Aliaje Magnetice Pt MEMS Oancea Roxana

8/16/2019 Aliaje Magnetice Pt MEMS Oancea Roxana

1/22

Aliaje magnetice folosite la MEMS-uri:exemple,caracteristici,propriet ăţ i,aplica ţ ii

Masterand:Oancea Elena Roxana,anul II,grupa RC

Îndrumător: şef lucr ări doctor inginer Daniela Ionescu

1


2/22

Câmpul magnetic

Lumea în care tr ăim este un “câmp magnetic” ,dar pentru că nu există odefiniţie clar ă ,pentru a înţelege mai bine acest termen începem prin a explica prin

ochii energetici,electrotehnici şi ai tehnologiei avansate tehnicile prin care câmpulmagnetic este produs de magneţi permanenţi şi de conductoare care sunt parcursede curent electric.

Motivul alegerii acestei teme constă în faptul că există multe situaţii în carediferite acţiuni nu pot fi explicate,în cazul acesta studiind acestă ştiinţă vom aflacă,de exemplu ,câmpul magnetic posedă energie şi exercită for ţe asupra altormagneţi.

Câmpul magnetic depinde în funcţie de compoziţia magnetică a acestor

materiale, iar compoziţia lor se urmăreşte la rolul ei în funcţie de ce anume sedoreşte a se obţine.Fierul constituie materialul,baza, celor mai multe câmpuri magnetice, acesta fiind

la rândul lor diversificate.

Generalităţi

De o deosebită importanţă şi strâns legată de înţelegerea proprietăţilor magnetice

ale materialelor este noţiunea de câmp magnetic.Câmpul magnetic este produs de magneţii permanenţi şi de conductoare parcurse

de curent electric.Câmpul magnetic posedă energie şi exerciă for ţe asupra altor magneţi sau

conductoare parcurse de curentul electric.Pentru determinarea stării de magnetizare a corpurilor sunt necesare două

mărimi:-intensitatea câmpului magnetic H,măsurat în A/m;

-inducţia magnetic B produsă de câmpul magnetic,măsurat în tesla(T)=weber/metro pătrat (Wb/m²).

Raportul dintre inducţia magnetic B şi intensitatea câmpului magnetic H senumeşte permeabilitate magnetic absolută şi se notează cu µ .Ea are valori diferite

pentru diferite materiale,la acelaşi câmp magnetic:

2


3/22

µ =B/H sau B= µH.

Permeabiliatea magnetic absolută se exprimă în weber/ampermetru (Wb A*m)

sau henry/metru (H/m).Pentru aceeaşi intensitate a câmpului magnetic,raportul dintre permeabilitatea

absolută µ a unui mediu material oarecare şi permeabiliatea absolută a vidului µ0(practic egală cu a aerului) se numeşte permeabilitate magnetică relativă amaterialului şi se notează cu µr :

µr = µ/ µ0,

Permeabilitatea absolută µ0 a vidului este o mărime constant egală cuμ0 = 4π×10

−7 N·A−2. Permeabilitea magnetică relativă µr este o constant de material,f ăr ă unitate de

masur ă.

Aliaje

Un aliaj este amestecul omogen cu proprietăți metalice a două sau maimulte materiale (elemente chimice), din care cel puțin unul este metal și de obiceise află în cantitatea cea mai mare. Proprietățile fizice și chimice ale aliajelor sunt îngeneral diferite de cele ale substanțelor componente, uneori semnificativ.Majoritatea metalelor de folosință zilnică sunt de fapt aliaje. De exemplu, ceea cenumim în limbaj uzual fier este aproape întotdeauna un oţel cu conținut redusde carbon, iar aurul folosit pentru bijuterii este un aliaj în care maiintr ă cupru și argint.

Metalele tehnic pure sunt utilizate în practică datorită unor proprietăţispeciale, cum sunt conductibilitatea termică şi electrică,rezistenţă bună lacoroziune, stabilitatea la temperaturi înalte, ca de pildă cuprul, aluminiul şi argintul

pentru conductibilitatea lor termică şi electrică mari, staniul, molibdenul si

3


4/22

wolframul pentru stabilitatea la temperaturi înalte. în practică cele mai multemetale sunt folositoare sub formă de aliaje, adică materiale metalice rezultate dintopirea împreună a unor metale cu metale sau metale cu nemetale(metaloide).

Pentru ca un aliaj să posede proprietăţi metalice, este necesar să predomine legatura metalică. Pentru ca prin topire să rezulte un aliaj, elementeletrebuie să se dizolve complet în stare lichidă, formând o topitur ă omogenă care,

prin solidificare, să dea naştere unui material metalic omogen din punct de vederemacroscopic. La scar ă atomică, toate aliajele sunt eterogene, întrucât sunt alcătuitedin cel puţin două feluri(specii) de atomi. Metalele (elementele) care alcătuiescaliajul poartă numele de componen ţ i, iar totalitatea aliajelor formate de cătreaceiaşi componenţi, formează un sistem de aliaje.

Dacă se consider ă sistemele fizico-chimice(corp sau ansamblu decorpuri) în interacţiune, izolate imaginar de mediul înconjur ător, ele pot fi:omogene-cu aceleaşi caracteristici în toată masa- şi eterogene- formate din păr ţiomogene separabile prin procedee mecanice. Păr ţile omogene ale unui sistemeterogen difer ă între ele prin proprietăţile lor fizico-chimice.

Tipuri de aliaje

Aliaj anticoroziv (rezistent la intemperii și factori chimici agresivi) Aliaj inoxidabil (nu oxidează, nu se combină cu oxigenul, nu ruginește)

Aliaj antifricțiune (cu un coeficient de frecare mic, frecare redusă, folosit lafabricarea cuzineților)

Aliaj de lipit (care este folosit în procese tehnice de lipire, frecvent subacțiunea căldurii)

Aliaj dur (cu duritate mare) Aliaj refractar (care rezistă la temperaturi mari, de exemplu la peste

1.500 °C) Aliaj ușor (cu o densitate relativ mică)

Aliaj foarte ușor Aliaj tipografic (folosit în realizarea caracterelor de tipografie)

4

http://ro.wikipedia.org/wiki/Lipirehttp://ro.wikipedia.org/wiki/Lipire


5/22

Aliaj ușor fuzibil (care se topește ușor, la temperatur ă relativ mică)

și altele.

Clasificarea sistemelor de aliaje se face în funcţie de solubilitateareciprocă a componenţilor în stare lichidă şi în stare solidă. După solubilitatea înstare lichidă se disting trei grupe mari, şi anume:

- sisteme de aliaje în care componenţii sunt total solubili unul în altul în starelichidă;

- sisteme de aliaje în care componenţii sunt par ţial solubili unul în altul înstare lichida;

- sisteme de aliaje în care componenţii sunt total insolubili unul în altul în stare

lichidă. În cazul când componenţii sunt total solubili în stare lichidă, în staresolidă pot fi: total solubili, par ţial solubili sau total insolubili.

Dacă componenţii sunt par ţial solubili în stare lichidă, în stare solidă pot fi: par ţial solubili sau total insolubili.

Când componenţii sunt total insolubili în stare lichidă, în stare solidă nu pot fi decât total insolubili.

Proprietăţi fizice ale aliajelor

Densitatea aliajelor este de cele mai multe ori intermediar ă întredensităţile metalelor constituente.

Duritatea aliajelor este mai mare decât a metalelor pure care le compun.

Astfel, oţelurile(aliaje ale fierului cu carbonul ) au duritatea mult mai mare decât afierului pur.Un adaos de carbon si wolfram dublează duritatea fierului.

Mărirea durităţii prin aliere este unul din motivele pentru care seelaborează aliajele.

5


6/22

Temperatura de topire este mai mică în cazul aliajelor, decâttemperaturile de topire ale metalelor respective; proprietatea se foloseşte în

procesele de prelucrare la cald.

Conductibilitatea electrică a aliajului este mai mică decâtconductibilitatea componentelor; pe această proprietate se bazează obţinerea unoraliaje(nichel, constantan) cu rezistenţa electrică mare, folosite în electrotehnică.

Rezisten ţ a mecanică a metalelor creşte prin aliere: de exemplu, alama,aliaj de cupru şi zinc este de aproape două ori mai rezistentă decat cuprul pur şi de patru ori mai rezistentă decât zincul.

Rezisten ţ a la coroziune se măreşte dacă metalele se aliază; aliajele suntrezistente la acţiunea agenţilor fizici şi chimici din atmosfer ă.

Aliaje cu importanţă industrială

Fonta este un aliaj de fier cu carbon, având procentul cel mai ridicat de carbon

(între 2,06 si 4%).

Există trei categorii de fonte:

- Fonta de turnătorie, în care carbonul este conţinut sub formă de grafit, are încompoziţie siliciu, mangan şi procente mici de fosfor şi sulf. Este folosită

pentru confecţionarea de radiatoare, plite,calorifere etc.- Fonta de afinare, care conţine carbonul sub formă de cementină(Fe3C), are

duritatea mai mare şi constituie materia primă pentru prepararea oţelurilor.- Feroaliajele conţin procente mai mari de mangan(feromangan), de

crom(ferocrom), de molibden(feromolibden), de vanadiu(ferovanadiu)Ele servesc la fabricarea oţelurilor speciale.

6


7/22

Oţelurile conţin fier şi un procent mai mic de carbon decât fontele(0.3-2%C);de asemenea, elementele siliciu, mangan, sulf şi fosfor sunt în procente foartereduse .

O ţ elurile-carbon, aliaje ale fierului cu carbonul, care mai pot conţinemangan, siliciu, sulf şi fosfor, sunt întrebuinţate în construcţii mecanice şi pentruunele piese metalice.

O ţ elurile speciale conţin şi alte metale care le îmbunătăţesc calităţile:nichel, crom, vanadiu, wolfram etc.

- O ţ elurile cu nichel sunt rezistente la solicitări mecanice şi de aceea seutilizează în construcţiile de maşini.

- O ţ elurile cu crom au o duritate mare şi se folosesc la fabricarea de unelte,

bile, roţi dinţate, piese inoxidabile etc.- O ţ elurile rapide care conţin pe lângă fier şi carbon elemente ca: wolfram,

crom, vanadiu, cobalt, mangan, siliciu sunt folosite la fabricarea cuţitelor pentru maşini aşchietoare şi a burghielor rezistente la viteze mari de tăiere.

Alamele sunt aliaje ale cuprului cu zincul; ele se prelucrează la strung, dar nu pot fi turnate. Se folosesc la confecţionarea de ventile, piuliţe, inele, bucse etc.

Bronzurile sunt constituite din cupru şi staniu; se pot turna foarte bine, suntdure şi rezistente. Din ele se confecţionează armături speciale, table, sârme, statui

etc.Aliajele de lipit sunt aliajele ale plumbului cu staniul.

Aliajele tipografice conţin plumb, stibiu şi staniu.

Duraluminiul este un aliaj al aluminiului cu procente mici de cupru, mangansi magneziu; are o duritate mare şi se foloseşte în industria aeronautică şi aautomobilelor.

Amalgamele sunt aliaje ale mercurului cu diferite metale; se folosesc în tehnicadentar ă şi în procese electrolitice.

7


8/22

Materiale pentru constructia MEMS-urilor

MEMS-urile sunt microsisteme obţinute prin integrarea de elemente mecanice, de

senzori, actuatori şi componente electronice pe un substrat comun (de regulă o placuţă de siliciu), prin tehnologii de microfabricaţie specifice.

Componentele electronice se realizează prin tehnologiile specifice circuitelorintegrate în timp ce componentele micromecanice se realizează prin tehnologii demicrofabricaţie constând din succesiuni de operaţii de corodare, adăugare destraturi, înlăturare de straturi de sacrificiu etc.

Principalele materiale utilizate în realizarea MEMS-urilor şi exemple de aplicaţiisunt prezentate în Tabelul 1.

Tabelul 1

Material Caracteristici

distincte Exemple de aplicaţii

Siliciu monocristalin (Si)Material electronic deînaltă calitate cuanizotropie selectivă

Senzori piezorezistivi

Siliciu policristalin

(polisilice)

Filme de sacrificiuutilizate în fabricarea

MEMS

Suprafaţa micromaşinilor,

Actuatori electrostatici

Dioxid siliciu (Si 02)Suprafeţe insularecompatibile cu

polisiliciu

Straturi de sacrificiuutilizate la realizareamicromaşinilor

Azotati de siliciu (Si3 N4,Six Ny)

Suprafeţe insulare,rezistentchimic,durabilitatemecanică

Straturi de izolatie pentrudispozitive electrostatice,straturi de pasivizare pentrudispozitive

Germaniu policristalin (poli

Ge),

Siliciu cu germaniu policristalin (poli Si-Ge)

Depozitat latemperaturi joase

Suprafeţe integrate MEMS

Aur (Au), Aluminiu (Al) Filme fine conductiveStraturi interconectante,straturi de mascare,întrerupatoare mecanice

8


9/22

Nichel -fier (NiFe) Aliaj magnetic Actuatori magnetici

Titan-nichel (TiNi)Aliaj cu memoriaformei

Actuatori termici

Carbura de siliciu (SiC)

Diamant

Stabilitate electrică şi

mecanică latemperatur ă înaltă,iner ţia chimică

MEMS de înaltă frecvenţă

Galium arsenid (GaAs),Indium fosfid (In P),Indium arsenid (In As)

Fante pentru trecerealuminii

Dispozitive optoelectronice

Titanat zirconat (PTZ) Material piezoelectricSenzori mecanici şiactuatori

PoliamideRezistenţă chimică,

polimer cutemperatur ă înaltă

MEMS flexibile, bioMEMS

ParilenPolimer biocompatibil,depozitat latemperatura camerei

Straturi de acoperire,structuri polimerice moi

Materialele utilizate în fabricaţia MEMS-urilor sunt de două feluri:

Materiale utilizate ca substrat Materiale de depunere

A. Materiale utilizate ca substrat în fabricaţia MEMS-urilor

Materialul de bază utilizat ca substrat este Siliciu .Prezintă următoareleavantaje:

- larg r ăspândit în fabricaţia IC ( circuitelor integrate);

- bine studiat şi există posibilitatea de a i se controla proprietăţile electrice;

- este economic de produs în formă cristalină;

- are proprietăţi mecanice foarte bune ( sub formă de cristal este elastic caoţelul şi mai uşor decât aluminiu).

9


10/22

Siliciul utilizat în construcţia MEMS-urilor se prezintă sub 3 forme:

· Siliciu cristalin

· Siliciu amorf

· Siliciu policristalin

Siliciu sub formă cristalină de înaltă puritate se fabrică sub formă de plăcuţecirculare cu diametrul de 100, 150, 200 şi 300 mm şi cu grosimi diferite.

Siliciu sub formă amorf ă nu are structur ă regulată cristalină şi conţine numeroasedefecte. Împreună cu siliciul policristalin se poate depune în straturi subţiri de pînă la 5 microni.

Siliciu sub formă cristalină are următoarele caracteristici fizice:

- limita de curgere = 7x109 N/m2

- modulul de elasticitate E = 1.6 x 10 11 N/m2

- densitatea = 2,33 g/cm3

- temperatura de topire = 14100C.

Există şi alte materiale care se utilizează ca substrat în construcţia MEMS-urilor:quartz, sticlă,materiale ceramice, materiale plastice, polimeri, metale.

Quartzul se utilizează în construcţia MEMS-urilor, în primul rând datorită efectului piezoelectric pe care-l posedă. Este un mineral natural dar, de regulă, se utilizează quartzul produs sintetic. Quartzul are următoarele caracteristici principale:

- modulul de elasticitate E = 1.07 x 10 11 N/m2

- densitatea = 2,65 g/cm3

B. Materiale de depunere utilizate în construcţia MEMS-urilor

Există mai multe tipuri de materiale care se depun sub formă de straturi pe plăcuţele de siliciu:

10


11/22

siliciu policristalin, siliciu amorf, bioxid de siliciu (Si O2), nitrura de siliciu(Si3 N4), oxinitrura de siliciu (SiON);

metale (Cu, W, Al, Ti, Au, Ni), compuşi metalici ( TiN, ZnO) sau aliaje(TiNi);

materiale ceramice ( alumina); polimeri.

Se prezintă mai jos particularităţile principalelor materiale utilizate ca substrat şica strat de depunere.

1. Siliciul

Siliciul se utilizează la fabricarea microsenzorilor încă din anul 1950. Atunci s-adescoperit că siliciul are coeficienţi piezorezistivi foarte înalţi faţă de cei ai

traductoarelor tensometrice metalice, ceea ce-l face primul material din categoriacelor utilizate la fabricarea MEMS-urilor.

1.1 Siliciul monocristalin

În construcţia MEMS-urilor, siliciul monocristalin are funcţii cheie fiind unuldintre cele mai versatile materiale combinînd anizotropia cu bune caracteristicimecanice. Avînd un modul al lui Young de 190Gpa, siliciul monocristalin secompar ă din punct de vedere mecanic cu oţelul care are un modul al lui Young de210GPa. Proprietăţile mecanice favorabile au f ăcut siliciul monocristalin utilizabil

ca material pentru membrane, lamele şi alte structuri. Siliciul monocristalin esteutilizat în primul rînd la fabricarea structurilor mecanice.

1.2 Siliciu policristalin

Pentru MEMS- uri şi circuite integrate (IC) filmele din siliciu policristatlin suntdepuse utilizând un proces cunoscut ca depunere chimică de vapori la presiune

joasă (LPCVD = low-presure chemical vapor depositon). Procesul are loc într-uninterval de temperatur ă cuprins între 580°C şi 650° şi o presiune de 100 pînă la 400mtorr. Atmosfera gazoasă cea mai utilizată este gazul silan (Si H4). Filmele fine de

siliciu policristalin constau într-o colecţie de mici monocristale a cărormicrostructur ă şi orientare depind de condiţiile modulului de depunere. Pentru un

proces tipic LPCVD ,temperatura de tranziţie de la starea amorf ă la cea cristalină este de 570°C, cu depunerea stratului amorf în jurul temperaturii de tranziţie. La600°C, gr ăunţii cristalini sunt mici şi egali pe când la 625°C gr ăunţii sunt mari şialungiţi. Rezistivitatea siliciului policristalin poate fi modificată prin saturare şi se

practică, în general, la filmele subţiri folosind fosforul ca saturant la saturarea

11


12/22

componentelor MEMS din siliciu policristalin, deoarece acesta are o mare viteză de difuzie. Difuzibilitatea în filmele subţiri este de 1×1012 cm2/s.

Conductivitatea termică este o altă caracteristică importantă a siliciului policristalinşi depinde de condiţiile de depunere. Pentru filmele cu granulaţie fină conductivitatea termică este de 25% din cea a siliciului monocristalin iar pentrufilmele cu granulaţie mare conductivitatea termică este de 50% sau 85% dinvaloarea celei specifică siliciului monocristalin. Ca şi proprietăţile termice şi celeelectrice ale siliciului policristalin şi tensiunile reziduale înmagazinate în filmelede siliciu policristalin depind de condiţiile de depunere ale filmelor. Pentru filmeledepuse în condiţii tipice (200 mtorr, 625°) tensiunea reziduală estenesemnificativă, tensiuni reziduale mari întîlnindu-se în filmele amorfe şi cele desiliciu cu structura alungită a grauntilor.

1.3 Siliciul poros Siliciul poros este produs la temperatura camerei prin gravarea

electrochimică a siliciului în acid hidrofluoric (HF). Dacă este configurat subformă unui electrod într-un circuit electrochimic bazat pe (HF), sarcinile pozitivede la suprafaţa siliciului facilitează schimbul atomilor de fluor cu atomii dehidrogen de la marginile suprafeţei de siliciu. Calitatea suprafeţei este dată dedensitatea porozităţii de la suprafaţă, care este controlată prin aplicarea uneidensităţi de curent. Pentru densităţi de curent înalte, densitatea porozităţii esteînaltă iar suprafaţa gravată va fi netedă. Pentru densităţi de curent mai mici,

densitatea porozităţii este scazută şi concentrează numeroase defecte de suprafaţă în anumite regiuni. Defectele de suprafaţă debutează prin mărirea gravurii ceguvernează procesul de producere a porozităţii. Mărimea porilor şi densitatea suntrelative în funcţie de tipul de Si folosit şi de condiţiile electrochimice. Ambeletipuri de siliciu atît cel monocristalin cît şi cel policristalin pot fi transformate însiliciu poros.

Creşterea suprafeţei de schimb a siliciului poros îl face un material atractiv pentru aplicaţii de tipul celor lichide sau gazoase, incluzînd membranele de filtrareşi straturile de absorbţie chimică, când este folosit siliciul monocristalin casubstrat.

12


13/22

1.4 Dioxidul de siliciu

Dioxidul de siliciu (SiO2) este unul dintre cele mai utilizate materiale pentru realizarea MEMS-urilor. În acoperirile de suprafaţă a micromaşinilor,SiO2 este utilizat ca material de sacrificiu, deoarece este uşor de dizolvat pentru afi înlăturat f ăr ă ca dizolvantul să atace polisiliciul din strat. Dioxidul de siliciu mai

poate fi utilizat şi ca strat mască pentru filmele subţiri din polisiliciu, deoareceeste rezistent chimic sau ca strat de pasivizare pe suprafeţele dispozitivelor demediu foarte sensibile.

Cel mai utilizat procedeu de obţinere a straturilor subţiri de dioxid de siliciueste oxidarea termică şi LPCVD. Oxidarea termică a Si este realizată latemperatura de 900°C-1,200°C în prezenţa oxigenului pur. Chiar dacă oxidareatermică este un proces limitat termic, grosimea maximă a filmului ce poate fi

obţinută este de 2μm grosime ce este suficientă pentru numeroase aplicaţii.Oxidarea termică a siliciului poate fi realizată numai pe substrat de siliciu. Filmeledin dioxid de siliciu pot fi depozitate pe o mare varietate de materiale ca substrat

prin procesul LPCVD. În general, prin LPCVD se obţin straturi de o grosime de2μm la temperatur ă mult mai scazută decît cea termică. Cunoscute ca şi oxidări latemperatur ă joasă, aceste filme sunt utilizate ca straturi de sacrificiu.

1.5 Nitrura de Si (Si3 N4)

Nitrura de Si este utilizat în MEMS-uri ca material pentru izolaţii electrice,

pasivizarea suprafeţelor, suprafeţe de mascare şi ca material mecanic. Două metodede depunere sunt cunoscute pentru nitrura de Si la depunerea în straturi sub ţiri:LPCVD şi respectiv PECVD. Utilizarea procedeului PECVD în aplicaţiilestraturilor pe micromaşini este limitat de conţinutul crescut în fluorohidraţi, dareste un procedeu în urma căruia se obţin filme de siliciu cu proprietăţi atractive

pentru încapsulare. Materialul obţinut prin procedeul LPCVD este foarte rezistentla atacul chimic şi ca urmare este foarte utilizat la realizarea straturilor de suprafaţă ale micromaşinilor. Nitrura de siliciu obţinut prin LPCVD este utilizat sub formă insular ă, deoarece are o rezistivitate de 106Ω×cm. Depunerea se realizează în modtipic la temperaturi şi presiuni cuprinse între 700°C-900°C şi 200 mtorr-500 mtorr.Sursele de gaz sunt diclorosiliciul (SiH2Cl2) şi amoniacul (NH3). Microstructurafilmului astfel produs este amorf ă. Datorita acestor proprietăţi filmele de Si3 N4 aufost utilizate ca structuri mecanice de suport sau ca straturi insulare pentru senzoriide presiune piezoelectrici.

13


14/22

2. Materiale bazate pe germaniu

Ca si siliciu, germaniu este un material utilizat la realizarea materialelorsemiconductoare,iar studii recente îl consider ă materialul ideal pentru realizareatranzistoarelor şi semiconductoarelor. Există un interes crescut pentru utilizarea Gela realizarea dispozitivelor micromaşinilor datorită temperaturii scăzute dedepunere a materialului pe suprafeţele realizate.

2.1 Germaniul policristalin

Filmele fine de Ge policristalin pot fi depuse prin LPCVD la temperatur ă mai mică de 325°C pe subtrat Si, Ge şi pe SiO2. Filmele de Ge pot fi folosite ca şistraturi de sacrificiu. Tensiunea reziduală acumulată în filmele formate poate firedusă la aproape zero după o uşoar ă călire la temperaturi modeste de (30-600°C).

Ge policristalin este impermeabil la KHO şi de aceea este utilizat la realizareamembranelor de Ge pe substrat de Si. Proprietăţile mecanice ale Ge policristalinsunt comparabile cu cele ale polisiliciului avînd un modul de elasticitate de 132GPa , iar rezistenţa la rupere este cuprinsă între 1,5 GPa şi 3 GPa. Ge policristalin

poate fi utilizat ca strat de sacrificiu pe suprafeţe de polisiliciu la realizareastraturilor de acoperire ale micromaşinii. Utilizînd acest procedeu, dispozitive catermistori bazaţi pe Ge policristalin şi senzori cu membrane de presiune pe bază deSi3 N4 folosesc drept straturi de sacrificiu timpul fabricării Ge policristalin.

2.2 SiGe policristalin

La fel ca şi Ge policristalin, SiGe policristalin este un material care poate fidepus la temperaturi mai scăzute ca cele ale siliciului. Procedeul de depunere seface prin metodele LPCVD, APCVD si RTCVD (rapid thermal CVD) utilizînd cagaze precursoare Si H4 şi GeH4. Temperatura de depunere este cuprinsă înintervalul 450°C pentru LPCVD şi 625°C RTCVD. În general temperatura dedepunere depinde de concentraţia Ge în filmul respectiv, cu cît concentraţia Geeste mai crescută, cu atît temperatura de depunere este mai scazută. Ca şi

polisiliciul, poli-SiGe poate fi saturat cu bor şi fosfor pentru modificareaconductivităţii. Suprasaturarea cu bor poate fi realizată la temperaturi mai mici de450°C, ceea ce demonstrează ca temperatur ă de depunere a filmelor conductivesaturate cu bor poate fi redusă la 400°C dacă conţinutul de Ge este menţinut la oconcentraţie de 70%. Pentru filmele îmbogăţite cu Ge se foloseşte un strat fin de

polisiliciu sau uneori SiO2. Ca şi majoritatea materialelor compuse, variaţiacompoziţiei filmelor poate schimba proprietăţile fizice ale materialului. Deexemplu, gravarea Poli-SiGe pe H2O2 la concentraţii ale Ge de peste 70% face ca

14


15/22

proprietăţi cum sunt microstructura, tensiunile remanente, conductivitatea filmuluişi gradientul tensiunilor remanente să depindă în mod direct de concentraţia Ge înmaterialul dat. În ce priveşte tensiunea remanentă s-au produs filme saturate cu boral căror tensiune remanentă este mai mică de 10MPa. La realizarea MEMS-urilor,Poli SiGe este utilizat la realizarea straturilor de acoperire ale componentelorMEMS avînd ca strat de sacrificiu Ge policristalin. Un avantaj al acestei tehnicieste acela că stratul de acoperire este depus direct pe structura de interes ceea cereduce apariţia capacităţilor parazite şi rezistenţei de contact caracteristice.

3.Metale

Dintre toate materialele asociate cu realizarea MEMS, metalele sunt celemai utilizate. Filmele fine metalice sunt utilizate în medii cu capacităţi diferite

pentru confecţionarea măştilor microsenzorilor şi microactuatorilor. Filmele

metalice pot fi depuse utilizînd o mulţime de tehnici cum sunt: evaporarea, pulverizarea, CVD, şi electroacoperiri. Metalele cele mai utilizate înmicrofabricatele electronice sunt Au şi Al şi de regulă sunt utilizate la realizareaconectorilor. Un exemplu în acest sens îl reprezintă utilizarea Au la realizareaîntrerupătoarelor micromecanice.Aceste întrerupatoare sunt construite folosind unstrat de sacrificiu din dioxid de siliciu. Straturile din nitrur ă de siliciu şi dioxidul desiliciu sunt depuse prin metoda PECVD, iar Au este depus prin electrodepuneredintr-o soluţie de sulfit de sodiu. Un multistrat din Ti si Au este pulverizat înaintede a fi electrodepus.Structurile tristrat sunt alese pentru a minimiza efecteledăunătoare ale gradienţilor de temperatur ă şi tensiune din timpul proceselor de

realizare ale componentelor microelectronice.

Un alt metal utilizat la realizarea MEMS este Al, de exemplu, la fabricareamicroîntrerupătoarelor pe baza de Al. Aceste întrerupătoare utilizează diferenţeledintre tensiunile remanente din filmele fine de Al si Cr pentru a crea o consolă comutatoare ce capitalizează aceste diferente de tensiune din materiale. Fiecareîntrerupător este alcătuit din o serie de console bimorfe astfel încît structurarezultată să se plieze mult peste planul real generînd diferenţele de tensiune înstructura bimorf ă. Întrerupătoarele de acest gen sunt în general lente 10 ms, dar

voltajul de activare de numai 26V poate determina închiderea acestora.Alt material utilizat în realizarea MEMS este aliajul metalic cu memoria

formei utilizat la realizarea microactuatorilor. Această proprietate de memorare aformei rezultă din transformarea reversibilă a martensitei ductile într-o fază austenitică utilizată în aplicaţia dată. Acest efect reversibil este utilizat camecanism acuator, f ăr ă ca materialul să sufere modificări în timpul tranziţiei. La

15


16/22

impulsuri rezonabile pot fi obţinute for ţe şi tensiuni înalte în aceste metale cumemoria formei, ceea ce face ca actuatorii cu memoria formei să fie utilizaţi înMEMS-uri bazate pe microdispozitive microfluidice ca microvalvele saumicropompele. Cel mai popular aliaj cu memoria formei este Ti Ni sau

nitinolul care lucrează la o densitate de 50 MJ/m3 şi o bandă de frecvenţă de 0,1kHz. Şi acest tip de material este utilizat în realizarea microvalvelor.

Nitinolul prezintă două proprietăţi strâns legate şi unice:cu memoria formei şisuperelasticitate.Cu memoria formei este capacitatea nitinolului de a fi supusdeformării la o anumită temperatur ă,apoi îşi recuperează formainiţială.Superelasticitatea are loc la o temperatur ă mai mare decît temperatura detransformare.În acest caz,nu este necesar ă încălzirea pentru a recupera formainiţială,iar materialul prezintă elasticitate de 30 de ori mai mare decît a metalului

obişnuit.Proprietăţile neobişnuite ale nitinolului sunt derivate dintr-o transformarea fazei stării solide reversibilă,cunoscută ca transformare martensitică.Latemperaturi înalte ,acesta presupune o structur ă de interpenetrare cubcristal,denumită austenita(faza părinte).La temperaturi scăzute ,nitinolul presupuneo structur ă cristalină monoclinică,cunoscută sub numele de martensită(fază fiică).Temperatura la care austensita se transformă în martensită poartă numele detemperatur ă de transformare.Există patru temperaturi detranziţie:austensită,martensită,finisajul martensită şi temperatura Of.Ciclul de

r ăcire-încălzire termică arată histerezis.Lăţimea histerezis depinde de compoziţiaexactă şi prelucrarea nitinolului,iar valoarea sa este tipică unui interval detemperatur ă 20-50 K(20-50 grade C).

16


17/22

Privind procesul de fabricaţie ,nitinolul este extrem de dificil de obţinut,ca urmarea controlului compoziţional strict necesar,aşadar fiecare atom de titan care secombină cu oxigen sau carbon este jefuit de reţeaua NiTi,schimbând astfelcompoziţia şi reducând temperatura de transformare.Nichelul se găseşte în

propor ţie de 50-51%.Există două metode de topire primare utilizate în prezent:vacuum arc topire şi aspirator inducţie de topire.

Există patru tipuri frecvent utilizate de aplicaţii pentru nitinol:

-recuperare liber ă:acesta este deformat la o temperatur ă scăzută şi încălzit pentru areveni la forma iniţială.

-recuperare limitată

-producţia de lucru

-superelasticitate.

Utilizări ale nitinolului mai întâlnim la cuplaje,biomedicale,jucăriimedicale,dispozitive de acţionare,motoare termice,senzori,dispozitive de ridicareetc.Mai poate fi utilizat la ramele de ochelari,ca sistem de control al temperaturii-când se schimbă forma se poate activa un comutator sau un rezistor variabil pentrua controla temperatura;în tehnologia mobilă,ca antenă retractabilă sau

mucrofon,datorită naturii sale de memorie extrem de flexibilă ;poate fi folosit cafire utilizate pentru a localiza şi marca tumorile de sân sau pentru a faceunderwires pentru sutiene.

Proprietățile materialului

Densitate 6,45 g / cm 3 (0,233 lb / cu

in)

Rezistivitate

electrică(austenitic)

17

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=ro&prev=search&rurl=translate.google.ro&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Density&usg=ALkJrhiuK88bTAQYsVA_6xA6J983OZmKxQhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=ro&prev=search&rurl=translate.google.ro&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Density&usg=ALkJrhiuK88bTAQYsVA_6xA6J983OZmKxQhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=ro&prev=search&rurl=translate.google.ro&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistivity_and_conductivity&usg=ALkJrhgj7yojMyZ1dZHSYOlX13KTLU7lEQhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=ro&prev=search&rurl=translate.google.ro&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistivity_and_conductivity&usg=ALkJrhgj7yojMyZ1dZHSYOlX13KTLU7lEQhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=ro&prev=search&rurl=translate.google.ro&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistivity_and_conductivity&usg=ALkJrhgj7yojMyZ1dZHSYOlX13KTLU7lEQhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=ro&prev=search&rurl=translate.google.ro&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistivity_and_conductivity&usg=ALkJrhgj7yojMyZ1dZHSYOlX13KTLU7lEQhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=ro&prev=search&rurl=translate.google.ro&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistivity_and_conductivity&usg=ALkJrhgj7yojMyZ1dZHSYOlX13KTLU7lEQhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=ro&prev=search&rurl=translate.google.ro&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Density&usg=ALkJrhiuK88bTAQYsVA_6xA6J983OZmKxQ


18/22

(Martensită)

Conductivitate

termică (austenitic)

0,18 W / cm · K

(Martensită) 0,086 W / cm · K

Coeficientul de dilatare

termică(austenitic)

(Martensită)

Permeabilitatea magnetică


19/22

Aliaje fier-nichel

Aceste aliaje sunt cunoscute sub denumirea de permalloy şi se caracterizează prin permeabilitate magnetică foarte mare , câmp coercitiv şi pierderi magnetice mici.

Caracteristicile magnetice ale acestor aliaje depinde de compoziţia ,puritateaelementelor componente ,tehnologia de elaborare , precum şi de tratamenteletermice la care au fost supuse. Aceste aliaje conţin nichel între 35 şi 80% , înfuncţie de procentul de nichel şi de tratamentul termic aplicat se deosebesc:-aliaje fier-nichel cu permeabilitate mare(cu denumiri comerciale ca superamalloy ,79-permalloy, permalloy C) a căror permeabilitate maximă μmax atinge valori de800000-1200000.-aliaje cu ciclu de hiserezis dreptunghiular, avînd 50% nichel şi prin laminări la

rece şi tratamente termice se obţine raport Br/Bs egal cu 0,80-0,95 (sunt cunoscutesub denumirile comerciale deltamax,premalloy G,permenorom 5000 Z etc.);-aliaje cu permeabilitate constantă(cunoscută sub denumirea de perminvar-

permeabilitate invariabilă) au în general permeabilitate mică,dar care r ămâneconstantă în domeniul câmpurilor magnetice slabe.La aliajele perminvar câmpurile magnetice maxime prescrise nu trebuiedepăşite,altfel materialul se degradează din punct de vedere magnetic.

Clasificare după compozi ţ ia chimică

Componenţii de bază ai acestor aliaje sunt fierul şi nichelul. Aliajele Fe—Ni seclasifică după conţinutul de nichel, astfel:

E1 – aliaje cu 7283% Ni;


19


20/22


E4 – aliaje cu 35 40% Ni;

E5 – alieje cu circa 30% Ni.

Baza subclasificării

Aliajele E1 se subclasifică după valorile permeabilităţii iniţiale în curent continuu(30 000 . . .100 000). Aliajele E3 se subclasifică în izotrope (E31) şianizotrope(E32). Pentru aliajele E2, E4 şi E5 nu există în general un sistem simplude subclasificare; se poate lua în considerare forma curbei de histerezis.

Forma de livrare

Aliajele El, E31 şi E4 se livrează sub formă de piese forjate, bare şi benzi laminatela cald, bare, table, benzi şi sârme laminate sau trase la rece; aliajele E3 se livrează sub forma de bare laminate la cald, bare, benzi sau table trase -sau laminate la rece;aliajele E32 se livrează sub forma de benzi sau table laminate la rece; aliajele E5 selivrează sub forma de bare, sîrme, benzi sau table trase sau laminate la rece.

Caracteristici fizicePentru aceste materiale, în documentele tehnice normative se indică următoarelecaracteristici:

20


21/22

— magnetice : permeabilitatea maximă în curent continuu, inducţia la saturaţie,cîmpul coercitiv pentru aliajele El, E2, E3 si E4 ; în plus inducţia remanentă pentrualiajele E2 şi E3 şi permeabilitatea magnetică iniţială pentru aliajele El, E3 si E4.Pentru aliajele E5 temperatura Curie şi variaţia inducţiei cu temperatura într-un

cîmp magnetic staţionar;

— electrice: rezistivitatea electrică;

— mecanice şi tehnologice: aptitudinea de ştanţare, numai pentru aliajele El, E2,E4 ;

— starea metalurgică: livrate de obicei după deformarea la cald sau larece, aceste materiale necesită un tratament termic pentru obţinerea proprietăţilor magnetice optime, executat după aducerea piesei la forma şidimensiunile finale. În cazul în care semifabricatul este livrat după ce a fost supustratamentului termic, după prelucr ări se execută un tratament termic de aducere(revenire) la proprietăţile iniţiale.

Principalele aplica ţ ii

Aliajele E1 se folosesc atunci cînd este necesar ă o permeabilitate magnetică ridicată în cîmp magnetic scăzut; de exemplu : transformatoare de curent,disjunctoare diferenţiale, relee sensibile, filtre cu bandă largă, amplificatoaremagnetice de mică putere, inductanţe de precizie, miezuri pentru comutaţie, capuride înregistrare magnetică, ecrane magnetice, transductoare şi aparate de măsurat.

Aliajele E2 se folosesc atunci cînd sunt necesare inducţii magnetice ridicate încîmpuri magnetice slabe, de exemplu : disjunctoare diferenţiale, transformatoare demasur ă, inductanţe de precizie, accesorii pentru impulsuri, amplificatoaremagnetice, transductoare.

21


22/22

22

Aliajele E31 se folosesc în aparate de măsurat, transformatoare de curent,transformatoare de putere mică, elemente de relee, transductoare, aparate deconectare, servoaparatur ă, adaptoare de impedanţă, transformatoare de impulsuri.

Aliajele E32 se folosesc la amplificatoare magnetice, convertizoarealternativ-continuu, miezuri pentru transformatoare de impulsuri.

Aliajele E4 se folosesc în domeniul frecvenţelor înalte şi al impulsurilor, întraductoare pentru telecomunicaţii, filtre sau transformatoare de înaltă frecvenţă,transformatoare de separaţie, transformatoare de impulsuri.

Aliajele E5 se folosesc pentru compensatoare de temperatur ă (şunturimagnetice), pentru dispozitivele de măsurare cu magneţi permanenţi.

Aliaje Magnetice Pt MEMS Oancea Roxana

Documents

Transcript of Aliaje Magnetice Pt MEMS Oancea Roxana