eng
Выпуск #7-8/2018
В.Амеличев, С.Генералов, С.Никифоров, Д.Горелов, Д.Григорьев
Исследование мембранного элемента с тонкопленочным наноструктурированным магнитострикционным слоем в переменном магнитном поле
Исследование мембранного элемента с тонкопленочным наноструктурированным магнитострикционным слоем в переменном магнитном поле
Просмотры: 2849
Исследован сложнопрофилированный мембранный элемент с тонкопленочным наноструктурированным магнитострикционным слоем в переменном магнитном поле. Показаны перспективы микросистем преобразования магнитного поля в механическое перемещение тонкой мембраны.
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.11.7-8.482.486
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.11.7-8.482.486
Теги: elastomer flexible printing compositions stretchable electronics гибкие печатные составы растягиваемая электроника эластометр
Создание перспективных МЭМС, как правило, сопровождается рядом исследований по возможности совмещения технологических процессов в новой технологии, позволяющей открыть пути создания новых приборов и устройств микросистемной техники. Тонкие мембранные элементы широко используются в конструкциях преобразователей давления, как правило, с тензорезистивным эффектом. Эволюция данной технологии привела к возможности создания более тонких мембран и преобразователей акустического давления на их основе. Наиболее распространенными принципами действия для преобразования акустического давления с использованием тонких мембран являются изменение емкости, генерации ЭДС или заряда, модуляция электромагнитного сигнала или проводимости среды.
Технологии изготовления тонких мембран разрабатываются индивидуально, в соответствии с тем или иным принципом работы преобразователя акустического давления. Как правило, при разработке новых приборов на основе тонких мембранных элементов, инженеры опираются на действующие технологии и технологические процессы. Прорабатывая вопросы совместимости и применимости тех или иных технологических процессов в новой технологии тонких мембранных элементов необходимо обращать внимание на уровень механических напряжений в их структуре [1]. Высокие значения механических сжимающих напряжений в структуре мембраны, как правило, не вызывают видимых деформаций, но являются причиной ее низкой податливости к внешнему воздействию. Разжимающие механические напряжения в структуре мембраны приводят к видимым деформациям (к "буклетированию"), что также является причиной ее низкой податливости к внешнему воздействию. С целью улучшения прочностных характеристик и способности материала мембран сопротивляться образованию деформации, в их конструкцию вводят гофрированные участки. Гофры позволяют "разгрузить" центральную область мембраны от повышенных механических напряжений и, тем самым, повысить ее податливость не только к внешнему воздействию, но и к воздействию элемента, расположенного в ее центральной области.
В качестве элементов, способных оказывать механические воздействия на тонкую мембрану, необходимо рассматривать те, которые имеют зависимость линейных размеров от внешнего поля, поскольку электрический контакт, в данном случае, исключается из-за наличия гофрированного кольцевого участка мембраны. Элементы, сформированные на основе магнитострикционных тонкопленочных наноструктур, обладают свойством менять свои геометрические параметры под воздействием внешнего магнитного поля. Перечень магнитострикционных материалов достаточно широк, а технология формирования элементов на их основе, в некоторых случаях, требует постановки новых технологических процессов с использованием специализированного оборудования и проработки их совместимости с производственными технологиями интегральных схем и микросистем [2].
Из числа наиболее отработанных технологий магниторезистивных микросистем наиболее близкими к применению, для формирования элементов, обладающих магнитострикционным эффектом, являются технологические процессы напыления тонкопленочных магниторезистивных наноструктур (ТМРНС). Одной из важных технологических операций в данной технологии является контроль магнитных параметров, сразу после напыления ТМРНС. Контрольно-измерительное оборудование, применяемое для выполнения данной операции, позволяет не только измерить все магнитные параметры, но и определить значение магнитострикции в составе пластин. Для ТМРНС, применяемых в технологии магниторезистивных микросистем, магнитострикционный эффект является нежелательным проявлением, и его значение стараются минимизировать путем выбора состава сплава напыляемого материала.
На первом этапе создания новой технологии, совмещающей процессы формирования тонких мембран и тонкопленочных элементов на основе ТМРНС, можно использовать существующие мишени из сплава на основе Fe, Ni и Co. Для экспериментальной технологической проработки был выбран сплав выше указанных металлов с 20%-ным содержанием Co. Данный сплав обладает магнитострикционным эффектом на уровне 3–4 ppm, и в дальнейшем он может быть заменен более эффективным. На рис.1 приведен фотоснимок кристалла с тонкой диэлектрической мембраной, содержащей в центральной области круглый тонкопленочный элемент на основе ТМРНС. Из представленного изображения видно, что центральная область, внутри кольцевых гофр, имеет видимые деформации вокруг круглого элемента из ТМРНС. Это свидетельствует о повышенных механических напряжениях в данной области мембраны от сформированного элемента. С целью минимизации механических напряжений в центральной области мембраны необходима экспериментальная работа по оптимизации состава и толщины наноструктурированного магнитострикционного слоя в новой совмещенной технологии.
Исследование вертикального перемещения круглого элемента на основе ТМРНС производилось с использованием анализатора микросистем MSA-500 оптическим методом, основанным на эффекте Доплера. Вначале исследований была определена собственная частота мембраны при воздействии на нее акустического давления 0,2 Па, в диапазоне частот от 0 Гц до 5 кГц. На рис.2 представлен вид АЧХ мембраны на экране монитора MSA-500 при акустическом воздействии переменной частоты. Из данного рисунка видно, что собственная частота мембраны равна 3,5 кГц при амплитуде 43 нм.
Далее исследование влияния магнитострикционных свойств элемента ТМРНС на перемещение мембраны производилось только под воздействием переменного магнитного поля. Для этого анализатор MSA-500 был дооснащен специализированной оснасткой, позволяющей задавать переменные магнитные поля в центральной области мембраны с напряженностью до 54 Э и частотой до 10 кГц. Для контроля магнитного поля в области расположения мембраны использовался миллитесламетр ТП2-2У. На рис.3 представлен фотоснимок анализатора MSA-500 со специализированной оснасткой задания переменного магнитного поля в области мембраны.
Учитывая анизотропные свойства ТМРНС, мембрана в оснастке располагалась так, чтобы переменное магнитное поле было ортогонально оси легкой намагниченности. Исследования мембран, проведенные на частотах переменного магнитного поля 500, 1000 и 2000 Гц, показали, что максимальная амплитуда мембраны достигается при величине магнитного поля в диапазоне 0,9÷1,2 мТл (рис.4). Проведенные исследования подвижности мембраны под воздействием переменного поля величиной 1 мТл на частоте 3,5 кГц (собственная частота мембраны) показали, что амплитуда колебаний достигает 204 нм.
Таким образом, исследования показали, что на основе новой совмещенной технологии можно создавать микросистемы, где в качестве элемента микропривода может быть использована тонкопленочная магнитострикционная наноструктура, сформированная на тонкой сложнопрофилированной мембране или ином элементе с соответствующими характеристиками. Для достижения высокой эффективности применения магнитострикционных материалов на поверхности упругих элементов необходимы экспериментальные работы по подбору оптимального соотношения их толщин.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках Государственного задания по проекту № 8.8624.2017 на 2018 год. Исследование параметров разработанных мембран осуществлялось с помощью измерительных приборов ЦКП "Функциональный контроль и диагностика микро- и наносистемной техники" на базе НПК "Технологический центр" [3].
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Amelichev V.V., Generalov S.S., Nikiforov S.V., Solovyova G.P., Smekhova М.I., Platonov V.V. The Study Of Membranes With Low Level Of Mechanical Stress. International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973-4562 Vol.10, No 21 (2015), pp. 42767–42769.
Amelichev V., Belyakov P., Vasilyev D., Zhukov D., Kazakov Yu., Kasatkin S., Kostyuk D., Krikunov F., Kupriyanova M., Orlov E. Straintronic Elements of the Basis of Magnetostriction //International journal of environmental & science education, 2016, Vol. 11, No. 18, 10923–10940.
URL: http://www.tcen.ru/rus/ckp/ (дата обращения 03.09.2018)
Технологии изготовления тонких мембран разрабатываются индивидуально, в соответствии с тем или иным принципом работы преобразователя акустического давления. Как правило, при разработке новых приборов на основе тонких мембранных элементов, инженеры опираются на действующие технологии и технологические процессы. Прорабатывая вопросы совместимости и применимости тех или иных технологических процессов в новой технологии тонких мембранных элементов необходимо обращать внимание на уровень механических напряжений в их структуре [1]. Высокие значения механических сжимающих напряжений в структуре мембраны, как правило, не вызывают видимых деформаций, но являются причиной ее низкой податливости к внешнему воздействию. Разжимающие механические напряжения в структуре мембраны приводят к видимым деформациям (к "буклетированию"), что также является причиной ее низкой податливости к внешнему воздействию. С целью улучшения прочностных характеристик и способности материала мембран сопротивляться образованию деформации, в их конструкцию вводят гофрированные участки. Гофры позволяют "разгрузить" центральную область мембраны от повышенных механических напряжений и, тем самым, повысить ее податливость не только к внешнему воздействию, но и к воздействию элемента, расположенного в ее центральной области.
В качестве элементов, способных оказывать механические воздействия на тонкую мембрану, необходимо рассматривать те, которые имеют зависимость линейных размеров от внешнего поля, поскольку электрический контакт, в данном случае, исключается из-за наличия гофрированного кольцевого участка мембраны. Элементы, сформированные на основе магнитострикционных тонкопленочных наноструктур, обладают свойством менять свои геометрические параметры под воздействием внешнего магнитного поля. Перечень магнитострикционных материалов достаточно широк, а технология формирования элементов на их основе, в некоторых случаях, требует постановки новых технологических процессов с использованием специализированного оборудования и проработки их совместимости с производственными технологиями интегральных схем и микросистем [2].
Из числа наиболее отработанных технологий магниторезистивных микросистем наиболее близкими к применению, для формирования элементов, обладающих магнитострикционным эффектом, являются технологические процессы напыления тонкопленочных магниторезистивных наноструктур (ТМРНС). Одной из важных технологических операций в данной технологии является контроль магнитных параметров, сразу после напыления ТМРНС. Контрольно-измерительное оборудование, применяемое для выполнения данной операции, позволяет не только измерить все магнитные параметры, но и определить значение магнитострикции в составе пластин. Для ТМРНС, применяемых в технологии магниторезистивных микросистем, магнитострикционный эффект является нежелательным проявлением, и его значение стараются минимизировать путем выбора состава сплава напыляемого материала.
На первом этапе создания новой технологии, совмещающей процессы формирования тонких мембран и тонкопленочных элементов на основе ТМРНС, можно использовать существующие мишени из сплава на основе Fe, Ni и Co. Для экспериментальной технологической проработки был выбран сплав выше указанных металлов с 20%-ным содержанием Co. Данный сплав обладает магнитострикционным эффектом на уровне 3–4 ppm, и в дальнейшем он может быть заменен более эффективным. На рис.1 приведен фотоснимок кристалла с тонкой диэлектрической мембраной, содержащей в центральной области круглый тонкопленочный элемент на основе ТМРНС. Из представленного изображения видно, что центральная область, внутри кольцевых гофр, имеет видимые деформации вокруг круглого элемента из ТМРНС. Это свидетельствует о повышенных механических напряжениях в данной области мембраны от сформированного элемента. С целью минимизации механических напряжений в центральной области мембраны необходима экспериментальная работа по оптимизации состава и толщины наноструктурированного магнитострикционного слоя в новой совмещенной технологии.
Исследование вертикального перемещения круглого элемента на основе ТМРНС производилось с использованием анализатора микросистем MSA-500 оптическим методом, основанным на эффекте Доплера. Вначале исследований была определена собственная частота мембраны при воздействии на нее акустического давления 0,2 Па, в диапазоне частот от 0 Гц до 5 кГц. На рис.2 представлен вид АЧХ мембраны на экране монитора MSA-500 при акустическом воздействии переменной частоты. Из данного рисунка видно, что собственная частота мембраны равна 3,5 кГц при амплитуде 43 нм.
Далее исследование влияния магнитострикционных свойств элемента ТМРНС на перемещение мембраны производилось только под воздействием переменного магнитного поля. Для этого анализатор MSA-500 был дооснащен специализированной оснасткой, позволяющей задавать переменные магнитные поля в центральной области мембраны с напряженностью до 54 Э и частотой до 10 кГц. Для контроля магнитного поля в области расположения мембраны использовался миллитесламетр ТП2-2У. На рис.3 представлен фотоснимок анализатора MSA-500 со специализированной оснасткой задания переменного магнитного поля в области мембраны.
Учитывая анизотропные свойства ТМРНС, мембрана в оснастке располагалась так, чтобы переменное магнитное поле было ортогонально оси легкой намагниченности. Исследования мембран, проведенные на частотах переменного магнитного поля 500, 1000 и 2000 Гц, показали, что максимальная амплитуда мембраны достигается при величине магнитного поля в диапазоне 0,9÷1,2 мТл (рис.4). Проведенные исследования подвижности мембраны под воздействием переменного поля величиной 1 мТл на частоте 3,5 кГц (собственная частота мембраны) показали, что амплитуда колебаний достигает 204 нм.
Таким образом, исследования показали, что на основе новой совмещенной технологии можно создавать микросистемы, где в качестве элемента микропривода может быть использована тонкопленочная магнитострикционная наноструктура, сформированная на тонкой сложнопрофилированной мембране или ином элементе с соответствующими характеристиками. Для достижения высокой эффективности применения магнитострикционных материалов на поверхности упругих элементов необходимы экспериментальные работы по подбору оптимального соотношения их толщин.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках Государственного задания по проекту № 8.8624.2017 на 2018 год. Исследование параметров разработанных мембран осуществлялось с помощью измерительных приборов ЦКП "Функциональный контроль и диагностика микро- и наносистемной техники" на базе НПК "Технологический центр" [3].
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Amelichev V.V., Generalov S.S., Nikiforov S.V., Solovyova G.P., Smekhova М.I., Platonov V.V. The Study Of Membranes With Low Level Of Mechanical Stress. International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973-4562 Vol.10, No 21 (2015), pp. 42767–42769.
Amelichev V., Belyakov P., Vasilyev D., Zhukov D., Kazakov Yu., Kasatkin S., Kostyuk D., Krikunov F., Kupriyanova M., Orlov E. Straintronic Elements of the Basis of Magnetostriction //International journal of environmental & science education, 2016, Vol. 11, No. 18, 10923–10940.
URL: http://www.tcen.ru/rus/ckp/ (дата обращения 03.09.2018)
Отзывы читателей
