-диод) [1-4,10].

Ввиду широкого применения коммутационных микроустройств в космическом приборостроении и других отраслях промышленности, большой интерес представляют пути улучшения рабочих характеристик УМСТ на основе таких исполнительных элементов. В связи с этим особое внимание уделяется технологии изготовления исполнительных элементов УМСТ.

1.2 Технология изготовления исполнительных элементов микрореле

Рассмотрим подробнее основные методы изготовления микроустройств. Техника изготовления микросистем на кремниевых подложках основана на использовании двух методов микрообработки: объемного и поверхностного. Выбор кремния в качестве основы для МЭМС обусловлен хорошими механическими характеристиками (кремниевые структуры могут выдерживать давления p>0.35 ГПа и ускорения до 100000g [4]), электрическими [7] и термическими [4] свойствами. Объемная технология заключается в локальном удалении кремния с одной из сторон подложки с последующим формированием конструктивных элементов, таких как мембраны, консоли и т.д. Для создания микроструктур с помощью поверхностной технологии используются тонкие слои, создаваемые диффузией, ионным легированием и осаждением. Воспроизведение размеров и форм структур приборов, экспонирование фоторезистов осуществляется методом фотолитографии.

Главное достоинство компонентов, реализованных методами поверхностной микрообработки кремния - это простота их объединения с интегральными схемами. МЭМС на кремниевых подложках изготавливаются по групповой технологии, что позволяет получать сотни кристаллов на одной производственной единице, каждый из которых является функционально законченным устройством и может применяться при разработки аппаратуры различного назначения. Следствие - снижение себестоимости. Поэтому, исследуемые микромеханические реле формировались методами поверхностной микрообработки.

Для изготовления микроустройств по поверхностной технологии требуются следующие материалы [1-3]:

1.Материалы для формирования микроструктур (структурные материалы),

2.Материалы для формирования защитных слоев (защитные материалы),

В качестве структурного материала в балочных исполнительных элементах микромеханических реле могут использоваться гальванически осажденный никель, золото или др. Золотые покрытия превосходят никелевые по электрическим свойствам, но уступают по механическим характеристикам. Твердость HV для золотых гальванических покрытий лежит в диапазоне 1,05.3,00 ГПа [9]. Устройства с золотыми консолями подробнее рассмотрены в [5] и [9].

Рассмотрим основные технологические операции в процессе формирования микроустройств (например, микрореле) методом поверхностной микрообработки.

.Термоокисление. (Формирование защитных пленок окислением под действием высоких температур 1200.1500 К) Толщина пленки линейно зависит от толщины слоя исходного окисляющегося материала [4]. Процесс термоокисления накладывает ограничения на материалы подложки в связи с высокими температурами при формировании окислов.

.Осаждение тонких пленок и наноструктурированных слоев. (Осаждение из плазмы, магнетронное распыление, осаждение из коллоидных растворов) При осаждении из плазмы вещество бомбардируют низкоэнергетическими ионами из плазмы газового разряда, распыленные атомы, достигая подложки, конденсируются на ней. С помощью метода можно получить не просто пленки нанометровой толщины, а наноструктурные пленки. Качество покрытий во многом зависит от режимов распыления: давления рабочего газа в вакуумной камере, температуры подложки, напряжения и тока разряда и др. К нежелательным эффектам, характеризующим плазмохимические процессы, относятся перегрев и статическое электричество на металлических элементах подложки, если таковы имеются. Магнетронное распыление характеризуется более интенсивным распылением. Для повышения эффективности процесс проводят на высоких частотах [10]. При формировании пленок методом магнетронного распыления особое внимание следует уделить очищению и подготовке подложки. Для улучшения адгезионных свойств рекомендуется прогревать подложку перед процесом распыления [11]. Осаждением из коллоидных растворов формируются оксидные полупроводниковые пленки (ZnO, SnO2, TiO2, WO3). Температурный интервал осаждения - 1200.1400 К, скорость осаждения - 0.03.0.2 мкм/мин. Температура осаждения снижается до 600.900 К при использовании лазерного излучения. Методы позволяют получить аморфные нанокристаллические пленки [11].

.Нанесение «жертвенного» слоя (например, полиимида или фоторезиста) центрифугированием. Метод позволяет получить слой полиимида толщиной в несколько микрон, на котором и будет сформирован исполнительный элемент с верхним электродом. Требования к установке - постоянная частота вращения центрефуги, требования к фоторезисту - небольшая шероховатость. Режимы нанесения сильно зависят от свойств материала. При некорректном выборе режимов нанесения - «жертвенный» слой ложится волнообразно, что негативно скажется на рельефе и морфологии последующих функциональных слоев.

.Получение микро- и нанотолщинных пленок методом гальванического осаждения. Качество покрытий, их физико-химические и механические свойства во многом зависят от режимов гальванического осаждения. В работе исследованы режимы по плотности тока, температуре и времени осаждения, обеспечивающие воспроизводимое формирования балочных подвижных элементов. Гальваническим осаждением можно формировать как нижние электроды микрореле, так и верхний подвижный элемент.

.Фотолитография. При экспонировании пятен нанометровых размеров ток луча приходится понижать (из-за эффектов объемного заряда и электронно оптических аббераций), что приводит к относительному увеличению времени экспонирования субмикронных элементов фоторезиста (Время экспонирования единичного пятна обычно не превышает 0.1 с при плотности тока до 50 А/см2). Современная литография продолжает развиваться, и уже превзошла ранее предсказанные пределы по разрешающей способности: оптическая литография - 100 нм, рентгеновская литография - 80 нм, электронная литография - 50 нм, ионно-лучевая литография - 10 нм [11]. В настоящее время, в промышленном масштабе, удается устойчиво получать структуры разрешением 500 нм, что свидетельствует о том, что реальная ситуация в фотолитографической технике пока еще отстает от показателей в источнике [11].

.Жидкостное травление. Удаление защитных слоев.

Рассмотрим технологический маршрут производства микромеханических реле методом поверхностной микрообработки кремния.

.Химическая обработка.

Кремниевые пластины проходят гидромеханическую очистку, очистку в перекисно-серном растворе (растворе Каро) После этого пластина попадает на трехкаскадную промывку в деионизованной воде с удельным сопротивлением не менее 18 Мом. Далее, промывка в аммиачно-перекисном растворе (состав: вода, аммиак, перекись водорода). И, наконец, повторная промывка в деионизованной воде.

После химической обработки получаем специально подготовленную кремниевую пластину с полированной рабочей стороной. Пластина готова к формированию микроструктур.

2.Нанесение изоляционного слоя SiO2 методом термического осаждения.

Рис. 1.10. Кремниевая подложка с изоляционным слоем SiO2

3.Формирование нижнего электрода методом вакуумного напыления и многослойного гальванического осаждения.

Рис. 1.11. Образец с нижним электродом

4.Формирование опор для балочного подвижного элемента методом гальванического осаждения.

.Нанесение полиимидной пленки (3.5) мкм. центрифугированием (n = 2000 об/мин; t = 40 c).

Рис 1.12. Кремниевая подложка, защищенная слоем полиимида.

6.Термоимидизация. Подсушивание в два этапа: 30 мин при 400 К; 30 мин. при 600 К.

.Контроль. (Измерение толщины плёнки.)

.Напыление вспомогательного слоя (ванадий - никель).

Толщина пленки ванадия - 100 нм, толщина пленки никеля - 300 нм.

. Химическая обработка поверхности перед фотолитографией №2.

. Гальваника. Нанесение слоя или нескольких слоев металлов разной толщины.

. Измерение толщины осаждённого никеля.

. Формирование технологических отверстий.

. Травление металла (ванадия - никеля).

Рис.1.13. Образец с никелевой мембраной после формирования технологических отверстий

14. Плазмохимическое сухое травление полиимидной плёнки.

Рис 1.14. Конечный продукт.

15. Контроль.

Таким образом:

. Рассмотрены явления, протекающие в исполнительных элементах микромеханических реле в процессе работы.

. Рассмотрены основные типовые конструкции исполнительных элементов (см. рис. 1.1, 1.3 и 1.5)

. Показано, что микросистемы, изготовленные по поверхностной технологии обладают рядом преимуществ по сравнению с микроустройствами, изготовленными по объемной технологии. Дана классификация материалов, применяемых при поверхностной микрообработки, перечислены основные технологические операции в процессе формирования подвижных элементов.

. Показано, что свойства УМСТ зависят от типа конструкции и технологии изготовления. Процесс изготовления микрореле может насчитывать более полусотни операций. Некоторые операции могут накладывать технологические ограничения на изготовления исполнительных элементов, а принцип работы и свойства материалов - физические ограничения на устройство в целом.

В связи с этим, необходимо рассмотреть физико-технологические ограничения при изготовлении микромеханических реле и проанализировать пути их частичного или полного устранения.

1.3 Физико-технологические ограничения при изготовлении исполнительных элементов микромеханических реле, полученных методом гальванического осаждения

Интеграция микромеханических реле в УМСТ сопряжена с рядом практических трудностей. Для улучшения функциональных возможностей микрореле необходимо преодалеть физико-технологические ограничения основного элемента конструкции - исполнительного механизма.

В состав исполнительного механизма микрореле входят упругие элементы (подвесы - см. рис. 1.6), которые деформируются под действием сил различного характера, что приводит к изменению их потенциальной энергии. Эти изменения энергии в микросистемах могут использоваться различным образом. В настоящее время существует несколько основных типов упругих элементов, которые получили широкое применение в микросистемной технике. Выбор конфигурации упругого элемента в значительной мере зависит от технологии изотовления и от функциональной задачи микроустройства. Существуют упругие подвижные элементы балочного, мембранного и гребенчатого типов [12].

Исполнительный механизм микромеханических реле на основе балочных и мембранных упругих подвижных элементов обладает рядом преимуществ по сравнению с ключами на PIN диодах. Во-первых, процесс переключения не требует больших затрат энергии (обычно не более нескольких микроджоулей), во-вторых, переключение характеризуется высоким отношением емкостей во включенном и выключенном состоянии. Однако механический исполнительный механизм обладает и серьезными недостатками: низкой скоростью переключения и довольно высоким напряжением срабатывания, обычно 5.100 В [4].

Остановимся подробнее на недостатках или физико-технологических ограничениях микромеханических реле:

Скорость переключения. Механические ключи всегда уступают электронным в быстродействии, их скорость переключения лежит в диапазоне от микросекунд до миллисекунд в зависимости от материала и конструкции. Микромеханические реле, использующие мембрану небольшого веса, являются более быстродействующими по сравнению с консольными переключателями. Время переключения зависит от приложенного напряжения, эффективной жесткости балки и зазора между контактами. Скорость переключения можно снизить, уменьшая габаритные размеры деталей исполнительного механизма микрореле. Следует отметить, что уменьшение размеров балочного элемента помимо снижения времени переключения приводит к расширению полосы пропускаемых частот, уменьшению перемещаемой массы и к сокращению длительности процесса изменения состояния. При этом также снижается значение допустимого тока через контакт, превышение которого может привести к ухудшению характеристик микрореле после определенного числа циклов замыкания-размыкания [2].

Высокое напряжение срабатывания существенно ограничивает применение микромеханических реле в МЭМС, так как для применения в ВЧ и микроэлектронных системах напряжения должны быть не выше 5 В. Напряжение срабатывания можно уменьшить тремя способами [2]:

1.увеличением площади электродов;

2.уменьшением зазора между исполнительным механизмом (балкой, мембраной) и нижним электродом;

.уменьшением упругости структуры.

Метод увеличения площади электродов практически никогда не применяется в связи с тенденцией к миниатюризации в МЭМС. В методе уменьшения зазора расстояние между исполнительным элементом (консолью или мембраной) и электродом обуславливают два фактора: толщина жертвенного слоя и изгиб мембраны. Изгиб мембраны проявляется за счет наличия механического напряжения и его градиента в исполнительном элементе. Механические напряжения появляются в результате осаждения исполнительного элемента, а также процессов в слоеной структуре, имеющей слои с различными коэффициентами теплового расширения [12]. При уменьшении зазора между исполнительным элементом и электродом следует учесть ограничения на величину зазора, вызванные потерями на отражение ВЧ сигнала. Метод уменьшения упругости структуры является самым гибким подходом, так как снижение упругости конструкции не приводит к значительному изменению размеров, веса и ВЧ характеристик микромеханических реле. Использование в ключах очень эластичных складчатых подвесных пружин и увеличение зоны действия электростатического поля позволяет значительно снизить напряжение срабатывания. В последних разработках микромеханических реле: с использованием серпантинных и консольных пружин [12], а также подвесных консольных конструкций [13], удалось снизить напряжение срабатывания до 14. 16 В.

Рассмотрим еще один критический момент микромеханических реле за счет управляющего напряжения. Выключение ключа осуществляется путем снижения напряжения, однако балочный подвижный элемент возвращается в исходное состояние при меньшем напряжении, чем напряжение срабатывания, т. е. в системе появляется гистерезис. От гистерезиса можно избавиться, если механические микропереключатели изготавливать по многоуровневой поверхностной технологии с нанесением никеля гальваническим способом.

Изоляция ВЧ линий. При переключении микромеханического реле линии подачи управляющего напряжения должны быть хорошо изолированы от линий ВЧ сигнала, поэтому необходимо тщательно продумывать топологию схемы для обеспечения надежной изоляции ВЧ и управляющих линий друг от друга. При попадании постоянного напряжения срабатывания в ВЧ тракт может произойти выход из строя ВЧ микрореле и тестирующих систем. Проблема решается с помощью элементов, блокирующих сигналы постоянного напряжения в ВЧ линиях. Другой вариант - с помощью спаренных линий. Благодаря низкому уровню рассеиваемой энергии и небольшому току срабатывания, изоляция ВЧ тракта от управляющих цепей в микрореле осуществляется весьма успешно [2].

Механические свойства. Изготовление балочного подвижного элемента сопровождается практическими трудностями, обусловленными механическими свойствами используемых материалов, например, напряжением в материале. Механическое напряжение в мостовых микрореле определяется, в основном, растяжением, которое составляет порядка 107 Па. Это напряжение меняет константу упругости материала, за счет чего увеличивается пороговое напряжение. Структурные материалы, применяемые для построения микроструктур, должны удовлетворять механическим требованиям: выдерживать высокое разрушающее напряжение, быть устойчивыми к пластическим деформациям, обладать низким уровнем ползучести и усталости, быть износостойкими. К механическим свойствам защитных материалов предъявляются не менее жесткие требования. Это необходимо для того, чтобы в процессе изготовления микросистемы не произошла поломка ее внутренних структур. К наиболее распространенным защитным материалам относятся: диоксид кремния, полимеры (полиимид), металлы (в основном алюминий) и диэлектрики для изоляции структурных слоев микроустройства друг от друга [2]. Исполнительные подвижные элементы с требуемыми механическими свойствами можно получить, регулируя параметры гальванического осаждения. В работе исследовались режимы гальванического осаждения никеля по плотности тока, температуре и времени осаждения, обеспечивающих воспроизводимое формирование балочных подвижных элементов на основе гальванически осажденного никеля.

Проблема залипания стоит особенно остро для ключей с металлическими контактами [2]. Залипание - это нежелательный эффект при контакте верхнего и нижнего электродов, возникающий за счет действия микроскопических сил на поверхности электродов, имеющих плоскую форму. В значительной степени залипание контактов микрореле определяется морфологией поверхностей электродов. В работе исследовались механические свойства балочных подвижных элементов, такие как микрошероховатость и адгезия к подложке. При использовании биметаллических контактов помимо залипания необходимо также учитывать возникающие в цепи термоэлектрические эффекты [10].

Физико-химические и механические свойства электроосажденного никеля изменяются в широких пределах в зависимости от природы электролита, состава, условий осаждения. Так, твердость, HV может изменяться от 1,3 до 5,0 ГПа, а напряжения ? в осадке меняются в пределах 0,3.1,4 ГПа [17,18].

Методом гальванического осаждения формируются практически все конструктивные элементы исполнительного механизма: нижний электрод, контактные упоры, опоры для подвижного элемента и, непосредственно, сам подвижный элемент. В связи с этим, одной из задач при проектировании микромеханических реле является исследование режимов гальванического осаждения.

1.4 Общие сведения о методе получения гальванических покрытий. Состав электролитов никелирования, меднения и золочения

Исследуемые гальванические пленки металлов можно получать из сульфаминовокислого электролита никелирования, пирофосфатного электролита меднения и фосфатного электролита золочения.

Для получения гальванических покрытий выделяют металлы из растворов их солей под действием электрического тока. Принципиальная схема гальванической установки представлена на рисунке 2.1.

Анод (1) и катод (4 и 5) подключают к источнику постоянного тока к положительному и отрицательному выводам соответственно. При включении внешнего источника постоянного тока металл на аноде окисляется (становится катионом), приобретая положительный заряд [17].

Рис 2.1. Принципиальная схема гальванической установки

Катионы металла реагируют с анионами кислоты в водном растворе электролита (2), после чего металл осаждается на катоде. Для того, чтобы продукты окисления анионов не внедряли нежелательные примеси и для улучшения структуры гальванического покрытия в состав элетролита вводят поверхностно-активные вещества, например, при никелировании в сульфаминовокислом электролите применяют лаурилсульфат натрия, при золочении в фосфатном электролите - талий азотнокислый, а при меднении в пирофосфатном электролите - калий азотнокислый.

Отличительной чертой процессов осаждения никеля, меди и золота является их высокая чувствительность к pH.

. Никель. При высокой кислотности pH<2.5 в процессе никелирования в сульфаминовокислом электролите интенсифицируется параллельный процесс выделения водорода, в результате чего снижается выход по току, а покрытия наводораживаются. Напротив, при pH>5.6 в прикатодном слое, особенно в случае повышенной плотности тока, выпадают основные соли никеля, которые сильно ухудшают свойства покрытий. Именно по этой причине электролиты никелирования обязательно содержат буферирующие добавки (например, борную кислоту), т.е. добавки таких веществ, которые не позволяют сильно измениться pH [9,17,18].

Таблица 2.1. Состав сульфаминовокислого электролита никелирования в объеме 1л. (кислотность pH = 2.0.4.0)

1. Деионизованная водадо 0.5 л2. Сульфаминовокислый никель, Ni (NH2 SO3)3до 350 г/л3. Никель двухлористый, NiCl2 6H20до 30 г/л4. Кислота борная, H3BO3до 40 г/л5. Лаурилсульфат натрия, CH3(CH2)11OSO3Naдо 0.1 г/л

Известно также, что показатель кислотности электролита pH влияет на физико-механические характеристики гальванических пленок. Твердость, пределы прочности и текучести возрастают с увеличением pH [9,18]. Кислотность pH сульфаминовокислого электролита никелирования можно варьировать в широком диапазоне от 1,0 до 6,0, получая при этом покрытия с различными механическими характеристиками. Таким образом, твердость гальванического никеля HV может изменяться от 1,3 до 5,0 ГПа, а напряжения ? в осадке меняются в пределах 0,3.1,4 ГПа [18]. Никель может применяться для обеспечения требуемой жесткости конструкции в широком диапазоне. Золото и медь значительно уступают никелю по твердости, но превосходят по электрофизическим характеристикам.

Гальваническая медь содержит повышенное число примесей и дефектов по сравнению с медью, находящейся в равновесном состоянии [9].

Таблица 2.2. Состав пирофосфатного электролита меднения в объеме 1л. (кислотность pH = 6.0)

1. Деионизованная водаДо 0.5 л2. Аммоний фосфорнокислый однозамещенный NH4H2PO4До 40 г/л3. Аммоний фосфорнокислый двузамещенный (NH4)2HPO4До 80 г/л4. Таллий азотноксилый NO3TlДо 0.2 г/л

Осадки меди характеризуются текстурой [9], направление которой зависит от природы и состава электролита (пирофосфатный электролит [111]). Медь обладает сравнительно хорошей адгезией, проводимостью и может применяться для передачи сигналов высокой частоты.

Гальваническое золото обладает относительно высокой тепло- и электропроводностью при воздействии атмосферы и агрессивных сред.

Таблица 2.3. Состав пирофосфатного электролита меднения в объеме 1л. (кислотность pH = 6.0)

1. Деионизованная водаДо 0.5 л2. Медь II сернокислая CuSO4До 100 г/л3. Калий фосфорнокислый K2HPO4До 350 г/л4. Калий азотноксилый KNO3До 10 г/л5. Аммиак водный NH3 - H2OДо 3 мл/лДостоинства золотых покрытий - высокая отражательная способность и пластичность, постоянство электрических параметров (электропроводность, переходное электрическое сопротивление, термоэдс и др.). Тонкие пленки золота, полученные химическим способом пропускают видимые лучи и отражают ИК-лучи и радиоволны. Способность их к отражению ИК волн близка к 100% [9], поэтому золотые покрытия используются в приложениях, требующих высокую электропроводность и отражающую способность.

Так как гальванические пленки никеля, меди и золота сильно различаются по свойствам, изготовление слоистых, а не однослойных, покрытий является целесообразным. Гальванические пленки меди и золота можно использовать в качестве функциональных слоев для получения покрытий с высокими электрофизическими характеристиками, и никеля - в качестве барьерного слоя, препятствующего диффузии золота в медь, а также для обеспечения требуемой прочности и жесткости на изгиб без дополнительных конструктивных изменений.

Таким образом:

.Проведен анализ принципа действия исполнителных элементов УМСТ на примере подвижных элементов микрореле: рассмотрены явления, протекающие в исполнительных элементах в процессе работы, представлены основные типы конструкции и приведены примеры их практического применения (ссылки на патенты). Показано, что конструктивные особенности подвижных элементов микрореле позволяют:

1.Снизить потребление энергии в процессе переключения, а, следовательно, и вносимые энергопотери.

2.Обеспечить высокое отношение емкостей во включенном и выключенном состояниях.

.Получить добротность того же порядка, что и у существующих аналогов, таких как диод Шотки, MOSFET, PIN-диод.

2.Рассмотрены особенности технологии изготовления исполнительных элементов. Показано, что микросистемы, изготовленные по поверхностной технологии обладают преимуществами по сравнению с микроустройствами, изготовленными по объемной технологии - низкая себестоимость и высокая производительность.

.Дана классификация материалов, применяемых при поверхностной микрообработки кремния, перечислены основные технологические операции в процессе формирования подвижных элементов. Показано, что материалы, применяемые для построения микроструктур, должны выдерживать высокое разрушающее напряжение, быть устойчивыми к пластическим деформациям (порядка 0,1 ГПа), обладать низким уровнем ползучести и усталости, быть износостойкими.

.Показано, что свойства УМСТ зависят не только от типа конструкций, но и от технологии изготовления. Процесс изготовления микрореле может насчитывать более полусотни операций. Некоторые операции могут накладывать технологические ограничения на изготовления исполнительных элементов, а принцип работы и свойства материалов - физические ограничения на устройство в целом.

.Рассмотрены физико-технологические ограничения при изготовлении микромеханических реле: скорость переключения, напряжение срабатывания исполнительного механизма; ограничения, вносимые механическими и физико-химическими свойствами материалов; а также проблема залипания электродов.

6.Сформулированы рекомендации по преодолению физико-технологических ограничений: снижение массы подвижного элемента - для увеличения скорости переключения микрореле; уменьшение зазора между исполнительным механизмом и нижним электродом, а также уменьшение упругости структуры - для снижения напряжения срабатывания микрореле.

.Для устранения целого ряда физико-технологических ограничений рекомендуем изготавливать основной элемент конструкции исполнительного механизма (подвижный элемент) с помощью многоуровневой поверхностной технологии с нанесением металла гальваническим способом - это помогает решить проблему гистерезиса и позволяет получить покрытия с требуемыми механическими и физико-химическими свойствами.

В этой связи, одной из основных задач при проектировании микрореле является исследование режимов гальванического осаждения, которое можно осуществить экспериментально путем подбора параметров осаждения согласно данным теории гальванического осаждения. Другой важной задачей является исследование морфологии поверхностей, полученных методом гальванического осаждения, с целью предотвращения залипания контактов, а также - исследование характеристик конструкции - изгибной жесткости и деформации при внешних нагрузках.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ, ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В УСТРОЙСТВАХ МСТ (ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ)

.1 Цель

Исследование характеристик исполнительных элементов устройств МСТ в зависимости от технологии изготовления и типа конструкции для оптимизации микромеханических реле.Для достижения цели требуется решить следующие задачи:

1.Получить тестовые образцы, сформировав гальванические покрытия толщиной 1.6 мкм на кремниевых подложках с применением технологии вспомогательных полиимидных «жертвенных» слоев (выбор толщин обусловлен хорошим соотношением механических, электрических и магнитных свойств осажденных пленок [18]);

2.Исследовать влияние режимов и условий гальванического осаждения металлов (время осаждения, плотность тока, температура и показатель кислотности электролита) на характеристики исполнительных элементов (толщина, микрошероховатость).

.Оценить влияние типа конструкции и количества упругих подвесов на свойства подвижных элементов (деформация, изгибная и контактная жесткости).

2.2 Объекты исследования

Тестовые образцы - гальванические пленки никеля, меди, золота и слоистые исполнительные элементы УМСТ на их основе (трехслойные мембраны на упругих подвесах разной толщины, сформированные по технологии поверхностной микрообработки с применением полиимидных «жертвенных» слоев).

2.3 Методы исследования

. Оптическая микроскопия ( оптический микроскоп Аксиоскоп (Axio Imager), производитель: «Карл Цейз» (Carl Zeiss) - для определения линейных размеров подвижных элементов. Прибор последовательно фокусируют на верхнюю и нижнюю горизонтальные поверхности, ограничивающие высоту искомого уровня, после чего он вычисляет разницу в микрометрах между ними).

. Атомно-силовая микроскопия (зондовая нанолаборатория «Интегра» (NTEGRA), производитель: ЗАО «НТ-МДТ», г. Зеленоград) - для определения параметров шероховатости Ra и Rz подвижных элементов. В эксперименте использовали полуконтактную методику работы зонда. В этом режиме зонд упруго деформирует исследуемую поверхность, периодически вступая с ней в механический контакт. Со стороны исследуемой поверхности и окружающей среды работе зонда противодействуют капилярные и ван-дер-ваальсовы силы. При обработке результатов была учтена погрешность отклонения зонда за счёт нелинейности пьезокерамического сканера, а также погрешность положения образца (речь идёт о наклоне исследуемой поверхности относительно зонда). Такой наклон всегда имеет место, поэтому рекомендуется исследовать образцы с минимально возможными геометрическими размерами.

. Измерительное динамическое наноиндентирование с помощью сканирующего нанотвердомера «НаноСкан-3D», позволяющего измерять механические характеристики элементов конструкции устройств микросистемной техники в диапазоне деформаций от нескольких десятков до сотни милиньютонов.

2.4 Описание эксперимента

Актуальность

Микромеханические устройства на основе подвижных элементов консольного и мембранного типов находят широкое применение в технологии интегральных схем и устройствах МСТ различного назначения. На рабочие характеристики микроустройств в значительной степени влияют свойства основного элемента конструкции - подвижного элемента.

В свою очередь, свойства подвижных элементов устройств МСТ сильно зависят от технологии изготовления и типа конструкции.

Объектами исследования служили исполнительные элементы с крестообразным подвесом в виде круглых мембран на четырех упругих меандрах, сформированные по многоуровневой поверхностной технологии с применением «жертвенных» слоев на основе гальванического никеля, меди и золота.

Так как гальваническое осаждение является критической операцией в процессе изготовления исполнительных элементов, режимы осаждения оказывают наибольшее влияние на их механические и электрофизические характеристики. В связи с этим экспериментальная работа по исследованию режимов и условий гальванического осаждения как основной операции в процессе изготовления представляет большой интерес, а сравнительный анализ данных для различных конструкций подвижного элемента является актуальной задачей.

Содержание эксперимента

Проведенную экспериментальную работу можно разбить на несколько этапов:

. Выбор оптимальных режимов и условий осаждения никеля из сульфаминовокислого электролита для применений МСТ.

.1. Исследование режимов гальванического осаждения никеля [19].

Цель: Определить режимы гальваники (плотность тока, температура электролита, время осаждения), при которых толщина осажденной пленки никеля составляет 1.5 мкм (выбор толщины обусловлен хорошим соотношением механических и электрических свойств покрытий [13]).

Задачи: а) провести три однофакторных эксперимента для определения зависимости параметра осаждения от толщины; б) выбрать режимы осаждения, обеспечивающие толщину пленки никеля 1.5 мкм.

Объекты исследования: (12 шт.) кремниевые подложки со сформированными с помощью технологии поверхностной микрообработки полиимидными «жертвенными» слоями для формирования подвижных элементов.

Рис.2.2. Объект исследования (фронтальный вид).

Методы исследования: оптическая микроскопия.

.2. Исследование морфологии гальванических пленок никеля при различных режимах осаждения [20].

Цель: определить режимы гальванического осаждения, обеспечивающие минимальную шероховатость никеля.

Задачи: а) измерить параметры шероховатости Ra и Rz пленок никеля толщиной 1.5 мкм, полученных в однофакторных экспериментах; б) выбрать оптимальные режимы осаждения по минимальной шероховатости и толщине пленки никеля. Объекты исследования: (3 шт.) пленки никеля

толщиной 1.5 мкм., сформированные методом гальванического осаждения из сульфаминовокислого электролита на полиимидных «жертвенных» слоях.

Рис.2.3. Тестовый образец (фронтальный вид)

Методы исследования: атомно-силовая микроскопия.

.3. Исследование морфологии гальванических пленок никеля при различных показателях кислотности электролита (pH) [20].

Цель: определить оптимальные по механическим характеристикам режимы осаждения никеля.

Задачи: а) Изготовить три группы тестовых образцов при различных pH, используя выбранные в 1.1 и 1.2. режимы осаждения; б) измерить шероховатости тестовых образцов; в) выбрать оптимальные по шероховатости режимы и условия осаждения, принимая во внимания рекомендации по механическим характеристикам (твердость покрытий, упругость материала).

Объекты исследования: (15 шт.) пленки никеля разной толщины от (1.5 до 6.5 мкм.), сформированные методом гальванического осаждения из сульфаминовокислого электролита при pH=2, pH=3, pH=4 на полиимидных «жертвенных» слоях (см. рис. 2.3).

Методы исследования: оптическая и атомно-силовая микроскопии.

. Исследование морфологии гальванически осажденных пленок никеля, меди и золота, полученных при оптимальных режимах и условиях гальванического осаждения.

Цель: определить толщины гальванических пленок никеля, меди и золота, полученных при оптимальных режимах осаждения, для изготовления на их основе слоистых подвижных элементов.

Задачи: а) получить тестовые образцы; б) измерить параметры шероховатости тестовых образцов; в) выбрать оптимальные по шероховатости толщины гальванических пленок никеля, меди и золота.

Объекты исследования: (15 шт.) пленки никеля, меди и золота разной толщины (от 0.5 до 6.5 мкм), сформированные методом гальванического осаждения из сульфаминовокислого электролита никелирования, пирофосфатного электролита меднения и фосфатного электролита золочения на полиимидных «жертвенных» слоях (см. рисунки 2.2 и 2.3).

Методы исследования: оптическая и атомно-силовая микроскопии.

3. Исследование механических характеристик слоистых исполнительных элементов УМСТ на основе системы металлов «золото-никель-золото».

Цель: оценить влияние количества упругих подвесов и толщины слоя никеля на характеристики исполнительного элемента.

Задачи: а) измерить деформацию, изгибную и контактную жесткости конструкций исполнительных элементов с различным числом упругих подвесов.

Объекты: исполнительные элементы УМСТ - (21 шт.) три группы тестовых образцов - трехслойные мембраны с разным количеством упругих подвесов (2, 3 и 4) на основе системы металлов «золото-никель-золото».

а) б) в)

Рис.2.4. Подвижные элементы а) на двух упругих подвесах, б) на трех упругих подвесах, в) на четырех упругих подвесах (вид сверху).

В каждой группе - по 7 образцов: толщина золотых прослоек каждого образца - до 1 мкм, толщина никелевой прослойки возрастает от образца к образцу от 0.5 до 3.5 мкм с шагом 0.5 мкм.

Методы исследования:

измерительное динамическое наноиндентирование.

. Выводы по экспериментальной работе. Характеристики исполнительных элементов, выполненных на основе гальванических пленок никеля, меди и золота.

2.5 Экспериментальные результаты

2.5.1 Выбор оптимальных режимов и условий осаждения никеля из сульфаминовокислого электролита для применений МСТ.

Толщина гальванических пленок никеля при различных режимах осаждения

Опыт 1. Поиск оптимальной плотности тока (Д = var)

Рис.2.5. Толщина плёнки никеля от плотности тока (опыт 1)

Таблица 2.4. Поиск оптимальной плотности тока

Образец ПараметрС0С1С2С3Плотность Тока (А/дм2)0.51.01.52.0Площадь (дм2)0.01 (цел. пластина)0.0050.0050.005Сила тока (мА)55810Время гальван. (мин)10101010Температура электролита, ?С(48.52)(48.52)(48.52)(48.52)

Таблица 2.5. Скорости гальванического осаждения и геометрические размеры структурных элементов, измеренные методом оптической микроскопии (опыт 1)

Образец ПараметрС0С1С2С3Толщина осаждённого Ni на мембране, (мкм)0.31.2.1.32.3.2.42.8.2.9Скорость осаждения Ni, (мкм/мин)0.030.120.230.28

Толщина слоя гальванического осаждения и скорость осаждения линейно возрастают с ростом плотности тока. Оптимальная плотность тока определена экспериментально и равна 1 А/дм2. Важная оговорка: объемосодержание основного компонента (сульфаминовокислого никеля) в данном эксперименте не превышает 350 г/л, а гальваника проходит в течение не продолжительного отрезка времени - при таких параметрах вид зависимости h(Д) всегда будет линейным. Однако с увеличением объемосодержания основного компонента в электролите, возможно образование соединений комплексного характера с анионами или амфотерными молекулами (NH3SO3 ) кислоты [13]. Это может привести к изменению вида зависимости (увеличению производной). А для зависимости магнитных свойств от плотности тока, например, к появлению максимума или излома. Влияние других рабочих параметров режима на вид зависимости будет рассмотрено в опытах 2 и 3. Результаты измерений смотреть в таблицах 2.4 и 2.5 Влияние плотности тока на толщину осажденного слоя никеля- рис. 2.5.

Опыт 2. Поиск оптимального времени осаждения (t = var).

Рис.2.6. Толщина плёнки никеля от времени осаждения (опыт 2)

Таблица 2.6. Поиск оптимального времени осаждения

Образец ПараметрС4С5С6С7Плотность Тока (А/дм2)1.01.01.01.0Площадь (дм2)0.0050.0050.0050.005Сила тока (мА)5555Время гальван. (мин)5203040Температура электролита (градус С)(48.52)(48.52)(48.52)(48.52)

Таблица 2.7. Скорости гальванического осаждения и геометрические размеры структурных элементов, измеренные методом оптической микроскопии (опыт 2)

Образец ПараметрС4С5С6С7Толщина осаждённого Ni на мембране (мкм)0.51.94.94.4Скорость осаждения Ni (мкм/мин)0.0900.0950.1630.110

С увеличением длительности гальваники процесс осаждения никеля становится неустойчивым. При небольших отрезках времени (до 20.30 минут) зависимость h(t) можно считать линейной. Оптимальное время гальваники определено по данным эксперимента с помощью линейной интерполяции и равно 10 мин. - при таком времени высота осаждённого слоя попадает в заданный (см. задачи эксперимента).

Результаты измерений смотреть в таблицах 2.6, 2.7, влияние времени осаждения (длительности гальваники) на толщину осажденного слоя никеля времени - рис. 2.6.

Опыт 3. Поиск оптимальной температуры электролита (T = var)

Рис.2.7. Толщина плёнки никеля от температуры электролита (опыт 3)

Таблица 2.8. Поиск оптимального времени осаждения

Образец ПараметрС9С10С11Плотность Тока (А/дм2)1.01.01.0Площадь (дм2)0.0050.0050.005Сила тока (мА)555Время гальван. (мин)101010Температура электролита (градус С)406070

Таблица 2.9. Скорости гальванического осаждения и геометрические размеры структурных элементов, измеренные методом оптической микроскопии (опыт 3)

Образец ПараметрС9С10С11толщина осаждённого Ni намембране (мкм)2.01.31.1Скорость осаждения Ni (мкм/мин)0.020.010.01

Согласно эксперименту, с ростом температуры электролита производная dh/dT уменьшается, а зависимость h(T) имеет линейный вид. С повышением температуры падает также твердость осадков никеля, исходя из этого, а также, принимая во внимание заданное значение высоты осажденного слоя, оптимальная температура - 70oC.

Поведение функции h(T) на температурном участке до 40 градусов Цельсия в рамках опыта 3 не рассматривалось, однако проведение опыта при низких температурах будет сопровождаться адсорбцией cульфаминовой кислоты [13], что отрицательно скажется на структуре и свойствах никелевого осадка.

Результаты измерений смотреть в таблицах 2.8, 2.9., зависимость толщины осажденного никеля от температуры - рис. 2.7.

Таким образом, для достижения целей эксперимента:

. Проведено три однофакторных эксперимента по гальванике, по результатам которых найдены зависимости толщины осажденного слоя никеля от режимов гальванического осаждения (плотности тока, температуры электролита и времени осаждения).

. Выбраны режимы осаждения никеля в сульфаминовокислом электролите, обеспечивающие оптимальную для применения в устройствах МСТ толщину покрытия 1,5 мкм: плотность тока на катоде - 1 А/дм2 (образец С1), время гальванического осаждения - 15 мин (образец С5); температура электролита - 70 градусов Цельсия (образец С11).

Для того, чтобы выбрать режимы галванического осаждения, обеспечивающие не только оптимальную толщину покрытия, но и адекватные характеристики устройств МСТ с конструктивными элементами на основе таких покрытий, требуется провести исследования морфологии гальванических пленок.

Морфология гальванических пленок никеля при различных режимах осаждения.

Таблица 2.10. Микрошероховатость опорной площадки консоли (образец С1)

Число точек Nx * Ny65536Максимальная высота967 нм.Минимальная высота0 нм.Размах высот967 нм.Шероховатость (метод 10 точек по высоте)474 нм. Средняя высота283 нм.Средняя шероховатость80 нм. Средняя квадратичная шероховатость102 нм.Ассиметрия0,570125Эксцесс1,03367

Рис. 2.17. Гистограмма плотности распределения значений функции (количество пиков от их высоты в нм) для опорной площадки балочного подвижного элемента (образец С1)

Таблица 2.11. Микрошероховатость опорной площадки консоли (образец С5)

Число точек Nx * Ny65536Максимальная высота796 нм.Минимальная высота0 нм.Размах высот796 нм.Шероховатость (метод 10 точек по высоте)397 нм. Средняя высота231 нм.Средняя шероховатость53 нм. Средняя квадратичная шероховатость72 нм.Ассиметрия1,02556Эксцесс5,68077

Рис. 2.18. Гистограмма плотности распределения значений функции (количество пиков от их высоты в нм) для опорной площадки балочного подвижного элемента (образец С5)

Таблица 2.12. Микрошероховатость опорной площадки консоли (образец С11)

Число точек Nx * Ny65536Максимальная высота955 нм.Минимальная высота0 нм.Размах высот955 нм.Шероховатость (метод 10 точек по высоте)374 нм. Средняя высота137 нм.Средняя шероховатость91 нм. Средняя квадратичная шероховатость148 нм.Ассиметрия0,385035Эксцесс0,411616

Рис. 2.19. Гистограмма плотности распределения значений функции (количество пиков от их высоты в нм) для опорной площадки балочного подвижного элемента (образец С6)

Измерения и статистическую обработку результатов проводили с помощью зондовой нанолаборатории Интегра (NTEGRA) [23,24].

При обработке экспериментальных данных использовался метод вычитания наклона и усреднения по строкам.

В таблицах 2.10, 2.11 и 2.12 - микрошероховатости лучших покрытий (по одному из каждого опыта - С1, С5, С11), на рисунках 2.14-2.16 - гистограммы плотности распределения значений функции (количество пиков от их высоты в нанометрах).

Таблица 2.17. Средняя шероховатость (нм.) самых тонких пленок никеля, полученных в опытах 1, 2, 3.

Микрошероховатость, нм Подложка Образец С1, (опыт 1)С5 (опыт 2)С11 (опыт 3)Консольное (балочное) микрореле806991Мембранное микрореле8766103Шероховатость поверхности осаждённого металла (никеля) зависит от толщины осаждаемого слоя и режима осаждения.

При изготовлении образца С5 применялись два два из трех исследуемых параметров, признанных наилучшими в опытах 1 и 2. Шероховатость покрытия С5 получилась наименьшей.

С повышением температуры падает также твердость осадков никеля, исходя из этого, а также, принимая во внимание заданное значение высоты осажденного слоя, оптимальная температура не 70, а 50 oC.

Таким образом:

1. Выбраны режимы осаждения никеля в сульфаминовокислом электролите, обеспечивающие минимальную шероховатость при оптимальной толщине покрытия 1,5 мкм: плотность тока на катоде - 1 А/дм2; время гальванического осаждения - не более 12 мин; температура электролита - 55.60 градусов Цельсия; скорость осаждения никеля - 0.095 мкм/мин.

. Исследованы пленки гальванически осажденного никеля методами оптической и атомно-силовой микроскопии. Показано, что средняя микрошероховатость поверхности составляет 66-172 нм и возрастает с увеличением толщины гальванического покрытия.

. Свойства гальванических пленок никеля сильно зависят не только от режимов, но и от других условий осаждения, таких как, кислотность электролита. Показатель кислотности электролита pH является эффективным инструментом для управления механическими характеристиками покрытий. В связи с этим, рекомендуем повторить эксперимент по осаждению пленок при выбранных режимах и различных pH с целью дальнейшего исследование свойств исполнительных элементов УМСТ.

Морфология гальванических пленок никеля при различных показателях кислотности электролита (pH).

Таблица 2.18. Характеристики пленок гальванически осажденного никеля (толщина h, шероховатость Ra) и показатель кислотности электролита

№ образцаПоказатель кислотности pH1.863.04.0h, мкмRa, нмh, мкмRa, нмh, мкмRa, нм12.0531.9661.912122.7742.1862.012734.6964.31562.714346.01054.91725.118756.51256.51966.4245

Экспериментально установлено, что с увеличением толщины гальванического покрытия от 2.0 до 6.5 мкм средняя микрошероховатость составляет, соответственно, от 53 до 125 нм (при pH = 1.86), от 66 до 196 нм (при pH = 3.00), от 121 до 245 нм (при pH = 4.00).

На рисунке 2.20 представлены зависимости микрошероховатости пленок гальванически осажденного никеля от толщины пленок и показателя кислотности электролита.

Рис. 2.20. Зависимость микрошероховатости пленок гальванически осажденного никеля от толщины пленок и показателя кислотности электролита.

Показано, что средняя шероховатость возрастает с увеличением показателя кислотности электролита и толщины осажденной пленки.

Применительно к устройствам микросистемной техники большой интерес представляют покрытия с минимальной микрошероховатостью, но вместе с тем, необходимо учитывать и другие характеристики гальванических пленок. В этой связи показатель кислотности электролита является эффективным инструментом управления физико-механическими и электрофизическими характеристиками гальванических пленок никеля. Продолжение настоящей работы предполагает исследование физико-механических характеристик гальванического никеля при различных pH. Это позволит получать гальванические покрытия с требуемыми свойствами.

Таким образом:

1. Показано, что шероховатость возрастает с увеличением показателя кислотности электролита и толщины пленки. С увеличением толщины гальванического покрытия от 1.5 до 6.5 мкм шероховатость составила, соответственно, от 53 до 120 нм (при pH = 1.86), от 90 до 175 нм (при pH = 3.00), от 120 до 240 нм (при pH = 4.00).

. Кислотность электролита, оптимальная по шероховатости, определена из эксперимента и составляет pH = 2.0, кислотность электролита, оптимальная по твердости осажденного покрытия, составляет pH = 4.0 (найдена в работах других исследователей [13, 14]). На основе полученных данных и в связи с требованиями к минимальной шероховатости и максимальной твердости, рекомендуем изготавливать исполнительные элементы УМСТ на основе никеля при pH = 3.

. Проведена экспериментальная работа для исследования условий гальванического осаждения никеля и морфологии гальванических покрытий. С увеличением толщины слоя никеля и показателя кислотности электролита микрошероховатость возрастает и стремится к некоторому предельному значению. Предел шероховатости можно объяснить содержанием буферных добавок в растворе электролита, которые улучшают структуру гальванического осадка и помогают поддерживать pH. При использовании электролитов, не обладающих выравнивающей способностью, зависимости Ra-h становятся линейными.

. Выбраны оптимальные по механическим характеристикам режимы и условия гальванического осаждения никеля из сульфаминовокислого электролита, обеспечивающие минимальную шероховатость при некотором уровне микротвердости: плотность тока на катоде - 1 А/дм2; скорость осаждения никеля - 0.095 мкм/мин; температура электролита - 55.60 градусов Цельсия; кислотность электролита pH=3, микрошероховатость - от 90 до 175 нм при толщинах от 1.5 до 6.5 мкм.

. При изготовлении слоистых исполнительных элементов на основе не только гальванического никеля, но и других металлов (например, золота и меди) рекомендуем оценить шероховатость пленок всех слоев при разных толщинах, и по возможности, выбрать толщины, обеспечивающие минимальную шероховатость для лучшей адгезии слоев.

Морфология гальванических пленок никеля, меди и золота, полученных при оптимальных режимах и условиях гальванического осаждения.

Таблица 2.19. Среднеквадратичная шероховатость Ra гальванических пленок никеля при разных толщинах.

НикельМедьЗолотоh, мкмRa, нмh, мкмRa, нмh, мкмRa, нм1,2651,0102,3562,6861,5134,9802,91102,8306,51125,01702,3251,2276,52406.5943,164

В таблице 2.19. представлены средние значения параметров шероховатости, найденные по трем точкам. Погрешность измерения определяли по формуле Стьюдента [30]:

?x=t(n,p) (2.1.),

где: t(n,p) - коэффициент Стьюдента; p - вероятность; n - число измерений; x(i) - измерение с номером i; x - среднее арифметическое. Для n = 3, p = 0.95 - коэффициент Стьюдента t(n,p) равен 4.3.

Погрешность измерений шероховатости ?x для никеля, меди и золота составляет 11, 7 и 3 мкм соответственно.

Рис. 2.21. Микрошероховатость Ra гальванических пленок никеля, меди и золота, полученных при оптимальных режимах осаждения.

Морфология гальванических пленок никеля, меди и золота при различных толщинах

. Никель из сульфаминовокислого электролита.

Рис. 2.22. Гистограмма плотности распределения функции (число пиков от их высоты) и СЗМ-изображения поверхности никелевой пленки толщиной 1.2 мкм.

3.Медь из пирофосфатного электролита

Рис. 2.23. Гистограмма плотности распределения функции (число пиков от их высоты) и СЗМ-изображения поверхности медной пленки толщиной 6.5 мкм.

Измерения и статистическую обработку результатов проводили с помощью сканирующего твердомера «Наноскан-3D» в контактной моде. При обработке экспериментальных данных использовался метод вычитания наклона и усреднения по строкам.

. Золото из фосфатного электролита

Рис. 2.24. Гистограмма плотности распределения функции (число пиков от их высоты) и СЗМ-изображения поверхности золотой пленки толщиной 2.3 мкм.

Таким образом, микрошероховатость гальванических пленок никеля, меди и золота, полученных при оптимальных режимах, возрастает с увеличением толщины. Для никеля из сульфаминовокислого электролита Ra составляет 70-240 нм при толщине пленки от 1 до 6 мкм; для меди из пирофосфатного электролита - 10 до 90 нм при толщине пленки до 6 мкм; для золота - от 30 до 120 нм при толщине пленки от 1 до 6 мкм.

При изготовлении слоистых исполнительных элементов на основе гальванических пленок никеля, меди и золота рекомендуем использовать диаграммы рис. 2.21. при выборе толщин функциональных слоев.

Прочностные характеристики конструкции исполнительного элемента предлагаем выбирать по толщине никелевой прослойки. Для этого требуется экспериментальная работа по исследованию свойств слоистых исполнительных элементов на основе сандвич-структуры из гальванических пленок меди или золота толщиной до 1мкм и прослойкой никеля разной толщины между ними.

Механические характеристики слоистых исполнительных элементов УМСТ на основе системы металлов «золото-никель-золото».

Испытания УМСТ по определению жесткости и величины прогиба исполнительного элемента проводили с помощью зондового датчика пьезорезонансного кантилевера камертонной конструкции с высокой изгибной жесткостью (индентора). На рисунке 2.25. представлен общий вид кривых нагружения и разгрузки.

Рис.2.25. Кривые нагружения и разгрузки, полученные при воздействии с силой 10 мН в центр исполнительного элемента с никелевой прослойкой толщиной 0.5 мкм (табл. 2.22, образец №1).

Вид измерений - косвенный. Характер измерений - многократное наблюдение. Расчет изгибной жесткости конструкции по результатам единичного индентирования проводится по формуле:

(2.2),

где S - тангенс угла наклона кривой разгружения в точке Pmax.

Определение относительного разброса физико-механических параметров исполнительных элементов для каждого значения внешнего воздействия по формуле [30]

(2.3),

где m - число измерений, Rmax - максимальное значение среди измеренных, Rср - среднее значение среди измереннных.

Погрешность расчитывалась по трем значениям жесткости, полученным при индентировании с разной нагрузкой: 10, 20 и 50 мН.

Эксперимент проводили для трех групп образцов. В итоговую таблицу вошли данные, полученные при нагрузке 10 мН в центр исполнительных элементов. В первую группу вошли образцы с четырьмя упругими подвесами, во вторую - с тремя и в третью - с двумя (см. рис. 2.4). В каждой группе было по семь образцов - исполнительных элементов на основе системы металлов «золото-никель-золото», толщина золотых прослоек составляла в сумме 1.5 мкм для каждого образца, а толщина никелевой прослойки менялась от 0.5 до 3.5 мкм с шагом 0.5 мкм.

Рис.2.26. Кривые нагружения и разгрузки, полученные при воздействии с силой 10 мН в центр исполнительного элемента с никелевой прослойкой толщиной 0.5 мкм (табл. 2.19, образец №2).

Эксперимент проводили для определения механических характеристик конструкций (изгибной жесткости, деформации) и свойств материалов (модуля Юнга и контактной жесткости) [25, 26]. В первую очередь интересовало влияние жесткости конструкций на деформацию для последующих расчетов минимальной нагрузки срабатывания УМСТ - такой нагрузки, при которой исполнительный элемент, прогибаясь, ложится на нижний электрод.

Рис.2.27. Деформация при различных жесткостях исполнительных элементов.

В связи с этим, одной из задач эксперимента было прогнуть исполнителньый элемент до упора вниз, что удалось только для двух тестовых образцов (см. табл. 2.19., образцы 1 и 2).

Также интересовало влияние толщины никелевой прослойки на жесткость слоистого исполнительного элемента в целом.

Усредненные по трем точкам экспериментальные данные представлены в таблицах 2.19-2.21 и проиллюстрированы диаграмами.

Таблица 2.19. Характеристики слоистых исполнительных элементов разной толщины на 2-х меандрах и свойства материалов.

ОбразецЖесткость конструкции, кН/мДеформация, мкмМодуль Юнга, ГПаКонтактная жесткость, ГПа№Толщина,мкм10.50.754.50812.921.10.874.50685.431.511.53.52571.842.127.52.93353.652.542.92.81495.863.046.42.06576.173.449.51.51686.2

Таблица 2.20. Характеристики слоистых исполнительных элементов разной толщины на 3-х меандрах и свойства материалов.

ОбразецЖесткость конструкции, кН/мДеформация, мкмМодуль Юнга, ГПаКонтактная жесткость, ГПа№Толщина,мкм10.530.13.10853.521.142.92.45685.331.550.71.50714.742.165.71.05544.152.571.61.08586.063.0124.60.67546.573.4170.60.74676.5

Таблица 2.21. Характеристики слоистых исполнительных элементов разной толщины на 4-х меандрах и свойства материалов.

ОбразецЖесткость конструкции, кН/мДеформация, мкмМодуль Юнга, ГПаКонтактная жесткость, ГПа№Толщина,мкм10.567.41.10863.521.1154.10.49695.331.5168.20.41696.442.1204.30.33656.252.5220.70.30576.463.0254.30.25616.473.4311.20.27907.8

Рис. 2.28. Жесткость исполнительного элемента на основе системы металлов «золото-никель-золото» при различных толщинах прослойки никеля

2.6 Выводы к экспериментальной части

. Проведена экспериментальная работа для исследования условий гальванического осаждения никеля и морфологии гальванических покрытий. С увеличением толщины слоя никеля и показателя кислотности электролита микрошероховатость возрастает и стремится к некоторому предельному значению. Предел шероховатости можно объяснить содержанием буферных добавок в растворе электролита, которые улучшают структуру гальванического осадка и помогают поддерживать pH. При использовании электролитов, не обладающих выравнивающей способностью, зависимости Ra-h становятся линейными.

. Выбраны оптимальные по механическим характеристикам режимы и условия гальванического осаждения никеля из сульфаминовокислого электролита, обеспечивающие минимальную шероховатость при некотором уровне микротвердости: плотность тока на катоде - 1 А/дм2; скорость осаждения никеля - 0.095 мкм/мин; температура электролита - 55.60 градусов Цельсия; кислотность электролита pH=3, микрошероховатость - от 90 до 175 нм при толщинах от 1.5 до 6.5 мкм.

. Исследована микрошероховатость пленок никеля, меди и золота, полученных при оптимальных режимах. Показано, что шероховатость покрытий возрастает с увеличением толщины. Для никеля из сульфаминовокислого электролита Ra составляет 70-240 нм при толщине пленки от 1 до 6 мкм; для меди из пирофосфатного электролита - 10 до 90 нм при толщине пленки до 6 мкм; для золота - от 30 до 120 нм при толщине пленки от 1 до 6 мкм.

. Выбраны толщины функциональных слоев исполнительного элемента, обеспечивающие минимальную шероховатость: 2 мкм - толщина медного покрытия на нижнем электроде, 1 мкм - толщина нижнего и верхнего золотого слоя в «сандвич-структуре» исполнительного элемента, 0.5 мкм - толщина никелевой прослойки в исполнительном элементе.

. Исследованы характеристики конструкции исполнительного элемента -изгибная жесткость и деформация в зависимости от толщины никелевой прослойки в сандвич-структуре «золото-никель-золото» и количества упругих подвесов. Показано, что с изменением толщины никелевой прослойки от 0.5 мкм до 3.5 мкм, жесткость возрастает: для конструкций с двумя подвесами до 50 кН/м, для конструкций с тремя подвесами - от 30 до 170 кН/м, для конструкций с четырьмя подвесами - от 70 до 320 кН/м.

. Полученные результаты позволяют оптимизировать конструкцию исполнительного элемента.

3. ОПТИМИЗАЦИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УМСТ

3.1 Рекомендации по снижению влияния физико-технологических ограничений исполнительных элементов, полученных методом гальванического осаждения на характеристики микромеханических реле

Особенности формирования конструктивных элементов субмикронных и нанометровых масштабов. Важность выбора адекватных технологических режимов и условий

Исполнительные элементы микрореле, изготовленные по старой технологии страдали от ряда физико-технологических ограничений: низкая скорость переключения, высокое напряжение срабатывания (свыше 80 В для золотых исполнительных элементов); ограничения, вносимые механическими и физико-химическими свойствами материалов; а также проблема залипания электродов.

Рис. 3.1. Морфология исполнительного элемента микрореле (круглой мембраны на четырех меандрах), изготовленного по старой технологии: 1 - СЗМ-изображение поверхности подвижного элемента; 2 - СЗМ-изображение поверхности нижнего электрода. Изображение выполнено в масштабе по вертикали. Толщина круглой мембраны равна 2 мкм.

При изготовлении исполнительных элементов субмикронного или нанометрового масштаба традиционными методами, общепринятыми в микросистемной технике за последние десятилетия, возникают дополнительные трудности, связанные с миниатюрными размерами. К таким трудностям, относятся: повышающиеся требования к чистоте и качеству поверхностей при фотолитографиях, неконтроллируемые процессы травления топологических элементов субмикронного масштаба, деформации миниатютных элементов при травлении в плазме под действием выкоких температур и статического электричества для проводящих элементов (пример - выпуклые и вогнутные меандры на рис 3.1) и, наконец, непланарность «жертвенного» слоя при его малых толщинах и развитой топологии поверхности, на которую он наносится. Последствиями непланарности «жертвенного» слоя являются нарушения топологии и рельефа конструкции.

Другими словами, на субмикронных и нанометровых масштабах ошибки в технологии изготовления могут повлиять на облик конструкции или даже существенно изменить его, что приведет к изменению характеристик устройства в целом. Этим можно объяснить разницу в расчетных и экспериментальных оценках характеристик устройств МСТ и НСТ.

В качестве примеров влияния технологии на конструкцию изделия приведем СЗМ-изображения и профили меандров исполнительного элемента.

В идеальном случае, меандр должен располагаться в воздухе параллельно нижнему электроду, закрепляясь одним концом на инерционную массу (мембрану), а другим - на опорный столб, как изображено на рисунке 3.1.

Рис.3.2. Слева-направо: профиль меандра, соединяющегося нахлестом с опорным столбиком. Высота диаграммы 2 мкм, длина измеренного участка 50 мкм.

Реальная морфология меандра сильно отличается от идеальной картины. Углубление в левой части рисунка связано с провисанием меандра под массой мембраны и термодеформациями при травлении «жертвенного» слоя в плазме, но наиболее уязвимыми с точки зрения прочностных характеристик получались области соединения опорных столбиков с меандрами.

Углубление в правой части профиля соответствует самому тонкому участку меандра, расположенному непосредственно перед опорным столбиком. Появление этого дефекта связано с режимами нанесения «жертвенного» слоя и высокой микрошероховатостью гальванических покрытий. Никелевые исполнительные элементы с такими дефектами отлетали или перегорали в области соединения меандра с опорным столбиком при подаче управляющего напряжения свыше 40В. Золотые исполнительные элементы срабатывали при высоких напряжениях (свыше 80 В), что объясняется высокой жесткостью конструкции.

Рис. 3.3. СЗМ-изображения поверхности исполнительного элемента: а) нижнего электрода (скан получен на «Интегре» в тэппинг моде, размер: 170x170, область 2 на рис. 3.1.); б) подвижного электрода (скан получен на «Наноскане» в тэппинг моде, размер: 160x160, область 1 на рис. 3.1.).

Покрытия, формируемые на непланаризованном «жертвенном» слое, повторяют топологию поверхности, расположенную под ним. На рисунке 3.3. изображены: слева - нижний электрод с круглым контактным упором, выступающим на 2 мкм над поверхностью управляющего электрода (см. 2 на рисунке 3.1) и справа - мембрана исполнительного элемента, сформированная на полиимидном «жертвенном» слое толщиной 4 мкм (см. 1 на рисунке 3.1).

Мембрана повторяет топологию нижнего электрода, что приводит к появлению впадин глубиной до 1 мкм и «холма» высотой 0.5 мкм, расположенного над нижним контактным упором. На рис. 3.4. представлен профиль артефактов на поверхности мембраны исполнительного элемента (на рис. 3.3. профиль показан линией).

Рис. 3.4. Повторение рельефа нижнего электрода на мембране исполнительного элемента.

Проблемы можно решить путем отработки режимов нанесения «жертвенного» слоя, которые в данной работе не рассматривались. Для полного устранения неоднородностей «жертвенного» слоя рекомендуем применять механическую шлифовку поверхности, плазмохимическую зачистку или химико-механическую планаризацию.

Залипание электродов и гистерезисное поведение исполнительного элемента

Другой проблемой является залипание электродов, которое объясняется наличием остаточных электрических полей, удерживающих подвижный элемент на нижнем электроде. Существует несколько путей решения проблемы залипания в зависимости от предполагаемой причины. Залипание может стать следствием 1) неконтролируемого схлопывания электродов [1-3], быть вызвано слишком большой или слишком малой 2) шероховатостью контактов и 3) недостаточной жесткостью конструкции.

. Для предупреждения схлопывания электродов рекомендуется подключать к микрореле последвательные резисторы и параллельные емкости [1], что позволит решить и проблему гистерезиса [2].

. Для устранения нежелательных дефектов на поверхности электродов рекомендуем отрабатывать технологию нанесения функциональных слоев, что было осуществлено в работе для операции гальванического осаждения (глава 2). При больших шероховатостях электроды могут сцепиться друг с другом с помощью дендритов или других артефактов на поверхности. При малых шероховатостях взаимодействующие поверхности могут прилипнуть друг к другу под действием сил притяжения, возникающих между молекулами в поверхностных слоях.

Рис. 3.5. Шероховатость контактов микрореле: а) нижняя поверхность подвижного электрода - гальваническое золото, Ra = 12нм; б) контактный упор - гальваническое золото, Ra = 56 нм.

Данные по шероховатости получены на атомно-силовом микроскопе «Интегра», область сканирования 10x10 мкм.

Нижний контактный упор микрореле формируется методом гальванического осаждения и представляет собой столбик высотой до 3 мкм, верхний электрод - подвижный элемент - формируется аналогичным образом, но морфология низа зависит не от технологии гальванического осаждения, а от режимов нанесения «жертвенного» слоя и вспомогательных слоев вакуумно-напыленных металлов, которые на финальных технологических операциях удаляются методами травления.

Микрошероховатость низа подвижного элемента варьируется от 5 до 20 нм, а микрошероховатость контактного упора сильно зависит от режимов и условий гальванического осаждения. Высота контактного упора составляет от 1 до 3 мкм. Микрошероховатости никеля, меди и золота в указанном диапазоне толщин можно посмотреть в 2.5.2 или на рисунке 2.21. При выборе геометрии контактов с целью устранения залипания рекомендуем провести экспериментальную работу по исследованию сопротивления контакта, длительности переходных процессов переключения и быстродействия микрореле.

. Для борьбы с залипанием электродов можно также попробовать усилить жесткость конструкции подвижного элемента. С целью улучшения механических и электрофизических характеристик микрореле было предложено изготавливать не однослойные, а многослойные исполнительные элементы на основе сандвич-структутры «золото-никель-золото». Гальванические пленки золота могут использоваться в качестве проводящих функциональных слоев, а никелевая прослойка - для придания требуемой жесткости.

Таким образом, борьба с залипанием электродов методом усиления жесткости для данной задачи сводится к определению минимальной жесткости конструкции, при которой сила упругости подвеса будет больше по модулю силы межмолекулярного взаимодействия контактирующих поверхностей исполнительного элемента и нижнего электрода.

Для этого требуется провести расчетно-экспериментальную оценку сил молекулярного взаимодействия материалов контактов. Предлагаем провести экспериментальное исследование методом силовой спектроскопии на атомно-силовом микроскопе, а для оценки полученных экспериментальных значений сил адгезии, расчитать значения микровзаимодействий молекул материала контактов к материалу зонда по модели Леннард-Джонса [16]. Затем пересчитать точечные значения адгезии в масштабах площади контактов и полученное значение интегральной силы молекулярного притяжения сравнить с упругостью конструкции исполнительного элемента, и таким образом выразить искомую минимальную жесткость. Пример расчетно-экспериментальной оценки адгезии проводили в бакалаврской работе ( см. в приложении).

3. Управляющее напряжение срабатывания. Необходимо учитывать, что усиление жесткости приведет к увеличению управляющего напряжения срабатывания. Напряжение можно увеличивать до определенного критического значения, которое расчитывается по формуле [1]:

(3.1),

где: k - жесткость упругого подвеса, d - величина зазора между электродами, S - площадь инерционной массы.

Управляющее напряжение расчитали для слоистых исполнительных элементов с разной толщиной никелевой прослойки, используя полученные экспериментальные значения жесткости (см. глава 2, результаты 2.5.3). Расчетное напряжения срабатывания исполнительного элемента с двумя меандрами составляет 4 - 35 В, с тремя меандрами - от 27 до 65 В, с четырьмя меандрами - от 40 до 87 В. Расчетные значения напряжения сходятся с экспериментальными в пределах инженерной погрешности. Экспериментально проверяли напряжение срабатывания только трех образцов (см. табл.2.21, образцы 1, 2, 3), оно составляет 40-60 В.

Для снижения управляющего напряжения рекомендуем изменять геометрические параметры конструкции. Например, если уменьшить зазор между электродами в два раза - расчетное управляющее напряжение снизится на 60%. Для увеличения быстродействия предлагаем увеличивать инерционную массу подвижного элемента.

4. Расчетное давление срабатывания. Исполнительные элементы, исследуемые в работе (см. рис 1.7. и рис. 3.1) могут найти применения не только в микрореле, но и других устройствах МСТ, таких как акселерометры или датчики давления. В связи с этим в работе проведен расчет точечных нагрузок, требуемых для того, чтобы исполнительный элемент замкнул нижний электрод.

Рис. 3.6. СЗМ-изображение индента на поверхности исполнительного элемента (слева) и профиль индента (справа).

Полученные результаты приведены в приложении: исполнительные элементы на двух меандрах замкнут нижний электрод при индентировании с силой 10-30 мН, на трех меандрах - при 15-60 мН, на четырех меандрах - при 40-170 мН. В пересчете на давления, получили для образцов с двумя меандрами нагрузки от 80 до 240 кПа, для образцов с тремя меандрами - от 115 до 490 кПа и для образцов с четырьмя меандрами - от 320 до 1330 кПа.

Таким образом, при увеличении толщины никелевой прослойки в слоистом исполнительном элементе от 0.5 до 3.5 мкм напряжение срабатывания возрастает более чем в 2 раза, а механическое давление срабатывания - более чем в 4 раза.

3.2 Характеристики исполнительных элементов микрореле, изготовленных с учетом предложенных технологических и конструктивных решений

В результате проведенной работы оптимизирована технология изготовления тонких слоистых исполнительных элементов микрореле методом многоуровневой поверхностной микрообработки кремния в части операции гальванического осаждения (рис. 3.1 - г).

Рис. 3.7. Основные этапы формирования исполнительного элемента микрореле: а) термоокисление; б) формирование нижнего электрода методами магнетронного распыления и гальванического осаждения; в) нанесение «жертвенного» слоя; г) изготовление подвижного элемента методом гальванического осаждения; д) плазмохимическое травление «жертвенного» слоя.

И оптимизирована конструкция исполнительного элемента в части выбора жесткости упругого подвеса.

Исполнительные элементы предлагается изготавливать на основе гальванических пленок золота с прослойкой никеля между ними, а нижний электрод - на основе слоев гальванической меди, никеля и золота.

В работе проведены исследования морфологии пленок гальванического никеля, меди и золота с целью улучшения планаризации и адгезионных характеристик структурных слоев, а также экспериментально выбраны оптимальные по механическим характеристикам режимы и условия гальванического осаждения никеля из сульфаминовокислого электролита, обеспечивающие минимальную шероховатость при микротвердости порядка 10 ГПа: плотность тока на катоде - 1 А/дм2; скорость осаждения никеля - 0.095 мкм/мин; температура электролита - 55.60 градусов Цельсия; кислотность электролита pH=3, шероховатость Ra - от 50 до 180 нм при толщинах 1-6 мкм.

Предложенная технология гальванического осаждения обеспечивает следующие параметры: величина зазора между подложкой и балочным подвижным элементом - от 1.8 до 10 мкм; толщина балочного подвижного элемента - от 1 до 7 мкм; средняя шероховатость никеля из сульфаминовокислого электролита (Ra) составляет 70-240 нм, меди из пирофосфатного электролита - от 10 до 90 нм, золота из фосфатного электролита - от 30 до 120 нм. Экспериментально установлено, что средняя микрошероховатость поверхности линейно возрастает с увеличением толщины.

Таким образом:

1. Сформулированы рекомендации по преодолению физико-технологических ограничений микромеханических реле на основе слоистых исполнительных элементов. Для устранения гистерезиса рекомендуем подключать к микрореле параллельные емкости и последовательные резисторы, для борьбы с залипанием предлагаем проводить планаризацию в процессе изготовления и усиливать жесткость конструкции. Для снижения управляющего напряжения предлагаем понижать жесткость конструкции, изменяя толщину прослойки никеля. Согласно проведенной расчетно-экспериментальной оценке при уменьшении толщины никелевой прослойки с 3.5 мкм до 0.5 мкм, напряжение срабатывания снижается на 50%. Необходимо учитывать, что при ослаблении жесткости конструкции увеличивается риск залипания электродов.

. Выбраны оптимальные режимы гальванического осаждения, обеспечивающие формирование подвижных элементов на основе гальванических пленок золота толщиной по 1 мкм и прослойки гальванического никеля разной толщины между ними со следующими характеристиками:

Таблица 3.1. Характеристики слоистых исполнительных элементов микрореле.

Толщина прослойки никеля, мкм Жесткость конструкции, Н/мКритическое напряжение срабатывания, ВДавление срабатывания, кПа0.567.4403261.1154.1617311.5168.2638742.1204.37010852.5220.77311943.0254.37814323.4311.2861326

В продолжении работы можно провести расчетно-экспериментальные оценки минимальной жесткости конструкции, требуемой для того, чтобы исполнительный элемент смог преодолеть силы межмолекулярного взаимодействия с поверхностью нижнего электрода после того, как управляющее напряжение будет снято. Это позволит рассмотреть проблемы залипания электродов и высокого напряжения срабатывания как функции жесткости и решать их в рамках одной задачи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.На основе анализа принципа действия типовых конструкций микрореле показано, что конструктивные особенности микромеханических реле, изготовленных по поверхностной технологии позволяют: снизить себестоимость и вносимые энергопотери; обеспечить высокое отношение емкостей во включенном и выключенном состояниях; получить добротность того же порядка, что и у существующих аналогов, таких как диод Шотки, MOSFET, PIN-диод. Рассмотрены основные методы изготовления микрореле. Приведены основные технологические операции в процессе формирования микроструктур методом поверхностной микрообработки.

.Выявлены основные физико-технологические ограничения при изготовлении микрореле: скорость переключения; напряжение срабатывания; залипание электродов; а также, ограничения за счет механических и физико-химических свойств материалов. Определена критическая операция в процессе изготовления микрореле - гальваническое осаждение.

.Проведена экспериментальная работа для исследования характеристик гальванических пленок никеля, меди, золота и слоистых исполнительных элементов устройств МСТ на их основе в зависимости от технологии изготовления и типа конструкции:

.1.Выбраны оптимальные по механическим характеристикам режимы и условия гальванического осаждения никеля из сульфаминовокислого электролита, обеспечивающие минимальную шероховатость при твердости покрытия 20-50 ГПа: плотность тока - 1 А/дм2; скорость осаждения никеля - 0.095 мкм/мин; температура электролита - 55.60 градусов Цельсия; кислотность электролита pH=3.

.2.Исследована микрошероховатость пленок никеля, меди и золота, полученных при оптимальных режимах. Показано, что шероховатость покрытий возрастает с увеличением толщины. Для никеля из сульфаминовокислого электролита составляет 70-240 нм при толщине пленки от 1 до 6 мкм; для меди из пирофосфатного электролита - 10 до 90 нм при толщине пленки до 6 мкм; для золота - от 30 до 120 нм при толщине пленки от 1 до 6 мкм.

.3.Выбраны толщины функциональных слоев исполнительного элемента, обеспечивающие минимальную шероховатость: 2 мкм - толщина медного покрытия на нижнем электроде, 1 мкм - толщина нижнего и верхнего золотого слоя в «сандвич-структуре» исполнительного элемента, 0.5 мкм - толщина никелевой прослойки в исполнительном элементе.

.Сформулированы рекомендации по снижению влияния физико-технологических ограничений: изготавливать подвижный элемент с помощью многоуровневой поверхностной технологии с нанесением никеля, меди и золота гальваническим способом, используя экспериментально определенные режимы гальванического осаждения. Предложен способ борьбы с высоким управляющим напряжением и залипанием электродов микромеханических реле.

.Выбранные режимы гальванического осаждения обеспечивают формирование подвижных элементов устройств микросистемной техники на основе системы металлов «золото-никель-золото» при суммарной толщине золотых покрытий 2 мкм и толщине никелевой прослойки 0.5-3.5 мкм со следующими характеристиками: морфология контактов верхнего электрода 7-20 нм, нижнего электрода 70-240 нм; жесткость конструкции 70-310 кН/м; критическое напряжение срабатывания 40-90 В; давление срабатывания 320-1320 кПа.

ПРИЛОЖЕНИЯ

А. Расчет напряжения срабатывания исполнительного элемента при различных жесткостях упругого подвеса

V - к р и т и ч е с к о е н а п р я ж е н и е с р а б а т ы в а н и я , В

- р а д и у с м е м б р а н ы , м

S - п л о щ а д ь м е м б р а н ы ,

- з а з о р м е ж д у н и ж н и м э л е к т р о д о м

и п о д в и ж н ы м э л е м е н т о м

- и з г и б н а я ж е с т к о с т ь к о н с т р у к ц и и , и н д е к с 2, 3 и л и 4 о б о з н а ч а е т к о л -в о у п р у г и х п о д в е с о в

Б. Расчет давления срабатывания исполнительного элемента при различных жесткостях упругого подвеса

В. Исследование сил молекулярного взаимодействия между гальваническими пленками никеля, золота и кремниевым зондом атомно-силового микроскопа

Силы адгезии, действующие на кремниевый кантилевер со стороны исследуемых балочных подвижных элементов, были расчитаны на основе данных силовой спектроскопии для четырех тестовых образцов (сканы см. рис.В.1-В.4). Для этого были сняты зависимости величины изгиба кантилевера от степени выдвижения z-пьезотрубки сканера в нескольких точках: по 25 кривых для каждого образца (см. рис.В.5-В.9). Значение силы адгезии можно вычислить по закону Гука, считая линейной зависимость силы от смещения зонда относительно поверхности образца по вертикальной оси:

= k x ?H,

где: k- жесткость кантилевера (измерено экспериментально с помощью команды script в программном модуле нанолаборатории Интегра); ?H- смещение зонда по вертикальной оси (определяется по кривым отвода как разность Z1 и Z2). В точке 1 сила притяжения, действующая на кантилевер, максимальна. В точке 2 кантилевер отрывается от поверхности, и сигнал сканера становится постоянным.

Результаты исследования сил адгезии, действующих на кремниевый кантилевер со стороны золотых и никелевых балочных подвижных элементов находятся в таблице В.3.1. Согласно полученным экспериментальным данным, сила адгезии возрастает с увеличением силы прижатия.

Если на исследуемой поверхности присутствую пленки адсорбата, то сила адгезии уменьшается. Это происходит потому, что в результате взаимодействия подложки и зонда возникает электростатическое поле, которое порождает механическое напряжение, нормально ориентированное к плоскости электродов [28]. Проникновение электростатического поля в объем подложки может вызвать глубинную деформацию и другие нежелательные эффекты, отрицательно влияющие на механические свойства покрытий, в том числе адгезионные свойства. С помощью сильного электростатического поля в области между проводящим зондом и исследуемой поверхностью возможна поляризация молекул среды и их перестройка, а вследствие диполь-дипольного взаимодействия и за счет легирующих примесей возможно образование проводящих молекулярных мостиков из адсорбата или жидкого диэлектрика. Проводящие мостики адсорбируются на поверхности с увеличением силы воздействия на подложку, когда напряженность электрического поля преодалевает определенное критическое значение [30]. Именно формирование пленки адсорбата и послужило причиной снижения адгезии кантилевера к золотым балочным подвижным элементам. Для разрушения пленки адсорбата необходимо продолжать повышать силу воздействия или увеличить время взаимодействия кантилевера с исследуемой поверхностью.

Для оценки полученных экспериментальных значений сил адгезии, были проведены расчеты значений микровзаимодействий молекул материала балочного подвижного элемента (золота и никеля) к материалу зонда (кремнию) по модели Леннард-Джонса [29]. Глубина потенциальной ямы рассчитывалась по компенсационному правилу, для этого проводилась спектроскопия кремниевой подложки, с последующим расчетом адгезии кремния к кремнию.

Рис. В.5 Спектроскопическая кривая (образец 1 - золотой балочный элемент)

Таблица В.3.1. Результаты исследования адгезии кремниевого кантилевера к золотым и никелевым балочным подвижным элементам

Образец№1 - Золото №2 - Золото№3 - Никель№4 - НикельСредняя шероховатость, нм73.572.849.3752.12Сила адгезии, нН4.402.083.231.23Сила прижатия, нН10.0014.7910.526.76

Полученные значения сил адгезии согласуются с экспериментальными данными (см. расчет далее в приложениях).

Г. Расчет сил адгезии кантилевера к никелевым и золотым балочным подвижным элементам. Обработка экспериментальных данных. Mathcad

Коэффициент жесткости кантилевера (Н/м)

Никель

Золото

Закон Гука

?Z - Изменение вертикальной координаты зонда, снятое с кривых отвода

Сила адгезии, расчитанная по закону Гука в каждой из 25 точек спектроскопии

Средние значения сил адгезии по поверхности скана (12x12 мкм) [17]

Расчет постоянной силы прижатия

Д.

Расчет сил адгезии кантилевера к никелевым и золотым балочным подвижным элементам по модели Леннард-Джонса. Mathcad

Никель

Золото

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АСМ - атомно-силовая микроскопия;

ИМ - инерционная масса;

ИС - интегральная схема;

МСТ - микросистемная техника;

МОЭМС - микрооптоэлектромеханическая система;

МЭМС - микроэлектромеханическая система;

НСТ - наносистемная техника;

НТ - нанотехнология;

ПАВ - поверхностноактивное вещество;

СЗМ - сканирующая зондовая микроскопия;

УМСТ - устройство микросистемной техники

ЧЭ - чувствительный элемент;

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Распопов В.Я. Микромеханические приборы: учебное пособие. -

М.: Машиностроение, 2007.- 400 с.: ил.

.В. Варадан, К. Виной, К. Джозе. ВЧ МЭМС и их применение.

М.: Техносфера, 2004. - 528 с.

.В.А. Гридчин. Физические основы сенсорной электроники, часть 1 - Сенсоры механических величин: учебное пособие.

Н.: Новосиб. гос. тех. ун-т, 1995. - 107 с.

.Ю.И. Головин. Введение в нанотехнику. М.: Машиностроение, 2007. - 496 с.

5.D. Hyman, M. Mehregany. Contact physics of gold microcontacts for MEMS swiches. Components and Packaging Technologies, IEEE Transactions, vol. 22, Issue 3, pp. 357 - 364, 1999. Digital Object Identifier - 10.1109/6144.796533.

.C. Goldsmith, T.Lin, B. Powers, W.Wu, B.Norvell. Micromechanical membrane switches for microwave applications. IEEE MTTS International Microwave Symposium Digest, vol.1, pp. 91-94, 1995. Digital Object Identifier - 10.1109/MWSYM.1995.406090.

.C. Goldsmith, Z. Yao, S. Eshelman, D. Denniston. Performance of Low-Loss RF MEMS Capacitive Switches. IEEE Microwave and Guided Wave Letters, vol. 8, Issue 8, pp. 269 - 271, 1998. Digital Object Identifier - 10.1109/75.704410.

8.Н.И. Мухуров, Г.И. Ефремов. Электростатическое реле с массивным якорем, М.: Новые технологии. Микросистемная техника, 3 с., 2007, №4.

.В.М. Любимский. Изгибы круглой и прямоугольной диафрагм при действии электростатического притяжения и поперечной нагрузки, М.: Новые технологии. Микросистемная техника, 6 с., 2007, №5.

.Буркат Г.К. Серебрение, золочение, палладирование и родирование. Л.: Машиностроение, 1984. - 86 c.

.С. Leondes (editor). MEMS/NEMS Handbook techniques and applications, vol. 4 Sensors and actuators, pp. 325 - 332, 2006.

12.В.В. Старостин. Материалы и методы нанотехнологии,

М.: Бином, 2008. - 431 с.

.В.А. Гридчин, В.П. Драгунов. Физика микросистем: Учеб. пособие в 2 ч. Ч 1.

Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - 416 с.

14.S. Pacheco, C.T.-C. Nguen, L.P.B. Katehi. Micromechanical Electrostatic K-Band

Switches. IEEE MTT-S International Microwave Symposium, vol. 3, pp. 1569 -1572,

June 1998. Digital Object Identifier: 10.1109/MWSYM.1998.700675.

.S.-C. Shen, M. Feng. Low actuation voltage RF MEMS switches with signal

frequencies from 0.25 to 40 GHz. IEEE. Electron Devices Meeting, 1999. IEDM

Technical Digest. International, pp. 689 - 692.

Digital Object Identifier: 10.1109/IEDM.1999.824245

16.A. N. Podobaev, S. S. Kruglikov, P. Becker and M. Mattiesen. Electrochemical estimation of developed roughness of galvanic nickel coatings, 2005, "Protection of metals", vol. 41, №4, pp.363-368.

17.J.K. Luo, A.J. Flewitt, S.M. Spearing, N.A. Fleck, W.I. Milne. Youngs modulus of electroplated Ni thin film for MEMS applications, 2004, "Materials letters", vol. 58, №17-18, pp.2306-2309.

18.Ямпольский А.М., Ильин В.А. Краткий справочник гальванотехника. М.: Машиностроение, 1962. - 244 с.

.Садаков Г.А. Гальванопластика. М.: Машиностроение, 1987. - 288 c.

20.Д.В. Болтунов, А.А. Жуков, Л.В. Гребенюк. Особенности формирования и

характеристики балочных подвижных элементов на основе гальванически

осажденного никеля. 15-я Международная научно-техническая конференция

студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»,

2009, стр. 95 - 96.

.Д.В. Болтунов, А.А. Жуков, Л.В. Гребенюк. Особенности формирования и характеристики балочных подвижных элементов на основе гальванически осажденного никеля. 15-я Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 2009, с. 95 - 96.

22.В.А. Королева, Д.В. Болтунов, Л.В. Гребенюк, А.А. Жуков. Исследование морфологии пленок гальванического никеля для устройств микросистемной техники. 1с., 2010, VIII научно-техническая конференция «Микротехнологии в космосе» с международным участием.

23.А.Е. Ануров, Д.В. Болтунов, А.А. Жуков. Исследование механических характеристик подвижных исполнительных элементов на основе гальванического никеля для устройств микросистемной техники, 2с., 2010, VIII научно-техническая конференция «Микротехнологии в космосе» с международным участием.

24.ГОСТ 2789-73: Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики.ISO

25.468:1982 - Шероховатость поверхности. Параметры, их значения и общие правила установления технических требований. (Surface roughness - Parameters, their values and general rules for specifying requirements).

26.В.П. Драгунов. Влияние формы упругого элемента на характеристики микроэлектромеханических систем, М.: Новые технологии. Микросистемная

техника, 6 с., 2004, №1.

.А.Г. Алексенко, Н.Н. Балан. Анализ эффекта схлопывания электродов электростатических актюаторов (Pull-in instability) в MEMS- и NEMS- устройствах, М.: Новые технологии. Микросистемная техника, 9 с., 2005, №7.

28.В.К. Неволин. Зондовые нанотехнологии в электронике,

М.: Техносфера, 2006. - 160 c.

.А.П. Крюков. Элементы физической кинетики,

М.: издательство МЭИ, 1995. - 72 c.

.В.В. Буринский. Измерение и обработка результатов: курс лекций. М: изд-во МНЭПУ, 2000. - 156 с.

Патенты:D. Nelson, William G. Flynn, and David A. Goins - Tex. (US), Austin Plate-based microelectromechanical switch having a three-fold relative arrangement of contact structures and support arms, No.: US 7,119,943 B2.E. Dickens (Baltimore, MD), Fred E. Sacks(Reisterstown, MD), Howard Fudem(Baltimore, MD), Don E. Crockett (Columbia, MD), Frank Lindberg(Baltimore, MD), Robert Young (Ellicott City, MD), Gregory DeSalvo (Bellbrook, OH) - Northrop Grumman Corporation (Los Angeles), Microelectromechanical RF switch , No.: 10/157,935.

Ссылки:

а) Портал новостей «3Д-Ньюз» - <http://www.3dnews.ru/news/samii_bistrii_svch_kommutator_ot_teravicta/>

б) Федеральное космическое агенство «Роскосмос» - www.federalspace.ru/ <http://www.federalspace.ru/>