Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов проектирования и технологий создания интегрированных микроэлектромеханических систем (МЭМС)

Номер контракта: 14.574.21.0092

Руководитель: Гуров Виктор Сергеевич

Должность: Ректор

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:

Цель проекта:
Научной проблемой проекта является разработка основ конструкции микроэлектромеханических магнитоуправляемых коммутаторов предназначенных для использования в датчиках и системах автоматизации, электронной мобильной техники, и обеспечивающие отсутствие энергопотребления в режиме ожидания. Магнитоуправляемые MEMS-коммутаторы объединяют сенсорные функции – чувствительность к магнитному полю, управляющих и исполнительных элементов, поскольку осуществляется прямая коммутация электрического тока нагрузки без использования дополнительных элементов. Создание магнитоуправляемых MEMS-коммутаторов средней мощности требует решения ряда конкретных научно-технических задач: - обеспечение высокой электроэрозионной стойкости контактных площадок MEMS-коммутаторов, что потребует разработки специализированного покрытия; - обеспечение высокой чувствительности к уровню магнитного поля, при условии одновременно высоких параметров силы контактного нажатия, что потребует разработки особой конструкции MEMS-коммутаторов, концентрирующей силу магнитного поля. Целью проекта является разработка методов проектирования и технологий создания нового класса интегрированных микроэлектромеханических систем (МЭМС), объединяющих функции сенсорных, управляющих и исполнительных элементов.

Основные планируемые результаты проекта:
Основными результатами выполнения проекта являются:
- Выполнение аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы,
затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ по разработке магнитоуправляемых МЭМС -коммутаторов.
- Обоснование направления исследований, проведение сравнительной оценки эффективности возможных направлений исследований.
- Разработка и исследование вариантов возможных решений задачи и выбор оптимальных вариантов по разработке магнитоуправляемых
МЭМС -коммутаторов
- Математическое моделирование и расчет конструкции магнитоуправляемых МЭМС -коммутаторов.
- Разработка методов электрохимического осаждения элементов конструкции магнитоуправляемых МЭМС -коммутаторов.
- Выполнение патентных исследований в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
- Разработка требований к структуре и свойствам разрабатываемых интегрированных микроэлектромеханических систем (МЭМС)
- Расчет и оптимизация магнитной балки интегрированных МЭМС.
- Разработка рекомендаций по повышению чувствительности интегрированных МЭМС.
- Разработка методов расчета пропускной способности интегрированных МЭМС, состоящих из различных элементов (механических, электрических и т.д.).
- Исследование влияния различных технологических дефектов на точность МЭМС различных видов.
- Выработка требований к допускаемым технологическим дефектам изготовления МЭМС, обеспечивающих заданный уровень точности МЭМС.
- Разработка рекомендаций по повышению ресурса работы интегрированных МЭМС.
- Отработка методов электрохимического осаждения элементов конструкции магнитоуправляемых МЭМС –коммутаторов с целью повышения скорости осаждения и уменьшения дефектов.
- Разработка рекомендаций к обеспечению уровня технологических дефектов при изготовлении МЭМС заданного уровня точности.

В дальнейшем планируется выполнение работ с достижением следующих результатов:

- Разработать физико-технических основы проектирования и методики проектирования нового класса интегрированных МЭМС, объединяющих функции сенсорных, управляющих и исполнительных элементов
- Разработать методики диагностики дефектов разрабатываемых интегрированных МЭМС
- Разработать лабораторные методики создания интегрированных МЭМС, объединяющих функции сенсорных, управляющих и исполнительных элементов.
- Разработать программно - алгоритмическое обеспечение проектирования нового класса интегрированных МЭМС по характеристикам
динамической точности.
- Разработать интерфейсы, обеспечивающих возможность непосредственного использования разработанного программно - алгоритмического обеспечения для создания МЭМС указанного класса методами аддитивных технологий (3D-принтинг).
- Изготовить экспериментальные образцы интегрированных МЭМС, объединяющих функции сенсорных, управляющих и исполнительных элементов
- Разработать программы и методики испытаний экспериментальных образцов интегрированных МЭМС.
Проведение исследовательских испытаний экспериментальных образцов интегрированных МЭМС, по разработанной программе и методикам.
- Провести оценку полноты решения задачи и достижения поставленных целей ПНИ.
- Разработать технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера -организации реального сектора экономики.
- Провести технико-экономической оценки результатов ПНИ.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом будет являться магнитоуправляемые МЭМС-коммутаторы,в состав которых входят чувствительный элемент, представляющий собой гибкую балку из ферромагнитного материала с контактной площадкой, ответная контактная группа, токопроводящие дорожки, магнитны концентратор и корпус. Технические характеристики интегрированной МЭМС должны обеспечить:
- динамическую погрешность чувствительности к магнитному полю не более 10 %;
- коммутируемый ток под действием магнитного поля не более 1 мА;
- сопротивление коммутации менее 1 Ом;
- рабочее напряжение – (5 ± 0,2) В;
- геометрические размеры: не более 15х15х6 мм.
Новизна разрабатываемого магнитоуправляемого МЭМС-коммутатора состоит в:
- использовании магнитных концентраторов, обеспечивающих увеличение магнитной чувствительности при сохранении заданного уровня вибро- и ударостойкости.;
- использование эрозионно-стойких покрытий, обеспечивающих высокий ресурс.
Основными аналогами магнитоуправляемых датчиков являются герконы, датчики Холла, MEMS-переключатели и магнито-резистивные датчики. Из них коммутацию электрического сигнала осуществляют только герконы и MEMS-переключатели.
В настоящее время компании, выпускающие магнитоуправляемые переключатели, проводят работы в области миниатюризации и повышения надежности контактной группы. Большинство компаний изготавливающих герконы имеют в составе своей продукции миниатюрные герконы, размер которых в большинстве случаев составляет 5-7 мм.
Согласно исследованиям компании Schneider Electric, в настоящее время существует три прибора, являющиеся близкими аналогами MEMS-переключателя MS1:
1. MMRSW (Micro-Machined Reed Switch) фирмы OKI: фактически он является сверхминиатюрным нормально разомкнутым герконом [7]. На рынке MMRSW не присутствует.
Контактное сопротивление (1 В, 1 мА, 90 mT) – 5 Ом
Максимальный ток коммутации (90 mT/1 Hz) – 10 мА
Максимальное коммутируемое напряжение (90 mT/1 Hz) - 5 В
Износостойкость: (90 mT, 1 Hz, 1V, 0.1 мА) – мин. 10 000 циклов
Время отклика: (90 mT, 10 Hz, 1V, 1 мА) – время срабатывания – 3 мс, время отпускания – 0,1 мс
Размеры 2.0 × 1.0 × 0.75 mm
2. MICRO-REED SWITCHES (микрогеркон) фирмы ASULAB: работает как нормально разомкнутый геркон[8]. Этот вид продукции очень похож на продукт фирмы OKI, но он уже в мелкосерийном производстве. Часть производства используется для применения в наручных часах (фирма Tissot ‘Touch’- часы) и для медицины.
3. MEMS-переключатель Memscap: работает как нормально замкнутый геркон.
Рыночная стоимость представленных наиболее близких аналогов колеблется в пределах 3-5 $. По данным сайта http://www.memsindustrygroup.org направление MEMS-коммутаторов замещающих герконы и датчики Холла является устойчиво растущим наряду с направлением MEMS-реле и MEMS-коммутирующими конденсаторами (MEMS – варакторы). По прогнозам компании iSuppli суммарный объем глобального рынка MEMS-систем в 2012 году составит $8,8 млрд., из которых доля рынка MEMS-коммутаторов составит $260 млн. Сектор MEMS-коммутаторов является наиболее динамичным сектором глобального рынка MEMS-систем с ежегодным ростом более 100%.
При разработке магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов были использованы следующие пути достижения заявленных ранее результатов:
- выбор и оптимизация конструкции магнитоуправляемых MEMS-коммутаторов;
- математическое моделирование работы магнитоуправляемых MEMS-коммутаторов;
- оптимизация конструкции MEMS-коммутаторов;
- расчет покрытия контактных групп MEMS-коммутаторов;
- изготовление тестовых образцов покрытия контактных групп MEMS-коммутаторов;
- исследование тестовых образцов покрытия контактных групп MEMS-коммутаторов
- подготовка документации для изготовления MEMS-коммутаторов;
- изготовление опытных образцов магнитоуправляемых MEMS-коммутаторов;
- разработка различных модификаций магнитоуправляемых MEMS-коммутаторов;
- разработка исполнительных блоков устройств на основе магнитоуправляемых MEMS-коммутаторов;
- разработка технических рекомендаций по использованию магнитоуправляемых MEMS-коммутаторов в различных приложениях.
Основными ограничениями являются возможности использования в проекте технологического оборудования (для формирования элементов конструкции МЭМС-коммутаторов, осаждение контактных покрытий).
Основными рисками являются: сложность продвижения нового продукта на рынок, а также появление на рынке прямых аналогов, имеющих низкую себестоимость.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемая в проекте высокотехнологичная продукция - магнитоуправляемые MEMS-коммутаторы являются перспективными электронными компонентами, являющимися функциональными аналогами герконов и датчиков Холла, но обладающих по сравнению с ними рядом конкурентных преимуществ определяющих широту областей их использования. В большинстве приложений (датчики положения для мобильных телефонов, бытовой техники, автомобилестроения, авиастроения, робототехники, систем автоматики, медицинской техники, нажимные кнопки и клавиатуры) малогабаритные магнитоуправляемые MEMS-коммутаторы могут заменить собой герконы (магнитоуправляемые контакты) и датчики Холла. Магнитоуправляемый микропереключатель, изготовленный на основе MEMS-технологии обладает всеми преимуществами MEMS-устройств: миниатюрность, простота изготовления, возможность интеграции в микроэлектронные схемы и невысокая себестоимость при крупносерийном производстве.
Разработанный тип магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов является перспективной заменой существующих коммутирующих приборов на основе герконов и МЭМС. Использование разработанного МЭМС-коммутатора приведет к существенному снижению стоимости датчиков и улучшению массо-габаритных характеристик.

Текущие результаты проекта:
В ходе реализации проекта выполнены следующие работы:
- Выполнение аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ по разработке магнитоуправляемых МЭМС - коммутаторов. В ходе выполнения обзора определены основные требования, предъявляемые к магнитоуправляемым датчикам на основе магнитоуправляемых контактов, выполнен сравнительный анализ основных подходов к созданию магнитоуправляемых МЭМС – коммутаторов, выполнен анализ основных технологических процессов МЭМС технологии, описаны основные технические параметры магнитоуправляемых МЭМС – коммутаторов, представлены способы уменьшения эрозии контактов.
- Обоснование направления исследований, проведение сравнительной оценки эффективности возможных направлений исследований. В ходе выполнения работы определена задача выбора типа конструкции, определены основные факторы, влияющие на магнитную чувствительность и силу контактного нажатия магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов, определены факторы, влияющие на стойкость к ударному воздействию для различных типов конструкций коммутаторов осуществлена задача определения на основе перечисленных критериев выбора параметров конструкции магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов, определены задачи выбора типа технологических основ производства магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов включая технологию формирования ферромагнитной балки, контактного покрытия.
- Разработка и исследование вариантов возможных решений задачи и выбор оптимальных вариантов по разработке магнитоуправляемых МЭМС –коммутаторов. В ходе выполнения работы определены возможные варианты решений задачи повышения магнитной чувствительности МЭМС-коммутаторов, возможные варианты решений задачи повышения стойкости к ударному воздействию, варианты решений задачи обеспечению эрозионной стойкости контактов.
- Математическое моделирование и расчет конструкции магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов. В ходе выполнения работы создана математическая модель магнитоуправляемого МЭМС-коммутатора основанная на самосогласованной системе уравнений в частных производных, включающих основные уравнения описывающие работу магнитоуправляемых коммутаторов: уравнения механики твердого тела, уравнения электро- и магнитодинамики, теплопереноса. Созданная численная реализация модели, включающая систему граничных условий, обеспечивает самосогласованное решение уравнений описывающих процесс работы коммутатора с использованием метода конечных элементов. С использованием разработанных моделей выполнен численный расчет процесса работы MEMS-коммутаторов и получены данные о напряженности внешнего магнитного поля вызывающего замыкание и размыкание контакт-деталей; данные о распределении плотности электрического тока и энерговыделении внутри конструкции MEMS-коммутатора, данные о влиянии коммутируемого тока и напряжения на распределение температуры внутри конструкции MEMS-коммутатора, данные о распределении механических и термических и напряжений подвижных и исполнительных механизмов магнитоуправляемых MEMS-коммутаторов.
- Разработка методов электрохимического осаждения элементов конструкции магнитоуправляемых МЭМС -коммутаторов. При выполнении пятой работы - разработке методов электрохимического осаждения элементов конструкции магнитоуправляемых MEMS-коммутаторов рассмотрены общие вопросы нанесения контактных покрытий электрохимическим методом. Проведены теоретические исследования материалов используемых в современных контактных покрытиях, электролитов нанесения, режимов и условий электролиза. Отмечена перспективность использования нестационарных режимов электролиза. В ходе теоретического исследования определены основные характеристики тонких контактных гальванопокрытий, определяющие их функциональные свойства и эксплуатационный ресурс. В ходе экспериментальных исследований разработана установка для контролируемого электрохимического осаждения тонких контактных покрытий. Описаны условия получения экспериментальных образцов, методы и методики измерения основных параметров и характеристики разрабатываемых контактных гальванопокрытий. Проведено исследование влияния структуры покрытия и режимов осаждения на основные характеристики разрабатываемых контактных гальванопокрытий. Выполнен анализ результатов и выработаны рекомендации по методам электрохимического осаждения контактных покрытий магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов.
- Выполнение патентных исследований в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96. Результаты выполненных патентных исследований показывают, что среди существующих конструкций магнитоуправляемых коммутаторов изготавливаемых с использованием МЭМС-технологии в настоящее время можно выделить три основных типа геометрии магнитоуправляемых коммутаторов: коммутаторы с торцевой фиксацией ферромагнитной балки, коммутаторы с креплением балки на торсионных рычагах, коммутаторы с двумя подвижными ферромагнитными балками или одной подвижной балкой и одной фиксированной. Дано сравнительное описание различных вариантов конструкций.
- Разработка требований к структуре и свойствам разрабатываемых интегрированных микроэлектромеханических систем (МЭМС). В ходе выполнения работы разработаны требования к электрическим и механическим характеристикам магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов, определены состав элементов магнитоуправляемого МЭМС-коммутатора и требования к их функциональным свойствам. Разработаны требования к структуре и свойствам контактных покрытий разрабатываемых МЭМС-коммутаторов (структура, фазовый состав, механические и электрические свойства).
- Расчет и оптимизация магнитной балки интегрированных МЭМС. В процессе выполнения работы выполнен численный расчет чувствительности магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов к магнитному полю, расчет стойкости к ударному воздействию для различных типов конструкции разрабатываемых МЭМС-коммутаторов.
- Разработка рекомендаций по повышению чувствительности интегрированных МЭМС. В ходе выполнения работы сформулированы практические рекомендации по использованию использование коленчатых торсионов и магнитных концентраторов для повышения чувствительности к магнитному полю. Представлено подробное описание преимуществ и недостатков каждого из способов. Показано, что использование магнитных концентраторов является эффективным и наиболее предпочтительным способом повышения магнитной чувствительности МЭМС-коммутаторов поскольку их введение не влияет на стойкость коммутаторов к ударному воздействию.
Разработаны методы расчета пропускной способности интегрированных магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов, состоящих из различных элементов. Комплекс методов включают в себя методику расчета магнитной чувствительности магнитоуправляемых МЭМС коммутаторов, методику расчета инерционной чувствительности МЭМС-коммутаторов, методику оценки максимального пропускаемого тока (п. ТЗ 3.7). Методика расчета магнитной чувствительности магнитоуправляемых МЭМС коммутаторов, основана на комплексной трехмерной модели магнитоуправляемого МЭМС-коммутатора, включающей все основные уравнения описывающие процесс коммутации: уравнения распределения магнитного поля уравнения, уравнения действия сил магнитного поля на ферромагнетики, уравнения, описывающие механические напряжения в деформируемых и подвижных элементах магнитоуправляемых МЭМС – коммутаторов. Методика расчета инерционной чувствительности МЭМС-коммутаторов основана на уравнениях поведения твердого тела в поле инерциальных сил и уравнениях физики упруго деформируемого тела. Методика оценки максимального пропускаемого тока основана на уравнениях токопрохождения с учетом омического нагрева, базовых уравнениях теплопроводности.
С использованием разработанного комплекса методов расчета параметров интегрированных магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов выполнена оптимизация магнитных концентраторов магнитоуправляемых MEMS-коммутаторов с целью обеспечения наибольшей магнитной чувствительности. Определено влияние на магнитную чувствительность угла расхождения магнитного концентратора, длины магнитного концентратора (при условии постоянной ширины), длины перекрытия ферромагнитной балки и магнитного концентратора, влияние длины зазора между ферромагнитной балкой и магнитным концентратором.
Результаты выполненных расчетов показывают:
- использование магнитных концентраторов приводит к усилению индукции магнитного поля в области межконтактного зазора и повышению магнитной чувствительности магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов.
- максимальная магнитная чувствительность достигается при использовании магнитного концентратора в форме правильной трапеции;
- магнитная чувствительность возрастает с ростом ширины магнитного концентратора и практически не зависит от его длины;
- зависимость магнитной чувствительности от длины перекрытия балка-концентратор имеет минимум соответствующий приблизительно 2-3 длинам межконтактного зазора.
- с увеличением зазора балка - магнитный концентратор магнитная чувствительность уменьшается нелинейно: с ростом зазора магнитная чувствительность снижается медленнее.
Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых типов магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов.
Исследовано влияние различных технологических дефектов на точность МЭМС различных видов (магнитоуправляемые МЭМС-коммутаторы с трапецеидальным концентратором, МЭМС-коммутаторы с полосковым концентратором, МЭМС-коммутаторы с креплением балки на торсионах). Исследовано влияние дефектов отклонения от заданного значения наиболее важных конструктивных параметров, влияющих на магнитную чувствительность, являются: межконтактный зазор, толщина подвижной балки, толщина концентратора, величина контактного перекрытия, контактное сопротивление. Для оценки влияния точности изготовления МЭМС-коммутатора на его магнитную чувствительность были созданы численные модели с искусственно внесенными отклонениями от требуемых ключевых параметров конструкции. Пределы внесенных изменений колеблются в диапазоне ±30 % относительно размера базовой геометрии (т.е. без внесения изменений). С помощью модели получены данные о влиянии на магнитную чувствительность величины изменения межконтактного зазора, влияние изменения толщины подвижной балки, изменения толщины концентратора, изменения контактного перекрытия.
Для исследования влияния технологических дефектов контактного покрытия, таких как пористость и излишняя шероховатость на контактное сопротивление МЭМС был создан специальный макет, моделирующий работу прибора. С помощью этого макета получены зависимости изменения контактного сопротивления от числа коммутаций при различных значениях пористости (6% – 12%) и шероховатости (30 – 60 нм) контактного покрытия для толщин в диапазоне 100 – 300 нм. Таким образом, получены количественные данные о влияние дефектов покрытия на значение и стабильность одной из основных характеристик разрабатываемого прибора.
Исследовано влияние различных технологических дефектов на точность обеспечения заданных характеристик магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов. Установлено, что для конструкции с трапецеидальным концентратором наиболее сильно на магнитную чувствительность влияют межконтактный зазор и толщина подвижной балки, поэтому при изготовлении к этим параметрам должны предъявляться особые требования, толщина концентратора и длина контактного перекрытия влияют слабо, и магнитная чувствительность изменяется в допустимом диапазоне. Для конструкции МЭМС-коммутатора с трапецеидальным концентратором получены следующие значения допускаемых технологических дефектов отклонения геометрических параметров конструкции: толщина ферромагнитной балки: -14% .. + 14%; длина межконтактного зазора: -25% .. + 25%; толщина трапецеидального концентратора: -30% .. + 30%; длина контактного перекрытия: -30% .. + 30%.
Установлено, что для конструкции с полосковым концентратором наиболее сильно на магнитную чувствительность влияет толщина подвижной балки, поэтому при изготовлении к этому параметру должны предъявляться особые требования, межконтактный зазор, толщина концентратора и длина контактного перекрытия влияют слабо, и магнитная чувствительность изменяется в допустимом диапазоне. Для конструкции МЭМС-коммутатора с полосковым концентратором получены следующие значения допускаемых технологических дефектов отклонения геометрических параметров конструкции: толщина ферромагнитной балки: -14% .. + 14%; длина межконтактного зазора: -30% .. + 30%; толщина полоскового концентратора: -30% .. + 30%; длина контактного перекрытия: -30% .. + 30%.
Установлено, что для конструкции с креплением балки на торсионах наиболее сильно на магнитную чувствительность влияют межконтактный зазор, толщина подвижной балки и толщина профиля торсиона, поэтому при изготовлении к этим параметрам должны предъявляться особые требования, толщина концентратора и длина контактного перекрытия влияют слабо, и магнитная чувствительность изменяется в допустимом диапазоне. Для конструкции МЭМС-коммутатора с креплением балки на торсионах получены следующие значения допускаемых технологических дефектов отклонения геометрических параметров конструкции: толщина ферромагнитной балки: толщина ферромагнитной балки: -16% .. + 16%; длина межконтактного зазора: -28% .. + 28%; ширина профиля торсиона: 22% .. + 30%; толщина полоскового концентратора: -30% .. + 30%; длина контактного перекрытия: -30% .. + 30%.
В ходе выработки требований к допускаемым технологическим дефектам контактного покрытия, для различных его толщин, установлены значения пористости и шероховатости, обеспечивающие поддержание значения контактного сопротивления на требуемом уровне, не превышающем 0,15 Ом в ходе выработки всего эксплуатационного ресурса прибора.
Разработаны рекомендации по повышению ресурса работы магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов. Представлены данные расчета термомеханических напряжений в градиентных и однородных покрытиях на основе гальванических сплавов W-Ni, Mo-Ni, W-Ti-Cu и W-Cu.
Разработаны рекомендации по повышению ресурса работы интегрированных магнитоуправляемых МЭМС:
- Уменьшение механических напряжений более чем в 2-а раза в деформируемых и подвижных частях магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов (ферромагнитная балка, торсионные рычаги) можно обеспечить путем использования коленчатого торсионного крепления подвижной ферромагнитной балки.
- Повышение стойкости к деламинации в результате термомеханических напряжений можно обеспечить путем использования градиентных покрытий W-Ni и Mo-Ni наносимых на никелевую подложку с плавным увеличением содержания W (Mo) от подложки к поверхности т.к. использование данного типа покрытий приводит к устранению межслоевых термомеханических напряжений на границе с подложкой и существенному снижению среднего уровня термомеханических напряжений в покрытии по сравнению с однородным покрытием. При этом установлено, что форма градиента покрытия W-Ni и Mo-Ni не оказывает существенного влияния на величину и распределение термомеханических напряжений внутри структуры покрытия.
- Повышение температурной и эрозионной стойкости контактов можно обеспечить путем использования многослойных покрытий структуры W-Ti-Cu. Установлено, существует оптимальное значение толщины слоя Ti, при котором обеспечиваются минимальные термомеханические напряжения (более чем в два раза меньшие по сравнению с покрытием W-Cu). Для условий поставленного численного эксперимента эта толщина составляет 30 нм. Анализ температурного режима и термомеханических напряжений в покрытии типа W-Ti-Cu и W-Cu показывает, что увеличение толщины слоя вольфрама до уровня 50-100 нм приводит к снижению межслоевых термомеханических напряжений и уменьшению температуры пятна на поверхности покрытия, что обеспечивает увеличение эрозионной стойкости покрытия. Показано, что толщина слоя титана в пределах 10-100 нм не оказывает существенного влияния на температуру пятна на поверхности покрытия.
Отработаны методы электрохимического осаждения элементов конструкции магнитоуправляемых МЭМС–коммутаторов с целью повышения скорости осаждения и уменьшения дефектов (п. ТЗ 3.5). Проведенные эксперименты по совершенствованию методов электрохимического осаждения контактного покрытия магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов с целью повышения скорости осаждения позволяют сформулировать следующие выводы:
- Экспериментально определено, что при гальваническом рутенировании из электролита на основе биядерного нитридоаквахлоридного комплекса рутения Ru2N(H2O)xCly(NH4)3 при катодной плотности тока равной 3,8 А/дм2 максимальная скорость осаждения на уровне 0,11 мкм/мин достигается при сооотношении концентрации сульфамата аммония [CA]=(NH4NH2SO3) к концентрации рутения [Ru] в растворе ([CA]/[Ru]) равном двум.
- Установлено, что при гальваническом рутенировании из электролита на основе биядерного нитридоаквахлоридного комплекса рутения Ru2N(H2O)xCly(NH4)3 оптимальные температура электролита и плотность катодного тока обеспечивающие максимальную скорость процесса составляют 65 - 70оС и 3 - 4 А/дм2 соответственно.
В ходе проведенных экспериментов по совершенствованию методов электрохимического осаждения контактного покрытия магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов с целью уменьшения дефектов контактного гальванопокрытия, а именно пористости и посторонних включений был выработан ряд важных рекомендаций:
- Определен оптимальный состав электролита низкопористого золочения контактирующей поверхности обеспечивающий высокую рассеивающую способность.
- Экспериментально установлен интервал значений плотности предложенного электролита золочения от 1,1 до 1,23 г/см3 обеспечивающий минимальны значения пористости осаждаемого покрытия.
- Установлено, что при использовании предложенного электролита золочения, уменьшение катодной плотности тока осаждения до 0,1 А/дм2 обеспечивает минимизацию значения пористости осаждаемого покрытия, что соответствует теоретическим расчетам выполненным ранее.
- Выбран эффективный способ очистки электролита золочения обеспечивающий удаление органических примесей и уменьшение потерь золота.