Статья

Название статьи МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ КАНТИЛЕВЕРА НА ОСНОВЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ
Автор А.В. Быков
Рубрика РАЗДЕЛ IV. НАНОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА
Месяц, год 09, 2015
Индекс УДК 629.052.7
DOI
Аннотация Целью работы является разработка модели микрокантилевера на основе поликристаллического кремния и получение с ее помощью зависимостей влияния геометрических параметров на его чувствительность. Это позволит провести оптимизацию конструкции микрокантилеверов, которые используются в атомно-силовой микроскопии с оптической системой регистрацией отклонения. Представлены результаты моделирования микрокантилевера методом конечных элементов. Предложена конструкция микрокантилевера, состоящая из балки и острия. Принималось, что балка поликристаллического кремния закреплена с одной стороны и имеет следующие размеры: толщина 2 мкм, ширина 30 мкм и длина 95 мкм. На свободной части балки расположено острие из поликристаллического кремния высотой 15 мкм, радиусом основания 2 мкм, и радиусом вершины 35 нм. В модели учтена непрямоугольная форма свободного края балки, получаемая в результате технологического процесса изготовления зонда. Толщина и ширина балки, размеры острия и параметры материалов оставались неизменными. Проведено численное моделирование влияния длины кантилевера и силы прижима на отклонение и резонансную частоту. При этом значения длины балки и силы прижима изменялись в диапазонах от 60 до 300 мкм и 0,05–1 мкмН соответственно. В результате получены зависимости отклонения от приложенной силы 0,05–1 мкмН при фиксированной длине 95 мкм, от длины 60–120 мкм при фиксированной силе 50 нН, а также зависимости первых трех собственных частот от длины кантилевера. Результаты, полученные в работе, позволят выработать рекомендации к проектированию конструкции кантилевера, при которой чувствительность максимальна.

Скачать в PDF

Ключевые слова Наносистемная техника; кантилевер; отклонение кантилевера; монокристалличе- ский кремний; поликристаллический кремний; атомно-силовая микроскопия.
Библиографический список 1. Bhushan B. Springer Handbook of Nanotechnology. – Heidelberg: Dordrecht: London: New York: Springer, 2010. – 1964 p.
2. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. – Н. Новгород: Институт физики микроструктур, 2004. – C. 15-68.
3. Binnig G., Quate C.F., Gerber Ch. Atomic force microscope // Jpn. Phys. Rev. Lett. – 1986. – Vol. 56, No. 9. – P. 930-933.
4. Быков А.В. Конструктивно-технологические особенности кантилеверов для атомно-силовой микроскопии // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2014. – № 9 (158). – С.141-151.
5. Алексеев А.Н., Соколов И.А., Агеев О.А., Коноплёв Б.Г. Комплексный подход к технологическому оснащению центра прикладных разработок. Опыт реализации в НОЦ «Нанотехнологии» ЮФУ // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2011. – № 4 (117). – С. 207-210.
6. Zhang G., Zhao L., Jiang Z.Surface stress-induced deflection of a microcantilever with various widths and overall microcantilever sensitivity enhancement via geometry modification // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2011. – Vol. 44. – P. 425402.
7. Ansari M.Z., Cho C., Kim J. [et al.] Comparison between Deflection and Vibration Characteristics of Rectangular and Trapezoidal profile Microcantilevers // Sensors. – 2009. – Vol. 9. – P. 2706-2718.
8. Ansari M. Z., Cho C. A Study on Increasing Sensitivity of Rectangular Microcantilevers Used in Biosensors // Sensors. – 2008. – Vol. 8. – P. 7530-7544.
9. Гусев Е.Ю., Гамалеев В.А., Михно А.С., Быков А.В., ЖитяеваЮ.Ю. Оптимизация конструкции контактно-металлизационной системы пьезокантилевера для атомно-силовой микроскопии // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2014. – № 9 (158). – С. 158-165.
10. 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.
11. Коноплев Б.Г., Агеев О.А., Смирнов В.А., Коломийцев А.С., Ильин О.И. Модификация зондовых датчиков-кантилеверов для атомно-силовой микроскопии методом фокусированных ионных пучков // Нано- и микросистемная техника. – 2011. – № 4. – С. 4-8.
12. 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.
13. Payam A.F. Sensitivity of flexural vibration mode of the rectangular atomic force microscope micro cantilevers in liquid to the surface stiffness variations // Ultramicroscopy. – 2013. – No. 135. – P. 84-88.
14. Величко Р.В., Гусев Е.Ю., Гамалеев В.А., Михно А.С., Бычкова А.С. Исследование режимов плазмохимического осаждения пленок нано- и поликристаллического кремния // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 11. – С. 1176-1179.
15. French P.J. Polysilicon: a versatile material for Microsystems // Sensors and actuators A Physical. – 2002. – Vol. 99. – P. 3-12.
16. Gere J.M., Timoshenko S.P. Mechanical of materials. – Boston: PWS Pub Co. – 1997. – 912 p.
17. Yeh M-K, Tai N-H, Chen B-Y. Influence of Poissons ratio variation on lateral spring constant of atomic force microscopy cantilevers // Ultramicroscopy. – 2008. – No. 108. – P. 1025-1029.
18. Senturia S.D. Microsystem design. Kluwer academic publishers: New York: Boston: Dordrecht: London: Moscow, 2002. – 689 p.
19. Anshu M.G., Dinesh S.R. Modelling and Eigen frequency analysis of piezoelectric cantilever beam // International Journal of Engineering Science. – 2014. – Vol. 3, No. 7. – P. 52-59.
20. Zhang Y., Murphy K.D. Static and Dynamic Structural Modeling Analysis of Atomic Force Microscope // Scanning Probe Microscopy in Nanoscience and Nanotechnology. – 2009. – P. 225-257.
21. Shaik R.S., Sai V., Logesh S. Modelling and simulation of cantilever sensor using COMSOL Multiphysics // International Journal of engineering, technology, management and research. – 2014. – No. 1. – P. 6-8.
22. Ansari M.Z., Cho C., Kim J. Comparison between Deflection and Vibration Characteristics of Rectangular and Trapezoidal profile Microcantilevers // Sensors. – 2009. – No. 9. – P. 2709-2718.

Comments are closed.