Статья

Название статьи РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ ДВУХБАЛОЧНОГО КАНТИЛЕВЕРА НА ОСНОВЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ
Автор С.В. Малохатко, Е.Ю. Гусев, Ю.Ю. Житяева, А.В. Быков
Рубрика РАЗДЕЛ V. НАНОТЕХНОЛОГИИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Месяц, год 06, 2017
Индекс УДК 621.382:669.691.5
DOI
Аннотация Актуальной задачей зондовой микроскопии является разработка и оптимизация кон-структивно-технологических решений, специализированных кантилеверов под широкий перечень её методик путем вариации выбора материала консоли, количества балок, их геометрии, внесения различных функциональных слоев. При этом выбор материала консоли отличного от традиционного, как и увеличение числа консолей, позволяют расширить диапазон функциональных характеристик кантилевера и использовать его в нескольких методиках. Целью данной работы является разработка конструкции двухбалочного кантилевера из поликристаллического кремния для колебательных методик атомно-силовой микроскопии. В работе представлены результаты численного моделирования отклонения консоли методом конечных элементов, а также проведены аналитические расчеты резонансной частоты и коэффициента жесткости. Рассмотрена конструкция кантилевера, состоящая из двух балок прямоугольной формы, расположенных по обе стороны основания, на свободных концах которых имеется острие. В качестве материала балок и острия использовали поликристаллический кремний. Толщина и ширина балок при расчетах оставались постоянными, равными 1,5 и 35 мкм соответственно. Моделирование выполнено при условии, что геометрические параметры острия и его положение не менялись: высота острия 8 мкм, радиус основания 3 мкм и радиус вершины 45 нм, а удаление от свободного края балки составляло 105 мкм. Рассчитанные значения отклонения консоли при увеличении силы статического воздействия с 100–1100 нН при фиксированном значении длины балки, равном 110 мкм, а также изменении ее длины с 10 до 250 мкм при силе от 100 до 1100 нН, составили от 20 до 300 и 20 до 260 нм, соответственно. Проведены аналитические расчеты коэффициента жесткости и резонансной частоты при изменении длины балки от 50 до 250 мкм. Полученные данные позволили определить конструкции двухбалочного кантилевера с геометрическими параметрами, обеспечивающими оптимальное соотношение отклонения, жесткости и резонансной частоты балок, и подходящие как для колебательных, так и контактных методик атомно-силовой микроскопии.

Скачать в PDF

Ключевые слова Микро- и наносистемная техника; атомно-силовая микроскопия; двухбалочный кантилевер; поликристаллический кремний.
Библиографический список 1. Giessibl F.J. Advances in atomic force microscopy // Rev. Mod. Phys. – 2003. – Vol. 75.
– P. 949-983.
2. Peter E., Paul W. Atomic Force Microscopy. – London: OxfordUniversityPress, 2010. – 283 p.
3. ЦКП «Материаловедение и диагностика в передовых технологиях» при ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Исследование топографии поверхности твердых тел методом атомно-силовой микроскопии в полуконтактном режиме. – URL: http://phys.spbau.ru/files/AFM_v.n2.0.pdf (дата обращения 2.03.2017).
4. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. – Н. Новгород: Институт физики микроструктур, 2004. – 114 с.
5. Bharat Bhushan. Springer Handbook of Nanotechnology. – London: Springer Science & Business Media, 2010. – 1964 р.
6. Варадан В., Виной К., Джозе К. ВЧ МЭМС и их применение. – М.: Техносфера, 2004.
– 528 с.
7. ИНТЕГРА Спектра II. Многофункциональная автоматизированная система для АСМ-Раман, СБОМ и TERS исследований. – URL: https://www.ntmdt-si.ru (дата обращения 15.04.2017).
8. Быков В.А. Микромеханика для сканирующей зондовой микроскопии и нанотехнологии // Микросистемная техника. – 2000. – № 1. – С. 21-32.
9. Быков А.В. Конструктивно-технологические особенности кантилеверов для атомно-силовой микроскопии // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2014. – № 9 (158).
– С. 143-148.
10. Johnson R.L. Characterization of piezoelectric ZnO thin fims and the fabrication of piezoelectric micro-cantilevers: thesis. Masterof Science. – Ames: Iowa State University, 2005. – 109 p.
11. Быков А.В. Моделирование отклонения кантилевера на основе поликристаллического кремния // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2015. – № 9 (170). – С. 145-150.
12. Быков В.А. Приборы и методы сканирующей зондовой микроскопии для исследования и модификации поверхности: дисс. д-ра. техн. наук. – М.: Гос. НИИ физ. Проблем им. Ф.В. Лукина, 2000. – 393 с.
13. Гуртов В. А., Беляев М. А., Бакшеева А.Г. Микроэлектромеханические системы: учеб. пособие. – Петрозаводск: Из-во ПетрГУ, 2016. – 171 с.
14. Краснобородько С.Ю. Исследование и разработка комплекса методик для совершенствования функциональных и точностных характеристик атомно-силовой и магнитно-силовой микроскопии. – URL: https://miet.ru/upload/iblock/5e4/Краснобородько_dis.pdf (дата обращения 2.02.2017).
15. Павлов И., Хохлов А. Физика твердого тела. – М.: Высшая школа, 2000. – 494 с.
16. Васенков А., Епифанова В., Юдинцев В. Микроэлектроомеханические системы. Настало время выходить в свет. – URL:http://computer-museum.ru/books/vasenkov/vasenkov_3-5.htm (дата обращения 3.03.2017).
17. Boisen A., Dohn S. Cantilever-like micromechanical sensors // Reports on Progressin Physics. – 2011. – Vol. 74M, No. 3. – P. 30.
18. Ansari M. Z., Cho C. A Study on Increasing Sensitivity of Rectangular Microcantilevers Used in Biosensors // Sensors. – 2008. – Vol. 8. – P. 7530-7544.
19. Гусев Е.Ю., Гамалеев В.А., Михно А.С., Быков А.В., Житяева Ю.Ю. Оптимизация конст-рукции контактно-металлизационной системы пьезокантилевера для атомно-силовой микроскопии // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2014. – № 9 (158). – С. 158-165.
20. Коноплёв Б.Г., Агеев О.А., Коломийцев А.С. Формирование наноразмерных структур на кремниевой подложке методом фокусированных ионных пучков // Известия высших учебных заведений. Электроника. – 2011. – № 1 (87). – С. 29-34.
21. Коноплев Б.Г., Агеев О.А., Смирнов В.А., Коломийцев А.С., Ильин О.И. Модификация зондовых датчиков-кантилеверов для атомно-силовой микроскопии методом фокусиро-ванных ионных пучков // Нано- и микросистемная техника. – 2011. – № 4. – С. 4-8.
22. Konoplev B.G., Ageev O.A., Smirnov V.A., Kolomiitsev A.S., Serbu N.I. Probe modification for scanning-probe microscopy by the focused ion beam method // Russian Microelectronics.
– 2012. – Vol. 41, No. 1. – P. 41-50.
23. Позняк Г.Г., Копылов В.В., Рогов В.А. Современные методы проектирования нанотехно-логических процессов в машиностроении. – М.: РУДН, 2008. – 114 с.
24. Назаров Д. Обзор современных программ конечно-элементного анализа.
– URL:http://www.sapr.ru/article.aspx?id=6797 (дата обращения 5.03.2017).
25. French P.J. Polysilicon: a versatile material for Microsystems // Sensors and actuators A Phys-ical. – 2002. – Vol. 99. – P. 3-12.

Comments are closed.