Микрокантилеверная балка на основе низкоразмерных гетероструктур из смарт-материала | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №10 (144) март 2017 г.

Дата публикации: 13.03.2017

Статья просмотрена: 19 раз

Библиографическое описание:

Таишев С. Р., Белаков Е. Ю. Микрокантилеверная балка на основе низкоразмерных гетероструктур из смарт-материала // Молодой ученый. — 2017. — №10. — С. 94-96. — URL https://moluch.ru/archive/144/40489/ (дата обращения: 19.10.2018).



МЭМС для аэрокосмических структур нового поколения позволяют миниатюризировать датчики, но в силу физических ограничений, а также повышенных требований по надежности и ресурсу обуславливают поиски новых материалов с улучшенными физическими и механическими параметрами [1]. Отличием таких материалов является прямой отклик на механические воздействия за счет применения адаптивных смарт-материалов и структур, способных реагировать на изменения внешних или внутренних условий (изменяя свое статическое и динамическое поведение).

Для изготовления высокоэффективных МЭМС, работающих при дестабилизирующих условиях на конструкциях РКТ, наиболее перспективными являются материалы, реализующие прямой и обратный пьезоэффект. Данный принцип детектирования является альтернативным, традиционно используемому тензорезистивному и емкостному методам, широко распространенным в связи с применением кремниевой и тонкопленочной технологий. Использование смарт-материалов в качестве преобразующего элемента позволяет качественно расширить возможности МЭМС: пороговая чувствительность сенсоров динамической деформации на основе пьезоэлектрических пленок уменьшается до Δl/l~10–9-10–10. При этом чувствительность датчиков на основе МЭМС-технологий повышается на два порядка, при сохранении долговременной стабильности не требуются источники стабилизированного напряжения [2].

Малые габариты и масса тонкопленочных пьезоэлектрических датчиков, высокая механическая прочность и гибкость пленочных преобразователей обеспечивают контроль поверхностей переменной во времени кривизны в условиях больших механических нагрузок без внесения искажений в регистрируемую информацию [3].

В работе проведены исследования технологических условий формирования микрокантилеверной балки слоистых гетероструктур на основе интеграции смарт-материала и карбида кремния. По своим механическим характеристикам он уступает только алмазу, но более технологичен из-за минимальной разницы температурных коэффициентов линейного расширения с ЦТС керамикой (ТКЛР SiC — 4.51∙10–6 К-1; ТКЛРЦТС — 3,5∙10–6 К-1; ТКЛРUNCD — 1,1∙10–6 К-1) при получении таких гетероструктур и возможности проведения фотолитографии для формирования соответствующего рисунка топологии [4]. Другой причиной несовместимости алмазоподобных пленок с пленками на основе ЦТС является сложность в получении алмазных слоев с низким значением шероховатости поверхности, в связи с этим наблюдается снижение пьезоэлектрической постоянной пьезоэлемента [5].

Тонкопленочные гетероструктуры карбид кремния — ЦТС формировались на кремниевой подложке при помощи ВЧ-магнетронного распыления керамической мишени состава PbZr1-xTixO3 в атмосфере кислорода и мишени из карбида кремния в атмосфере аргона [5]. На кремниевой подложке последовательно сформированы слои двуокиси кремния (SiO2), нитрида кремния, карбида кремния и платины (нижний электрод). Двуокись кремния толщиной 0,2–0,5 мкм получена термическим окислением. Нитрид кремния получен CVD методом осаждения из газовой фазы в плазме из отношения газов аммиака, моносилана и аргона. Данный слой жертвенный при вытравливании балки. Пленка карбида кремния толщиной 1 мкм получена ВЧ-магнетронным распылением с последовательным ионным ассистированием для получения необходимой шероховатости поверхности, приближая границу раздела с пленкой ЦТС к монофазной. Методом резистивного испарения нанесен нижний электрод из платины толщиной 0,8 мкм. Толщина сегнетоэлектрической пленки ЦТС составила 0,4 мкм, при температуре осаждения 150°С. Перед нанесением сегнетоэлектрической пленки проводилась обработка поверхности платины ионным источником, а затем и процесс осаждения сегнетоэлектрической пленки чередовался с обработкой осаждаемой поверхности ионным источником, благодаря чему увеличивалась сплошность пленки. Температура отжига составляла 530 °С, время отжига 40 минут. Верхний электрод толщиной 0,8 мкм получен резистивным испарением. Травление жертвенного слоя осуществляли при помощи плазмохимического травления.

Рис. 1. Температурная зависимость остаточного пьезомодуля d33 пленки ЦТС, поляризованной горячим способом и РЭМ снимок поперечного разреза гетероструктуры Pt/PZT/Pt/SiC

На рисунке 1 представлена температурная зависимость d33 (Т). Видно, что при нагреве до 250 °С d33 уменьшается не более чем на 10 % и, главное, отсутствует эффект деполяризации образца, что согласуется с [6–8].

Наблюдали эффект увеличения остаточного пьезомодуля сразу после создания устойчивого поляризованного состояния в пленках из-за продолжающихся процессов ее поляризации в поле зарядов, захваченных на ловушки в объеме пленки в соответствии с [2].

Исследование границы раздела полученной гетероструктуры выполнено на растровом электронном микроскопе (рисунок 1).

Литература:

  1. Баринов И. Н. Высокотемпературные тензорезистивные датчики давлений на основе карбида кремния. Состояние разработок и тенденции развития // Компоненты и технологии. 2010, № 8. С. 64–71.
  2. Мухортов В. М., Юзюк Ю. И. Гетероструктуры на основе наноразмерных сегнетоэлектрических пленок: получение, свойства и применение. — Ростов на Дону: ЮНЦ РАН, 2008. С. 224
  3. ScottJ.F. // FerroelectricsRev.1998. Vol.1.P.1
  4. Лучинин В., Таиров Ю. Отечественный полупроводниковый карбид кремния: шаг к паритету // Современная электроника. 2009. № 7. С. 12–15.
  5. T. Shibata, K. Unno, E. Makino, and S. Shimada, Sensors and Actuators A: Physical 114, 398 (2004).
  6. Б. Яффе, У. Кук, Г. Яффе. Пьезоэлектрическая керамика. Мир, М. 1974. С. 288.
  7. Баринов И. Н., Волков В. С. Конструктивно-технологические проблемы обеспечения долговременной стабильности параметров высокотемпературных полупроводниковых тензорезистивных датчиков давлений // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. Спец. выпуск № 3.-2011 г.- С. 85–95.
  8. Аверин И. А. Управление составом многокомпонентных систем / И. А. Аверин, Р. М. Печерская // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки — 2006. — № 5. — С. 184–190.
Основные термины (генерируются автоматически): карбид кремния, сегнетоэлектрическая пленка, граница раздела, PZT, CVD, температурная зависимость, резистивное испарение, нижний электрод, ионный источник, двуокись кремния.


Похожие статьи

Обзор методов нанесения кремниевых покрытий

Газофазная эпитаксия дает возможность получать пленки поликристаллического кремния, нитрида кремния и карбида кремния [5].

Источниками паров кремния и примесей в методе СМЛЭ являются пластины Si, легированные нужными примесями.Скорость испарения...

Исследование механических напряжений в микромеханических...

Преимуществами плёнок карбида кремния в конструкциях микромеханических преобразователей мембранного типа являются их температурная стойкость и химическая инертность.

Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2012. — с. 41–49.

Анализ сегнетоэлектрических пленок, моделирование...

Анализ сегнетоэлектрических пленок, моделирование гистерезиса МДП-структур на основе

На границе раздела СЭ — полупроводник выполняется соотношение [6]

Однако подвижность носителей тока в перовскитных полупроводниках много меньше, чем в кремнии.

Наночастицы аморфного диоксида кремния | Статья в журнале...

Использование нанокристаллического кремния в солнечной энергетике позволит экономию массивного кремния на несколько порядков. Кроме того, наноструктурный кремнийисточник активного кислорода, позволяющего применять нанокремний для создания мазей, гелей...

Оптимизация технологического процесса производства карбида...

Результаты численных вариантов температурных кривых сравнить с известными данными из литературных источников.

Исследование механических напряжений в микромеханических мембранах на основе плёнок карбида кремния, полученных магнетронным методом.

Оптимизация Bosch-процесса травления | Статья в журнале...

Мощность нижнего электрода, Вт. 20. ETCH1_ICP_POWER.

Амиров И. И., Шумилов А. С. Влияние ионной бомбардировки на травление канавок в кремнии в высокоплотной фторуглеродной

Оптимизация технологического процесса производства карбида кремния.

Исследование электрофизических свойств структур...

FRAM (сегнетоэлектрическая память) — оперативная память в которой

Верхние электроды Pt были сформированы электроннолучевым испарением с

В. К. Ярмаркин, С. Г. Шульман, В. В. Леманов / Резистивное переключение в тонкопленочных структурах Au/TiO2/Pt на кремнии...

Изучение процесса локального зондового окисления тонких...

При этом скорость процесса окисления будет определять адсорбция кислорода на поверхности, транспорт (массы или зарядов) к любой из двух границ раздела или транспорт (массы или зарядов) через пленку оксида [2].

Модификация электрических и оптических свойств тонких слоев...

Омическая зависимость I(U) для пленок ксерогеля V2O5 наблюдается до некоторого

Кроме того «металлический» ход температурной зависимости сопротивления говорит об

При t ≥ 5 мин, происходит просто ионно-плазменное травление пленки. 4. Заключение.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Обзор методов нанесения кремниевых покрытий

Газофазная эпитаксия дает возможность получать пленки поликристаллического кремния, нитрида кремния и карбида кремния [5].

Источниками паров кремния и примесей в методе СМЛЭ являются пластины Si, легированные нужными примесями.Скорость испарения...

Исследование механических напряжений в микромеханических...

Преимуществами плёнок карбида кремния в конструкциях микромеханических преобразователей мембранного типа являются их температурная стойкость и химическая инертность.

Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2012. — с. 41–49.

Анализ сегнетоэлектрических пленок, моделирование...

Анализ сегнетоэлектрических пленок, моделирование гистерезиса МДП-структур на основе

На границе раздела СЭ — полупроводник выполняется соотношение [6]

Однако подвижность носителей тока в перовскитных полупроводниках много меньше, чем в кремнии.

Наночастицы аморфного диоксида кремния | Статья в журнале...

Использование нанокристаллического кремния в солнечной энергетике позволит экономию массивного кремния на несколько порядков. Кроме того, наноструктурный кремнийисточник активного кислорода, позволяющего применять нанокремний для создания мазей, гелей...

Оптимизация технологического процесса производства карбида...

Результаты численных вариантов температурных кривых сравнить с известными данными из литературных источников.

Исследование механических напряжений в микромеханических мембранах на основе плёнок карбида кремния, полученных магнетронным методом.

Оптимизация Bosch-процесса травления | Статья в журнале...

Мощность нижнего электрода, Вт. 20. ETCH1_ICP_POWER.

Амиров И. И., Шумилов А. С. Влияние ионной бомбардировки на травление канавок в кремнии в высокоплотной фторуглеродной

Оптимизация технологического процесса производства карбида кремния.

Исследование электрофизических свойств структур...

FRAM (сегнетоэлектрическая память) — оперативная память в которой

Верхние электроды Pt были сформированы электроннолучевым испарением с

В. К. Ярмаркин, С. Г. Шульман, В. В. Леманов / Резистивное переключение в тонкопленочных структурах Au/TiO2/Pt на кремнии...

Изучение процесса локального зондового окисления тонких...

При этом скорость процесса окисления будет определять адсорбция кислорода на поверхности, транспорт (массы или зарядов) к любой из двух границ раздела или транспорт (массы или зарядов) через пленку оксида [2].

Модификация электрических и оптических свойств тонких слоев...

Омическая зависимость I(U) для пленок ксерогеля V2O5 наблюдается до некоторого

Кроме того «металлический» ход температурной зависимости сопротивления говорит об

При t ≥ 5 мин, происходит просто ионно-плазменное травление пленки. 4. Заключение.

Задать вопрос