RU2374746C1 - Electrostatic micro-, nanomotor - Google Patents
Electrostatic micro-, nanomotor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2374746C1 RU2374746C1 RU2008122800/06A RU2008122800A RU2374746C1 RU 2374746 C1 RU2374746 C1 RU 2374746C1 RU 2008122800/06 A RU2008122800/06 A RU 2008122800/06A RU 2008122800 A RU2008122800 A RU 2008122800A RU 2374746 C1 RU2374746 C1 RU 2374746C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- spring
- plates
- nano
- micro
- nanoshell
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Micromachines (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электромеханике, а также к области микроструктурной технологии, в частности к микромеханическим устройствам с подвижными, гибкими или деформируемыми элементами. Изобретение может быть использовано для построения микро- и нанодвигателей систем передвижения и транспортировки различного назначения, осуществляющих перемещения в микро- и наноразмерной шкале масштабов, а также двигателей, имеющих микро- и наноразмеры, например, в робототехнике, в том числе в нано- и микроробототехнических системах медицинского назначения.The invention relates to electromechanics, as well as to the field of microstructural technology, in particular to micromechanical devices with moving, flexible or deformable elements. The invention can be used to build micro- and nanomotors of systems of movement and transportation for various purposes, moving in a micro- and nanoscale scale, as well as motors having micro- and nanoscale, for example, in robotics, including nano- and microrobotics medical systems.
Известен электростатический микро-, нанодвигатель (заявка Германии на изобретение DE 102005018955, МПК: 8 H02N 1/00), содержащий узел позиционирования, выполненный в составе двух пар встречных электростатических электродов, электрически изолированного упругого элемента и электростатического преобразователя электрической энергии в механическую, плоский электрод-подложку, на котором размещен узел позиционирования, и источник питания для селективной подачи электрического потенциала на электроды. В преобразователе использованы гребенчатые структуры, размещенные навстречу друг другу с возможностью перекрытия, представляющие конденсатор, обеспечивающий посредством варьирования емкости перемещение. Встречные электроды механически соединены с упругим элементом, изготовленным из полимера, полиметилметакрилата. Плоский электрод-подложка выполняет функцию контурного электрода к встречным электродам.Known electrostatic micro-, nanomotor (German application for invention DE 102005018955, IPC: 8
К недостаткам известного технического решения относятся: ограниченные функциональные возможности и области применения; ограничение диапазона перемещений; низкая точность перемещения; маломощность двигателя. Указанные недостатки обусловлены следующими причинами. Во-первых, движение осуществляется в направлении, перпендикулярном вектору электрического поля, что обуславливает малую величину сил, развиваемых двигателями данного типа при управляющих напряжения порядка нескольких вольт. Для того чтобы данные двигатели обладали достаточной эффективностью, необходима величина управляющего напряжения порядка 100 В и большие размеры двигателя. Во-вторых, при движении существует возможность перекоса и последующего замыкания с трением электродов гребенчатых структур, которые существенно ограничивают длину перемещения и делают невозможным реализацию данного двигателя в наноразмерной шкале масштабов, с нанозазорами. Двигатели типа гребенок являются громоздкими. Наличие большого количества гребенок вызвано необходимостью увеличить суммарную силу притяжения пластин конденсатора, которым является электростатический преобразователь. В-третьих, реализация данного двигателя базируется на возможностях стандартных технологий, с присущими им невозможностью масштабирования размеров в сторону уменьшения, прецизионной выдержки их и ограниченным ассортиментом используемых в конструктивных элементах двигателя материалов, что приводит, в конечном счете, к отсутствию контролируемости в отработке статического воздействия. В-четвертых, двигатель данного типа может быть использован для перемещений только в одном направлении.The disadvantages of the known technical solutions include: limited functionality and applications; limited range of movement; low accuracy of movement; low engine power. These disadvantages are due to the following reasons. Firstly, the movement is carried out in a direction perpendicular to the electric field vector, which leads to a small amount of forces developed by engines of this type with control voltages of the order of several volts. In order for these engines to have sufficient efficiency, a control voltage of about 100 V and large motor sizes are required. Secondly, during movement, there is the possibility of skewing and subsequent closure with friction of the electrodes of the comb structures, which significantly limit the length of movement and make it impossible to implement this engine on a nanoscale scale, with nanogaps. Comb type motors are bulky. The presence of a large number of combs is caused by the need to increase the total attractive force of the capacitor plates, which is an electrostatic converter. Thirdly, the implementation of this engine is based on the capabilities of standard technologies, with their inherent impossibility of scaling sizes downward, their precision exposure and a limited range of materials used in the structural elements of the engine, which ultimately leads to a lack of control in the development of static effects . Fourth, an engine of this type can be used for movements in only one direction.
Известен электростатический микро-, нанодвигатель (Y.Nemirovsky, О.Degani, A methodology and model for the pull-in parameters of electrostatic actuators. J. Micromech. Syst, v. 10, (4), 2001, pp.601-615), содержащий источник питания и электрически связанные с ним две пластины. При этом плоскопараллельные пластины, являющиеся электродами, размещены друг относительно друга с зазором, одна из них выполнена неподвижной, а другая - подвешена с возможностью ее вращения вокруг оси, проходящей через точку подвеса, при притяжении по направлению к неподвижной пластине при подаче к ним разности потенциалов и возникновении электростатической силы притяжения.Known electrostatic micro-, nanomotor (Y. Nemirovsky, O. Degani, A methodology and model for the pull-in parameters of electrostatic actuators. J. Micromech. Syst, v. 10, (4), 2001, pp. 601-615 ) containing a power source and two plates electrically connected to it. In this case, plane-parallel plates, which are electrodes, are placed relative to each other with a gap, one of them is fixed, and the other is suspended with the possibility of its rotation around an axis passing through the suspension point, when attracted towards the fixed plate when applying the potential difference to them and the occurrence of electrostatic gravity.
К недостаткам известного технического решения относятся: ограниченные функциональные возможности и области применения; ограничение диапазона перемещений; низкая точность перемещения; маломощность двигателя. Основной причиной, препятствующей достижению технического результата, является нестабильность электростатического двигателя (преобразователя), известная как слипание электродов. При подаче разности потенциалов к электродам между ними возникает электростатическая сила, вынуждающая подвешенный электрод, вращаясь, притягиваться по направлению к неподвижному электроду до наступления равновесия между электростатической силой и механической силой упругости подвеса. Равновесие имеет место в случаях, если после перемещения подвижного электрода величина зазора между электродами достаточно велика, не менее 2/3 исходной величины зазора. Если при подаче разности потенциалов к электродам возникает электростатическая сила, превосходящая силу упругости подвеса, то между электродами происходит контакт - явление слипания. Таким образом, это обстоятельство, несмотря на притягательность электростатических двигателей (преобразователей), в значительной степени обусловленными возможностью накопления в них большой плотности энергии и достижением в них большой силы, а также простотой дизайна и изготовления, легкой интегрируемостью в микро- и наносистемы, тем не менее, является существенным препятствием в использовании двигателей в различных микро- и наносистемах. Явление слипания является причиной ограничения диапазона возможных перемещений, низкой точности перемещения, препятствует развитию большой силы. Поскольку сила электростатического притяжения зависит квадратично от обратного расстояния между пластинами, то максимальное усилие достигается при минимальных расстояниях между пластинами. В рассматриваемом аналоге невозможно достичь малых расстояний (меньше 2/3 исходного расстояния), что ограничивает величину развиваемых усилий. Поэтому, несмотря на указанные потенциальные возможности, реализация двигателя может быть осуществлена только в качестве маломощного. Эта же причина обуславливает невозможность масштабирования размеров в сторону уменьшения.The disadvantages of the known technical solutions include: limited functionality and applications; limited range of movement; low accuracy of movement; low engine power. The main reason preventing the achievement of the technical result is the instability of the electrostatic motor (converter), known as the sticking of electrodes. When a potential difference is applied to the electrodes, an electrostatic force arises between them, forcing the suspended electrode to rotate and be attracted towards the stationary electrode until equilibrium between the electrostatic force and the mechanical elasticity of the suspension occurs. Equilibrium occurs in the cases when, after moving the movable electrode, the gap between the electrodes is sufficiently large, at least 2/3 of the initial gap. If, when a potential difference is applied to the electrodes, an electrostatic force arises that exceeds the elastic force of the suspension, then contact occurs between the electrodes - the sticking phenomenon. Thus, this fact, despite the attractiveness of electrostatic motors (converters), is largely due to the possibility of accumulation of a large energy density in them and the achievement of a large force in them, as well as the simplicity of design and manufacture, easy integrability in micro- and nanosystems, however less, is a significant obstacle to the use of engines in various micro and nanosystems. The sticking phenomenon is the reason for limiting the range of possible movements, low accuracy of movement, and prevents the development of large forces. Since the force of electrostatic attraction depends quadratically on the reciprocal distance between the plates, the maximum force is achieved at minimum distances between the plates. In the considered analogue it is impossible to achieve small distances (less than 2/3 of the initial distance), which limits the magnitude of the developed efforts. Therefore, despite these potential opportunities, the implementation of the engine can only be carried out as a low-power one. The same reason makes it impossible to scale down.
В качестве ближайшего технического решения выявлен электростатический микро-, нанодвигатель (Y.Nemirovsky, О.Degani, A methodology and model for the pull-in parameters of electrostatic actuators. J. Micromech. Syst, v.10, (4), 2001, pp.601-615), содержащий источник питания, с которым электрически связаны две плоскопараллельные пластины, являющиеся электродами, размещенные друг относительно друга с зазором, одна из них выполнена неподвижной, а другая с возможностью линейного перемещения при притяжении по направлению к неподвижной пластине при подаче разности потенциалов на пластины и возникновении электростатической силы притяжения.As the closest technical solution, an electrostatic micro-, nanomotor was identified (Y. Nemirovsky, O.Degani, A methodology and model for the pull-in parameters of electrostatic actuators. J. Micromech. Syst, v.10, (4), 2001, pp.601-615), containing a power source with which two plane-parallel plates are electrically connected, which are electrodes placed with respect to each other with a gap, one of them is fixed, and the other with the possibility of linear movement with attraction towards the fixed plate when feeding potential differences on the plates and the occurrence of electric ktrostaticheskoy gravity.
К недостаткам ближайшего известного технического решения относятся: ограниченные функциональные возможности и области применения; ограничение диапазона перемещений; низкая точность перемещения; маломощность двигателя. Основной причиной, препятствующей достижению технического результата, является нестабильность электростатического двигателя, известная как слипание электродов. При подаче на пластины разности потенциалов создается кулоновское притяжение, вызывающее перемещение пластины и изменение расстояния между подвижной и неподвижной пластинами. При этом возможный диапазон перемещений составляет 1/3 от исходного расстояния между пластинами. При попытке увеличить расстояние перемещения возникает явление слипания пластин. Как правило, упругий элемент в электростатическом двигателе, обеспечивающий перемещение пластины, например пружина, изменяет свои размеры пропорционально приложенной силе. Электростатическая сила зависит квадратично от обратного расстояния между пластинами. Разница функциональных зависимостей от расстояния сил упругости и притяжения, в первом случае - прямая пропорциональная, во втором случае - обратная квадратичная, ограничивает диапазон возможных перемещений до указанной величины. Таким образом, существование рассмотренного явления слипания, несмотря на притягательность электростатических двигателей, в значительной степени обусловленными возможностью накопления в них большой плотности энергии и достижением в них большой силы, а также простотой дизайна и изготовления, легкой интегрируемостью в микро- и наносистемы, тем не менее, является существенным препятствием в использовании двигателей в различных микро- и наносистемах. Явление слипания является также причиной низкой точности перемещения, так как рабочий диапазон ограничен выполнением условия наличия больших расстояний между пластинами. Таким образом, несмотря на то, что потенциальные возможности в отношении развития больших сил в данном двигателе выглядят обнадеживающими, на деле реализация двигателя может быть осуществлена только в качестве маломощного и неточного в перемещении. Наличие этого же явления обуславливает невозможность масштабирования размеров в сторону уменьшения.The disadvantages of the closest known technical solutions include: limited functionality and applications; limited range of movement; low accuracy of movement; low engine power. The main reason preventing the achievement of the technical result is the instability of the electrostatic motor, known as the sticking of electrodes. When a potential difference is applied to the plates, a Coulomb attraction is created, causing the plate to move and the distance between the movable and fixed plates to change. In this case, the possible range of movements is 1/3 of the initial distance between the plates. When you try to increase the displacement distance, the phenomenon of adhesion of the plates occurs. As a rule, an elastic element in an electrostatic engine that provides movement of the plate, for example a spring, changes its size in proportion to the applied force. The electrostatic force depends quadratically on the reciprocal distance between the plates. The difference in functional dependences on the distance of the elastic and attractive forces, in the first case is direct proportional, in the second case is inverse quadratic, limits the range of possible displacements to the specified value. Thus, the existence of the considered clumping phenomenon, despite the attractiveness of electrostatic motors, is largely due to the possibility of accumulation of a high energy density in them and the achievement of a large force in them, as well as the simplicity of design and manufacture, easy integrability in micro- and nanosystems, nevertheless is a significant obstacle to the use of engines in various micro and nanosystems. The sticking phenomenon is also the reason for the low accuracy of movement, since the working range is limited by the fulfillment of the condition of the presence of large distances between the plates. Thus, despite the fact that the potential for the development of large forces in this engine looks encouraging, in fact, the implementation of the engine can only be realized as a low-power and inaccurate in movement. The presence of the same phenomenon makes it impossible to scale down.
Техническим результатом изобретения является:The technical result of the invention is:
- расширение функциональных возможностей и областей применения;- expansion of functionality and applications;
- увеличение диапазона перемещений;- increase the range of movements;
- существенное повышение точности перемещения;- a significant increase in the accuracy of movement;
- достижение предельно больших усилий двигателя (увеличение мощности).- achievement of extremely large engine forces (increase in power).
Технический результат достигают тем, что в электростатическом микро-, нанодвигателе, содержащем источник питания, по крайней мере, две пластины, расположенные друг относительно друга с зазором и с возможностью изменения за счет электростатического воздействия их пространственной ориентации друг относительно друга, в микро-, нанозазоре между пластинами размещена с возможностью фиксации самоформирующаяся упругая нанооболочка - пружина, выполненная из механически напряженной пленки, изменяющая свою форму и коэффициент упругости при изменении взаимного расположения пластин, при этом пластины и нанооболочка - пружина, или пластины, или пластина и нанооболочка выполнены с возможностью приложения к ним от источника питания напряжения, и отработки электростатического воздействия.The technical result is achieved in that in an electrostatic micro-, nanomotor containing a power source, at least two plates located with respect to each other with a gap and with the possibility of changing due to the electrostatic effect of their spatial orientation relative to each other, in a micro-, nano-gap a self-forming elastic nano-shell is placed between the plates with the possibility of fixation - a spring made of a mechanically strained film that changes its shape and coefficient of elasticity when measured By varying the relative position of the plates, the plates and the nano-shell - spring, or plates, or the plate and the nano-shell are made with the possibility of applying voltage to them from the power source, and working out the electrostatic effect.
В электростатическом микро-, нанодвигателе нанооболочка - пружина выполнена гофрированной.In an electrostatic micro-, nanomotor nano-shell - the spring is made corrugated.
В электростатическом микро-, нанодвигателе фиксация нанооболочки - пружины выполнена жестким креплением к пластине ее краев.In the electrostatic micro-, nanomotor, the fixation of the nanoshell - spring is made by rigid fastening to the edges of the plate.
В электростатическом микро-, нанодвигателе нанооболочка - пружина выполнены из полупроводника, или металла, или диэлектрика, или полупроводника и металла, илидиэлектрика и металла, или диэлектрика и полупроводника, или полупроводника, и диэлектрика, и металла.In an electrostatic micro-, nanomotor, a nanoshell - a spring is made of a semiconductor, or metal, or a dielectric, or a semiconductor and metal, or an dielectric and metal, or a dielectric and a semiconductor, or a semiconductor, and a dielectric, and metal.
В электростатическом микро-, нанодвигателе пластина выполнена из полупроводника, или металла, или диэлектрика, или полупроводника и металла, или диэлектрика и металла, или диэлектрика и полупроводника, или полупроводника, и диэлектрика, и металла.In an electrostatic micro-, nanomotor, the plate is made of a semiconductor, or a metal, or a dielectric, or a semiconductor and a metal, or a dielectric and a metal, or a dielectric and a semiconductor, or a semiconductor, and a dielectric, and metal.
В электростатическом микро-, нанодвигателе нанооболочка - пружина, гофрирована неравномерно в отношении ее площади, только на краях, с увеличением высоты гофров в направлении к освобожденным от связи с пластиной краям.In an electrostatic micro-, nanomotor, the nano-shell is a spring that is corrugated unevenly with respect to its area, only at the edges, with an increase in the height of the corrugations in the direction towards the edges freed from communication with the plate.
В электростатическом микро-, нанодвигателе нанооболочка - пружина гофрирована равномерно в отношении ее площади с непрерывно периодическим расположением протяженных одинаковых гофров.In an electrostatic micro-, nanomotor nano-shell, the spring is corrugated uniformly in relation to its area with a continuously periodic arrangement of long identical corrugations.
В электростатическом микро-, нанодвигателе нанооболочка - пружина гофрирована равномерно в отношении ее площади с прерывно или непрерывно периодическим расположением протяженных зигзагообразных гофров.In an electrostatic micro-, nanomotor, a nano-shell - the spring is corrugated uniformly with respect to its area with an intermittently or continuously periodic arrangement of extended zigzag corrugations.
В электростатическом микро-, нанодвигателе нанооболочка - пружина гофрирована равномерно в отношении ее площади, с прерывно периодическим расположением куполообразных гофров.In an electrostatic micro-, nanomotor nano-shell, the spring is corrugated uniformly with respect to its area, with a discontinuously periodic arrangement of dome-shaped corrugations.
В электростатическом микро-, нанодвигателе в составе пластин и нанооболочки - пружины, или в составе пластин, или в составе пластины и нанооболочки - пружины, выполненных с возможностью использования их в качестве электродов, сформирован массив проводящих элементов, предназначенных для создания локального электрического поля или его градиента, обеспечивающих контролируемое изменение угла между пластинами.In an electrostatic micro-, nanomotor as a part of plates and nano-shells - springs, or as part of plates, or as a part of a plate and nano-shells - springs, made with the possibility of using them as electrodes, an array of conductive elements designed to create a local electric field or its gradient, providing a controlled change in the angle between the plates.
В электростатическом микро-, нанодвигателе сформирован массив концентрически расположенных проводящих элементов, с возможностью создания локального электрического поля или его градиента вдоль радиальных прямых, и вдоль окружностей, при этом ориентация осей гофров нанооболочки - пружины, выполнена также радиальной.An array of concentrically arranged conductive elements is formed in the electrostatic micro-, nanomotor, with the possibility of creating a local electric field or its gradient along radial lines, and along circles, while the orientation of the axes of the corrugations of the nanoshell - spring, is also made radial.
Электростатический микро-, нанодвигатель выполнен многокаскадным, из последовательно соединенных n каскадов, где n≥1, при этом каждая из пластин n-го каскада выполнена с возможностью принадлежности каскаду n-1 или каскаду n+1.The electrostatic micro-, nanomotor is multi-stage, of n stages connected in series, where n≥1, while each of the plates of the nth stage is made with the possibility of belonging to the n-1 cascade or the n + 1 cascade.
В многокаскадном электростатическом микро-, нанодвигателе нанооболочка - пружина в отношении разных каскадов выполнена различающейся толщиной, и/или высотой гофрировки, и/или формой, и/или пространственной ориентацией для прецизионного управления двигателем в отношении разных каскадов.In a multi-stage electrostatic micro-, nanomotor, a nano-shell - spring with respect to different stages is made of different thickness and / or height of the corrugation, and / or shape, and / or spatial orientation for precision control of the engine in relation to different stages.
В электростатическом микро-, нанодвигателе нанооболочка - пружина выполнена из напряженной многослойной пленки, содержащей, по крайней мере, один растянутый слой.In an electrostatic micro-, nanomotor nano-shell, the spring is made of a strained multilayer film containing at least one stretched layer.
В электростатическом микро-, нанодвигателе нанооболочка - пружина выполнена из напряженной многослойной пленки, содержащей три слоя, причем внешние сжаты, а толщина пленки периодически модулирована за счет внешних слоев, причем период модуляции толщины одного внешнего слоя и период модуляции второго внешнего слоя сдвинуты друг относительно друга.In an electrostatic micro-, nanomotor, a nanoshell — the spring is made of a strained multilayer film containing three layers, the outer ones being compressed, and the film thickness periodically modulated by the outer layers, the modulation period of the thickness of one outer layer and the modulation period of the second outer layer being shifted relative to each other .
В электростатическом микро-, нанодвигателе, по крайней мере, одна из пластин выполнена в виде кантилевера.In an electrostatic micro-, nanomotor, at least one of the plates is made in the form of a cantilever.
В электростатическом микро-, нанодвигателе, по крайней мере, одна из пластин выполнена в виде арки.In an electrostatic micro-, nanomotor, at least one of the plates is made in the form of an arch.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.The invention is illustrated by the following description and the accompanying drawings.
На Фиг.1 схематически изображена последовательность формирования освобожденной от связи с пластиной (подложкой) выпученной пленки, являющейся простейшей нанооболочкой - пружиной: а) стадия нанесения на пластину (подложку InP) последовательно жертвенного слоя AlAs, функционального слоя InAs, латеральные размеры последнего превышают размеры подложки InP, вследствие того, что постоянная решетки InAs больше постоянной решетки InP; б) готовая гетероструктура InAs/AlAs/InP, в которой пленка InAs наследует решетку массивной подложки (явление псефдоморфизма), вследствие чего, слой InAs сжат; в) стадия селективного бокового удаления материала жертвенного слоя, отделение среднего участка сжатого функционального слоя InAs и формирование простейшей, нанооболочки - пружины с фиксированными концами, в результате выпучивания участка пленки, отделенного от подложки.Figure 1 schematically shows the sequence of formation of a bulging film freed from communication with the plate (substrate), which is the simplest nanoshell - spring: a) the stage of deposition of a sequentially sacrificial AlAs layer, an InAs functional layer on the plate (InP substrate), the lateral dimensions of the latter exceed the dimensions of the substrate InP, due to the fact that the InAs lattice constant is greater than the InP lattice constant; b) the finished InAs / AlAs / InP heterostructure, in which the InAs film inherits the lattice of a massive substrate (pseudomorphism phenomenon), as a result, the InAs layer is compressed; c) the stage of selective lateral removal of the sacrificial layer material, separation of the middle portion of the compressed InAs functional layer and the formation of the simplest nanoshell — fixed-spring springs as a result of buckling of the film portion separated from the substrate.
На Фиг.2 представлена иллюстрация структуры микро-, нанодвигателя, в которой верхняя подвижная пластина способна перемещаться в вертикальном направлении под действием давления Р, сила, действующая со стороны подвижной пластины на нанооболочку - пружину - F: а) исходное состояние структуры до приложения внешнего давления Р; б) изображение сечения структуры при приложении давления Р, в образовавшейся области плотного прилегания наноооболочки - пружины к подвижной пластине, l - длина подложки, l1 - длина изогнутой части нанооболочки - пружины, l2 - длина прилегающей части нанооболочки - пружины, h - расстояние между пластинами; где 1 - неподвижная пластина (подложка), 2 - подвижная пластина, 3 - нанооболочка - пружина.Figure 2 presents an illustration of the structure of a micro-, nanomotor, in which the upper movable plate is able to move in the vertical direction under pressure P, the force acting from the side of the movable plate on the nanoshell - spring - F: a) the initial state of the structure before applying external pressure R; b) image of the cross-section of the structure when pressure P is applied, in the formed region of tight fit of the nano-shell - the spring to the movable plate, l - the length of the substrate, l 1 - the length of the curved part of the nano-shell - spring, l 2 - the length of the adjacent part of the nano-shell - spring, h - distance between the plates; where 1 is a fixed plate (substrate), 2 is a movable plate, 3 is a nano-shell is a spring.
На Фиг.3 представлена зависимость величины зазора между пластинами (слева) - а) и формы нанооболочки - пружины (справа) - б) от приложенного к пластинам напряжения; при этом «Нагрузка» - увеличение прикладываемого напряжения, «Разгрузка» - уменьшение прикладываемого напряжения, I - состояние системы с одним гофром, II - состояние системы с двумя гофрами, III - состояние системы с тремя гофрами (i - гофр касается пластин в точках верхушек, ii - гофры с областью плотного прилегания нанооболочки - пружины к пластине), слева пунктирными стрелками показан порядок изменения формы нанооболочки - пружины при увеличении давления (нагрузки) на верхнюю подвижную пластину, вертикальными фигурными стрелками показано изменение формы при разгрузке.Figure 3 shows the dependence of the gap between the plates (left) - a) and the shape of the nanoshell - spring (right) - b) from the voltage applied to the plates; at the same time, “Load” - increase in applied voltage, “Unloading” - decrease in applied voltage, I - state of a system with one corrugation, II - state of a system with two corrugations, III - state of a system with three corrugations (i - corrugation touches the plates at the top points , ii - corrugations with a tight fit region of the nanoshell - the spring to the plate), the dashed arrows on the left show the order of changing the shape of the nanoshell - the spring with increasing pressure (load) on the upper movable plate, vertical curly arrows show the shape change during unloading.
На Фиг.4 показаны рассчитанные зависимости величины зазора между пластинами от приложенного напряжения, расчеты выполнены для нанооболочки - пружины из полупроводникового материала InAs, толщиной 6 нм и деформации несоответствия параметров решетки, равной 2%, для длины подложки: а) 750 нм; б) 1000 нм; в) 1200 нм.Figure 4 shows the calculated dependences of the gap between the plates on the applied voltage, the calculations were performed for a nano-shell - a spring of InAs semiconductor material with a thickness of 6 nm and a strain of mismatch of the lattice parameters of 2% for the substrate length: a) 750 nm; b) 1000 nm; c) 1200 nm.
На Фиг.5 показаны рассчитанные зависимости пороговых значений вертикального давления, вызываемого электростатическим притяжением пластин от толщины нанооболочки - пружины, пороговые значения Iii соответствуют переходу от состояния с одним гофром к состоянию с двумя гофрами, а IIii соответствуют переходу от состояния с двумя гофрами к состоянию с четырьмя гофрами, расчет проведен для исходной полупроводниковой пленки InAs, толщиной 6 нм, деформации, равной 2%, и длины подложки: а) 750 нм; б) 1000 нм; в) 1200 нм.Figure 5 shows the calculated dependences of the threshold values of the vertical pressure caused by the electrostatic attraction of the plates on the thickness of the nanoshell - springs, the threshold values Iii correspond to the transition from the state with one corrugation to the state with two corrugations, and IIii correspond to the transition from the state with two corrugations four corrugations, the calculation was performed for the initial InAs semiconductor film with a thickness of 6 nm, a strain equal to 2%, and the length of the substrate: a) 750 nm; b) 1000 nm; c) 1200 nm.
На Фиг.6 представлена таблица величин пороговых значений вертикального давления, при которых происходит изменение формы нанооболочки - пружины.Figure 6 presents a table of values of threshold values of vertical pressure at which there is a change in the shape of the nanoshell - spring.
На Фиг.7 приведена схематическая иллюстрация работы торсионного электростатического двигателя с гофрированной нанооболочкой - пружиной: а) схематичное изображение исходной структуры с гофрированной нанооболочкой - пружиной, расположенной в зазоре между пластинами; б) схематичное изображение двигателя с подвижной верхней пластиной; в) вращение верхней пластины в результате изменения формы правой половины нанооболочки - пружины за счет электростатического притяжения (при притяжении правой части нанооболочки - пружины к нижней неподвижной пластине, верхняя подвижная пластина поворачивается вправо); г) при притяжении левой части нанооболочки - пружины верхняя подвижная пластина поворачивается влево; где 1 - неподвижная пластина (подложка), 2 - подвижная пластина, 3 - нанооболочка - пружина, 4 - жертвенный слой.Figure 7 shows a schematic illustration of the operation of a torsion electrostatic engine with a corrugated nanoshell - spring: a) a schematic representation of the initial structure with a corrugated nanoshell - a spring located in the gap between the plates; b) a schematic illustration of an engine with a movable top plate; c) rotation of the upper plate as a result of a change in the shape of the right half of the nano-shell - spring due to electrostatic attraction (when the right part of the nano-shell - the spring is attracted to the lower fixed plate, the upper movable plate turns to the right); d) when the left side of the nanoshell is attracted - the springs the upper movable plate rotates to the left; where 1 is a fixed plate (substrate), 2 is a movable plate, 3 is a nano-shell is a spring, 4 is a sacrificial layer.
На Фиг.8 показаны краевые гофрированные нанооболочки - пружины: а) форма краевой гофрированной оболочки Si0,6Ge0,4/Si (толщина, соответственно, 11 нм/8 нм), полученная с помощью атомно-силового микроскопа, период гофрировок 2,5 мкм, высота 120 нм; б) гофрировки на краях полосок SiGe пленки, толщиной 90 нм, период гофрировок 2 мкм; в) гофрировки на краю InGaAs/GaAs пленки, толщиной 70 нм; г) схематичное изображение упруго взаимодействующих краевых гофрированных нанооболочек - пружин; д) упруго взаимодействующие SiGe/Si гофрировки (ширина полосок 10 мкм, толщина пленки 50 нм).Figure 8 shows the edge corrugated nanoshells - springs: a) the shape of the edge corrugated shell Si 0.6 Ge 0.4 / Si (thickness, respectively, 11 nm / 8 nm) obtained using an atomic force microscope,
На Фиг.9 представлены краевые гофрированные нанооболочки - пружины с разным периодом и высотой гофров: а) схематичное изображение гофрировок, период которых возрастает по мере травления латерально вглубь жертвенного слоя; б) гофрировки, содержащие гофры с разным периодом и высотой, полученные на одной и той же SiGe пленке.Figure 9 presents the edge corrugated nano-shells - springs with different periods and the height of the corrugations: a) a schematic representation of the corrugations, the period of which increases as the etching laterally deep into the sacrificial layer; b) corrugations containing corrugations with different periods and heights obtained on the same SiGe film.
На Фиг.10 приведены куполообразные нанооболочки- пружины:Figure 10 shows the domed nano-shell springs:
а) схематичное изображение куполообразной нанооболочки - пружины, касающейся верхней подвижной пластины в одной точке; б) схематическое изображение прилегающей к подвижной пластине круговой области; в) экспериментальная фотография куполообразной нанооболочки - пружины SiGe толщиной 150 нм, касающейся в одной точке (размер квадрата 8 мкм × 8 мкм); г) экспериментальная фотография куполообразной нанооболочки - пружины Si в фазе формирования круговой области, прозрачной для света (хорошо видна сплюснутая вершина выпуклой куполообразной оболочки (размер квадрата 8 мкм × 8 мкм); д) InGaAs нанокупола (размер квадрата 100 нм × 100 нм); реальные изображения получены на атомно-силовом микроскопе.a) a schematic representation of a domed nano-shell - a spring touching the upper movable plate at one point; b) a schematic representation of a circular region adjacent to the movable plate; c) an experimental photograph of a dome-shaped nano-shell - SiGe spring with a thickness of 150 nm, touching at one point (
На Фиг.11 приведены электронно-микроскопические изображения экспериментальных структур, иллюстрирующих двукратное уменьшение периода гофрированной нанооболочки - пружины при ее сжатии в случае11 shows electron microscopic images of experimental structures illustrating a twofold decrease in the period of a corrugated nanoshell - spring when it is compressed in the case of
GaAs-200 hm/In0,35Ga0,65As-2 нм гофрировки на GaAs подложке: а) исходная структура с нанооболочкой - пружиной в зазоре между неподвижной пластиной (подложкой) и верхней прозрачной подвижной пластиной; б) та же структура, но после приложения смещения к прозрачной подвижной пластине и подложке, с периодом гофрировки, уменьшенным в 2 раза (хорошо видно, что количество гофров с максимальной высотой удвоилось, в то время как гофры у верхнего края с малой высотой остались неизменными, поскольку верхняя нагружаемая прозрачная пластина была параллельна подложке и не касалась мелких гофров).GaAs-200 hm / In 0.35 Ga 0.65 As-2 nm corrugation on a GaAs substrate: a) the initial structure with a nanoshell — a spring in the gap between the fixed plate (substrate) and the upper transparent movable plate; b) the same structure, but after applying bias to the transparent movable plate and the substrate, with a corrugation period reduced by 2 times (it can be clearly seen that the number of corrugations with a maximum height doubled, while the corrugations at the upper edge with a low height remained unchanged , since the upper loaded transparent plate was parallel to the substrate and did not touch small corrugations).
На Фиг.12 показаны структуры, предназначенные для изготовления электростатических микро-, нанодвигателей: слева схематичная иллюстрация, светлым обозначены жертвенные слои, справа - экспериментальные результаты (электронно-микроскопические изображения поперечных сечений структур), в верхней части приведена структура, на базе которой изготавливался двигатель с накладной верхней подвижной пластиной, в средней части показана структура с InGaAs нанооболочкой - пружиной, практически готовая для использования в качестве двигателя (необходимо только сделать подвижной часть верхней пластины), в нижней части приведен один из многочисленных, более сложных, вариантов структуры, в котором нанооболочка - пружина InGaAs получена также методом самоформирования.Figure 12 shows the structures intended for the manufacture of electrostatic micro-, nanomotors: on the left a schematic illustration, the sacrificial layers are light, the experimental results are shown on the right (electron microscopic images of the cross-sections of the structures), the upper part shows the structure on which the engine was made with an overhead top movable plate, in the middle part shows a structure with InGaAs nano-shell - spring, almost ready for use as an engine (necessary only make the movable part of the upper plate), the lower part shows one of the many, more complex, structural options in which the nano-shell - InGaAs spring is also obtained by self-formation.
На Фиг.13 приведены протяженные гофрированные нанооболочки - пружины: а) схематическое изображение; б), в), оптические и г), д) электронно-микроскопические экспериментальные фотографии, иллюстрирующие возможность масштабирования характерных размеров InGaAs нанооболочек - пружин от микрометров до нанометров.Figure 13 shows extended corrugated nano-shells - springs: a) a schematic representation; b), c) optical and d), e) electron microscopic experimental photographs illustrating the possibility of scaling the characteristic sizes of InGaAs nanoshells - springs from micrometers to nanometers.
На Фиг.14 представлено: а) гофрированная нанооболочка - пружина графена (одноатомного слоя углерода), изображение получено с помощью атомно-силового микроскопа; б) профиль поперечного сечения гофрированной оболочки графена (вдоль линии А, показанной в части а) данной фигуры).On Fig presents: a) corrugated nanoshell - the spring of graphene (monatomic carbon layer), the image was obtained using an atomic force microscope; b) a cross-sectional profile of the corrugated graphene shell (along line A shown in part a) of this figure).
На Фиг.15 схематически представлена нанооболочка - пружина в многослойном исполнении со сжатыми и растянутыми слоями: а) гофрировка из напряженной трехслойной пленки со сжатыми внешними слоями с толщиной периодически модулированной за счет внешних, сжатых, слоев; б) гофрировка, выполняющая одновременно функцию электрода, при отработке статического воздействия; где 1 - неподвижная пластина (подложка), 5 - сжатый внешний слой, 6 - растянутый внутренний слой.On Fig schematically presents a nano-shell - a spring in a multilayer design with compressed and stretched layers: a) corrugation of a strained three-layer film with compressed outer layers with a periodically modulated thickness due to the external, compressed layers; b) corrugation, which simultaneously performs the function of an electrode, when practicing static impact; where 1 is a fixed plate (substrate), 5 is a compressed outer layer, 6 is a stretched inner layer.
На Фиг.16 приведены фотографии реального микро-, нанодвигателя с закрепленной верхней подвижной пластиной посредством латеральных пружинок, с краевой гофрировкой, используемой в качестве нанооболочки - пружины: а) вид сверху; б) вид сбоку (сечение); в) массив краевых гофрировок - нанооболочек - пружин (верхняя подвижная пластина, функцию которой выполняет пленка GaAs, удалена); г) укрупненное изображение нанооболочки - пружины, выполненной в виде краевой гофрировки по периметру четырехугольника, ориентированной освобожденной от связи с подложкой частью внутрь.Figure 16 shows photographs of a real micro-, nanomotor with a fixed upper movable plate by means of lateral springs, with edge corrugation used as a nano-shell - spring: a) top view; b) side view (section); c) an array of edge corrugations - nanoshells - springs (the upper movable plate, the function of which is performed by a GaAs film, is removed); d) an enlarged image of a nano-shell - a spring, made in the form of edge corrugation along the perimeter of a quadrangle, oriented part inside out of communication with the substrate.
На Фиг.17 приведены вольт-фарадные характеристики, полученные при испытаниях лабораторных образцов двигателей, изготовленных на структурах с нооболочкой - пружиной In0,15Ga0,85As толщиной 20 им: а) вольт-фарадная характеристика двигателя, реализованного на краевых гофрировках по периметру четырехугольников, ориентированных освобожденной от связи с подложкой частью внутрь четырехугольника, при прямом и обратном ходе, характер изменения емкости при увеличении и уменьшении напряжения показан стрелками; б) вольт-фарадная характеристика двигателя, реализованного на краевых гофрировках, выполненных на противолежащих сторонах по периметру четырехугольника, ориентированных освобожденной от связи с подложкой частью внутрь четырехугольник; в) вольт-фарадные характеристики двигателя с грузом и без него на верхней подвижной пластине.On Fig shows the capacitance-voltage characteristics obtained by testing laboratory samples of engines made on structures with a no-shell - spring In 0.15 Ga 0.85 As 20 thickness them: a) the capacitance-voltage characteristic of the engine, implemented on the edge corrugations on the perimeter of the quadrangles oriented, freed from communication with the substrate, the part inside the quadrangle, with forward and reverse motion, the nature of the change in capacitance with increasing and decreasing voltage is shown by arrows; b) the capacitance-voltage characteristic of the engine, implemented on the edge corrugations made on opposite sides along the perimeter of the quadrangle, oriented part inside the quadrangle freed from communication with the substrate; c) the capacitance-voltage characteristics of the engine with and without load on the upper movable plate.
Достижение технического результата базируется на использовании уникальных высокоточных нанооболочек - пружин (оболочек нанометровой толщины), которые помещают в микро-, нанозазор между пластинами электростатического двигателя, выполняющими функцию обкладок конденсатора с варьируемой величиной зазора. Нанооболочки - пружины изготавливают из напряженных твердотельных пленок, которые при локальных отсоединениях от подложки (пластины) (см. Фиг.1) трансформируются в нанооболочки заданной формы: в виде гофрировок, полусфер и других форм (см. Фиг.1-3, Фиг.7-16). Основным фактором для достижения технического результата является то, что данные нанооболочки - пружины расположены между пластинами электростатического двигателя и способны менять свою форму и, соответственно, увеличивать коэффициент упругости, по мере сближения пластин. Расположение упругих нанооболочек - пружин между пластинами электростатического двигателя в сочетании с возможностью высокоточного задания микро- или нанозазора между пластинами, возможностью широкого выбора материалов для ее изготовления, возможностью высокоточного задания толщины нанооблочки - пружины, ее атомарной гладкости, и увеличения жесткости нанооболочки - пружины по мере сближения пластин при приложении электростатического воздействия, в сумме, позволяют достичь расширения функциональных возможностей и областей применения; увеличения диапазона перемещений; прецизионности перемещения; увеличения мощности двигателей.The achievement of the technical result is based on the use of unique high-precision nanoshells - springs (shells of nanometer thickness), which are placed in a micro-, nanogap between the plates of an electrostatic motor that perform the function of capacitor plates with a variable gap size. Nano-shells - springs are made of strained solid-state films, which, upon local disconnection from the substrate (plate) (see Figure 1), are transformed into nano-shells of a given shape: in the form of corrugations, hemispheres, and other shapes (see Figure 1-3, FIG. 7-16). The main factor for achieving a technical result is that these nano-shells - springs are located between the plates of the electrostatic motor and are able to change their shape and, accordingly, increase the coefficient of elasticity as the plates approach each other. The location of elastic nanoshells - springs between the plates of the electrostatic engine in combination with the possibility of high-precision setting of micro- or nanogap between the plates, the possibility of a wide selection of materials for its manufacture, the possibility of high-precision setting of the thickness of the nanoshell - the spring, its atomic smoothness, and the increase in the rigidity of the nanoshell - the spring as the proximity of the plates during the application of electrostatic effects, in total, can achieve the expansion of functionality and areas of application and I; increase the range of movements; precision movement; increase engine power.
При формировании нанооболочки - пружины из механически напряженного (сжатого) слоя локальным отсоединением от неподвижной пластины (подложки) в зависимости от площади и геометрической конфигурации отсоединяемой области механическинапряженной пленки (пленочного элемента), она преобразуется в оболочку той или иной формы.When forming a nano-shell - a spring from a mechanically stressed (compressed) layer by local disconnection from a fixed plate (substrate), depending on the area and geometric configuration of the detachable region of a mechanically strained film (film element), it is transformed into a shell of one form or another.
Простейшей, с точки зрения формирования, нанооболочкой - пружиной является протяженная гофрировка (см. Фиг.1, Фиг.2). Протяженную гофрировку получают в результате отсоединения средней части пленочного элемента, выполненного в виде полосы, при котором участки концов полосы остаются связанными с подложкой, за счет чего осуществляется фиксация нанооболочки - пружины (см. Фиг.1). В наиболее простом случае нанооболочка - пружина содержит всего один напряженно сжатый слой. Напряженно сжатый слой может быть сформирован методом эпитаксии из материала, имеющего постоянную кристаллической решетки большую, чем у материала неподвижной пластины (подложки) (см. Фиг.1а)). На пластине (или подложке) эпитаксиально выращивают гетеропленку из последовательности жертвенный слой, механически сжатый слой, являющийся после освобождения от связи с подложкой функциональным элементом нанооболочки - пружины (см. Фиг.1б)), соблюдая условия псевдоморфного роста, при котором каждый последовательно выращенный слой наследует постоянную кристаллической решетки пластины (подложки). В ходе последующего направленного бокового травления жертвенного слоя, на котором расположен выполненный пленочный элемент в виде полосы напряженно сжатого слоя, происходит отделение его средней части от пластины (или подложки) (см. Фиг.1 в)). Так как межатомные силы в сжатом слое стремятся увеличить расстояние между атомами, то линейные размеры пленки увеличиваются, что приводит к изгибу, выпучиванию пленки, и формированию гофрировки. Таким образом, в результате действия внутренних (встроенных в слой) упругих сил деформаций, слой приобретает выпученную форму (гофр), соответствующую минимальной энергии внутренних напряжений. Противоположные концы нанооболочки - пружины зафиксированы на неподвижной пластине (подложке) (см. Фиг.1в)), так как при латеральном травлении жертвенный слой успевает раствориться только в средней части.The simplest, from the point of view of formation, nano-shell - spring is an extended corrugation (see Figure 1, Figure 2). Long corrugation is obtained by disconnecting the middle part of the film element made in the form of a strip, in which portions of the ends of the strip remain connected to the substrate, due to which the nano-shell - spring is fixed (see Figure 1). In the simplest case, the nanoshell - the spring contains only one stressfully compressed layer. The stressfully compressed layer can be formed by epitaxy from a material having a crystal lattice constant greater than that of the material of the fixed plate (substrate) (see Fig. 1a)). A heterofilm is grown epitaxially on a plate (or substrate) from the sequence of the sacrificial layer, a mechanically compressed layer that, after being released from the bond with the substrate, is a functional element of the nanoshell - spring (see Fig. 1b)), observing the conditions of pseudomorphic growth under which each layer is successively grown inherits the lattice constant of the plate (substrate). During the subsequent directional side etching of the sacrificial layer, on which the made film element is located in the form of a strip of a tightly compressed layer, its middle part is separated from the plate (or substrate) (see Fig. 1 c). Since the interatomic forces in the compressed layer tend to increase the distance between the atoms, the linear dimensions of the film increase, which leads to bending, buckling of the film, and the formation of corrugation. Thus, as a result of the action of the internal (embedded in the layer) elastic deformation forces, the layer acquires a convex shape (corrugation) corresponding to the minimum energy of internal stresses. The opposite ends of the nanoshell - the springs are fixed on a fixed plate (substrate) (see Fig.1c)), since during the lateral etching the sacrificial layer has time to dissolve only in the middle part.
Выше было сказано, что нанооболочки - пружины могут быть той или иной формы. При отсоединении от пластины (подложки) локальных участков пленочного элемента, например, выполненного в виде круга или квадрата, отсоединяемая сжатая пленка в этой области расширяется и выпучивается, образуя нанооболочку - пружину в виде, например, гофрировки с более чем одной складкой (гофром), краевые гофрировки, полусферы или купола, края которых остаются зафиксированными (см. Фиг.7-13).It was said above that nano-shells - springs can be of one form or another. When local areas of the film element are detached from the plate (substrate), for example, made in the form of a circle or a square, the detachable compressed film in this area expands and bulges, forming a nanoshell - a spring in the form, for example, of corrugation with more than one fold (corrugation), edge corrugations, hemispheres or domes, the edges of which remain fixed (see Fig.7-13).
Важно подчеркнуть, что еще на этапе выращивания многослойной гетероструктуры (см. Фиг.1а)) можно с высокой точностью задавать исходное расстояние между пластинами, высоту и период гофрировки микро-, нанодвигателя. Толщину нанооболочки - пружины (или гофрировки) можно задавать в интервале от единиц нанометра до микрометра, в соответствии с расстоянием между пластинами. Деформация сжатия задается несоответствием параметров решетки подложки (пластины) и выращиваемого сжатого слоя. Для тонких пленок деформация может достигать гигантской величины в 7-5%.It is important to emphasize that even at the stage of growing a multilayer heterostructure (see Fig. 1a)), the initial distance between the plates, the height and the corrugation period of the micro-, nanomotor can be set with high accuracy. The thickness of the nano-shell - the spring (or corrugation) can be set in the range from nanometer to micrometer, in accordance with the distance between the plates. Compression strain is set by the mismatch of the lattice parameters of the substrate (plate) and the grown compressed layer. For thin films, the deformation can reach a gigantic value of 7-5%.
Ранее проблема создания электростатического микро-, нанодвигателя и проблема нанооболочки - пружины не рассматривались. Методом самоформирования изготавливали структуры для квантовых приборов. Суть нашего подхода заключается в применении: а) жертвенного слоя; б) направленного травления и селективного удаления жертвенного слоя; в) формирования и использования упругонапряженного слоя за счет несоответствия постоянных решеток материала гетеропленки и подложки; г) формирования области отсоединяемой напряженной пленки или задания геометрии отсоединяемого пленочного элемента. Приведенные ниже экспериментальные структуры выращены и сформированы нами впервые. Процесс выпучивания напряженных пленок в макромире известен и описывается теорией упругости. Однако в наномире, в котором электростатические силы становятся гигантскими, никто ранее не занимался проблемой формирования нанооболочек - пружин и их помещения в микро-, нанозазор между пластинами. Нами впервые продемонстрировано формирование такого класса структур. Следует подчеркнуть, что из уровня техники не известны какие-либо другие способы помещения нанооболочки - пружины в микро-, нанозазор между пластинами электростатического двигателя.Previously, the problem of creating an electrostatic micro-, nanomotor and the problem of nano-shells - springs were not considered. Structures for quantum devices were made by the method of self-formation. The essence of our approach is to apply: a) the sacrificial layer; b) directional etching and selective removal of the sacrificial layer; c) the formation and use of an elastically stressed layer due to a mismatch between the constant lattices of the heterofilm material and the substrate; d) forming the region of the detachable stress film or specifying the geometry of the detachable film element. The following experimental structures are grown and formed by us for the first time. The process of buckling of stressed films in the macrocosm is known and is described by the theory of elasticity. However, in the nanoworld, in which the electrostatic forces become gigantic, no one has previously dealt with the problem of the formation of nanoshells - springs and their placement in the micro-, nanogap between the plates. We first demonstrated the formation of this class of structures. It should be emphasized that the prior art does not know any other methods of placing a nano-shell - springs in a micro-, nano-gap between the plates of an electrostatic engine.
Отметим, что ключевыми моментами в реализации электростатического микро-, нанодвигателя являются: во-первых, процесс формирования нанооболочки - пружины при отсоединении от подложки пленочного элемента напряженно сжатой пленки носит характер самоформирования; во-вторых, нанооболочка - пружина автоматически размещается в зазоре между пластинами двигателя.Note that the key points in the implementation of an electrostatic micro-, nanomotor are: firstly, the process of forming a nanoshell - a spring when a stressed-compressed film is disconnected from the substrate of a film element is self-forming; secondly, a nano-shell - the spring is automatically placed in the gap between the engine plates.
Итак, предлагаемые конструкции микро-, нанодвигателей базируются на самоформирующихся и самособирающихся прецизионных упругих твердотельных нанооболочках -пружинах, причем автоматически размещаемых в микро-, нанозазоре между пластинами, обладающих способностью при приложении внешнего воздействия изменять свою форму и, соответственно, изменять свой коэффициент упругости.So, the proposed designs of micro-, nanomotors are based on self-forming and self-assembled precision elastic solid-state nanoshells-springs, moreover, they are automatically placed in micro-, nanogap between plates, which are capable of changing their shape and, accordingly, changing their coefficient of elasticity upon application of external influence.
Нанооболочку - пружину с зафиксированными концами или краями следует рассматривать как упругую пружину, которая по мере увеличения деформации сдавливающим усилием преобразуется в более жесткую нанооболочку - пружину, с меньшими характерными периодами и размерами. Таким образом, при подаче от источника питания разности потенциалов, вызывающей движение пластины, нанооболочка - пружина за счет внутренних упругих механических напряжений способна изменять форму и действовать подобно пружине, с возрастающим коэффициентом упругости, препятствуя сближению пластин,Nano-shell - a spring with fixed ends or edges should be considered as an elastic spring, which, as the deformation increases with compressive force, is transformed into a more rigid nano-shell - a spring, with smaller characteristic periods and sizes. Thus, when a potential difference is caused from the power source that causes the plate to move, the nanoshell - spring due to internal elastic mechanical stresses can change shape and act like a spring with an increasing coefficient of elasticity, preventing the plates from coming together,
Авторазмещение в микро-, нанозазоре между пластинами нанооболочки - пружины предотвращает явление слипания пластин (электродов), устраняет причины, препятствующие достижению технического результата в вышеописанных известных технических решениях.Auto-displacement in the micro-, nano-gap between the plates of the nanoshell - the spring prevents the adhesion of the plates (electrodes), eliminates the reasons that impede the achievement of the technical result in the above-described known technical solutions.
Рассмотрим детально физическую сторону достижения технического результата.Consider in detail the physical side of achieving a technical result.
Пусть между плоскопараллельными пластинами (1) и (2) электростатического микро-, нанодвигателя размещена нанооболочка - пружина (3), содержащая механически напряженные слои, выполненная в виде гофрировки наиболее простой формы, то есть в виде одной волнистой складки, или гофра (см. Фиг.2). Противоположные концы полученной вышеописанным методом нанооболочки - пружины (3) зафиксированы на неподвижной пластине (1) (подложке). Нанооболочка - пружина (3) касается верхушкой единственного гофра подвижной пластины (2). Длина нанооболочки - пружины (3) больше длины пластины (1) (подложки) (расстояние между зафиксированными концами нанооболочки - пружины (3) - l (см. Фиг.2б))). В средней части исходная пленка, отделенная от пластины (1) (подложки), выпучивается и приобретает форму гофра.Let between the plane-parallel plates (1) and (2) of the electrostatic micro-, nanomotor there is a nanoshell - a spring (3) containing mechanically stressed layers, made in the form of a corrugation of the simplest form, that is, in the form of one wavy fold, or corrugation (see Figure 2). Opposite ends of the nano-shell obtained by the above-described method - springs (3) are fixed on a fixed plate (1) (substrate). Nano-shell - spring (3) touches the top of a single corrugation of the movable plate (2). The length of the nano-shell - spring (3) is greater than the length of the plate (1) (substrate) (the distance between the fixed ends of the nano-shell - spring (3) - l (see Fig.2b)). In the middle part, the initial film, separated from the plate (1) (substrate), bulges and takes the form of a corrugation.
На Фиг.2 а) показано состояние микро-, нанодвигателя, при котором деформация в результате действия электростатических сил (изменение формы) нанооболочки - пружины (3) отсутствует, давление на подвижную пластину (2) не оказывается. Изменяя величину давящего усилия со стороны подвижной пластины (2), смещаемой в направлении нормали неподвижной пластины (1), можно управлять высотой h, формой и количеством гофров.Figure 2 a) shows the state of the micro-, nanomotor, in which there is no deformation due to the action of electrostatic forces (shape change) of the nanoshell - spring (3), and no pressure is applied to the movable plate (2). By changing the magnitude of the pressing force from the side of the movable plate (2), displaced in the normal direction of the fixed plate (1), you can control the height h, the shape and number of corrugations.
При подаче разности потенциалов от источника питания к пластинам (1) и (2) под действием силы притяжения, вызывающей движение пластины (2) по направлению к неподвижной пластине (1), или приложении механического давления Р возникает деформация (изменение первоначальной формы) нанооболочки - пружины (3) (см. Фиг.2б)). Если в исходном положении (см. Фиг.2а)) имелось касание только самых верхних точек единственного гофра нанооболочки - пружины (3) к подвижной пластине (2), а вотношении неподвижной пластины (1) - только в точках концов, то по мере уменьшения зазора (Фиг.2, Фиг.3) между пластинами (1) и (2) под действием электростатической силы или приложением механического давления к подвижной пластине (2), относительно нанооболочки - пружины (3) возникает давящее усилие и площадь соприкосновения нанооболочки - пружины (3) с пластиной (2) увеличивается. По мере увеличения напряжения, прикладываемого к пластинам (1) и (2), площадь соприкосновения l2 (см. Фиг.2 б)) нанооболочки - пружины (3) с пластиной (2) увеличивается, увеличиваются также и механические напряжения сжатия в нанооболочке - пружине (3), вызывающие изменение ее формы, также растет сила F, действующая в местах крепления нанооболочки - пружины (3) к неподвижной пластине (1) (подложке). При образовании достаточно протяженной в направлении к закрепленным концам прилегающей части нанооболочки - пружины (3), в области прилегания может произойти потеря устойчивости. Когда величина механического напряжения сжатия в областях соприкосновения достигает пороговой величины, плоская, соприкасающаяся с пластиной (2) часть нанооболочки - пружины (3) становится неустойчивой, она резко прогибается по направлению к пластине (1). В результате чего из одного гофра (волнистой складки) формируется два гофра (см. Фиг.3, правая часть б), (II.i)).When applying the potential difference from the power source to the plates (1) and (2) under the action of an attractive force causing the plate (2) to move towards the fixed plate (1), or applying mechanical pressure P, deformation (change in the initial shape) of the nanoshell springs (3) (see Fig.2b)). If in the initial position (see Fig. 2a)) there was a contact only of the highest points of the only corrugation of the nanoshell - the spring (3) to the movable plate (2), and the ratio of the fixed plate (1) - only at the points of the ends, then with decreasing the gap (Figure 2, Figure 3) between the plates (1) and (2) under the action of electrostatic force or the application of mechanical pressure to the movable plate (2), relative to the nanoshell - spring (3) there is a pressing force and the contact area of the nanoshell - spring (3) with plate (2) increases. As the voltage applied to the plates (1) and (2) increases, the contact area l 2 (see Fig. 2 b)) of the nanoshell - springs (3) with the plate (2) increases, and the mechanical compression stresses in the nanoshell also increase - the spring (3), causing a change in its shape, also increases the force F acting in the places of attachment of the nanoshell - spring (3) to the fixed plate (1) (substrate). During the formation of a spring (3), which is sufficiently long in the direction of the fixed ends of the adjacent part of the nanoshell, a loss of stability may occur in the area of contact. When the value of the mechanical compression stress in the contact areas reaches the threshold value, the flat part of the nanoshell - spring (3) in contact with the plate (2) becomes unstable, it flexes sharply towards the plate (1). As a result, two corrugations are formed from one corrugation (wavy fold) (see Figure 3, right part b), (II.i)).
Нанооболочка - пружина (3) изменяет свою первоначальную форму скачкообразно, принимая форму, соответствующую устойчивому состоянию. Скачкообразно, то есть в режиме переключения, изменяется и количество гофров при деформации нанооболочки - пружины (3). После переключения каждый из сформированных гофров находится в одинаковых условиях.Nano-shell - spring (3) changes its initial shape in steps, taking the form corresponding to a steady state. Suddenly, that is, in the switching mode, the number of corrugations also changes during the deformation of the nanoshell - springs (3). After switching, each of the formed corrugations is in the same conditions.
Пластины (1) и (2), между которыми размещена нанооболочка - пружина (3), выполненная в рассматриваемом случае непроводящей, являются обкладками плоского воздушного конденсатора. Величина вертикального давления Р определяется величиной электрического напряжения на конденсаторе V. Зависимость Р от V можно представить в виде:The plates (1) and (2), between which the nano-shell is placed - the spring (3), made non-conductive in this case, are the plates of a flat air condenser. The magnitude of the vertical pressure P is determined by the magnitude of the electrical voltage across the capacitor V. The dependence of P on V can be represented as:
где S-площадь пластин;where S is the area of the plates;
[Ф/м]-диэлектрическая постоянная; [F / m] - dielectric constant;
h - расстояние между пластинами конденсатора, а также и высота гофров.h is the distance between the plates of the capacitor, as well as the height of the corrugations.
Таким образом, изменяя напряжение на конденсаторе (или пластинах (1) и (2)) и, следовательно, величину вертикального давления, можно управлять через расстояние между пластинами h формой и количеством гофров нанооболочки - пружины (3), расположенной между пластинами конденсатора. Характерный график зависимости величины зазора от величины приложенного к пластинам (1) и (2) напряжения приведен на Фиг.3. Увеличение напряжения приводит к нелинейному уменьшению зазора и высоты гофров, чем больше напряжение, тем меньше изменяется величина зазора и высота гофров и, следовательно, форма нанооболочки - пружины (3), что свидетельствует об увеличении ее жесткости. Последнее означает, что чем значительнее будет сближение пластин, тем большее сопротивление будет оказывать нанооболочка - пружина, препятствуя сближению.Thus, by changing the voltage across the capacitor (or plates (1) and (2)) and, consequently, the magnitude of the vertical pressure, it is possible to control through the distance between the plates the h shape and the number of corrugations of the nanoshell - the spring (3) located between the plates of the capacitor. A typical graph of the dependence of the gap on the value applied to the plates (1) and (2) voltage is shown in Fig.3. An increase in voltage leads to a nonlinear decrease in the gap and height of the corrugations, the greater the voltage, the less the size of the gap and the height of the corrugations and, consequently, the shape of the nanoshell - spring (3) change, which indicates an increase in its rigidity. The latter means that the greater the rapprochement of the plates, the greater the resistance will be provided by the nano-shell - the spring, preventing the rapprochement.
Расстояние между пластинами (1) и (2) уменьшается практически до нуля. Наноболочка - пружина (3) выполняет функцию пружины с изменяющимся коэффициентом упругости, величина которого возрастает по мере уменьшения расстояния между пластинами (1) и (2). Исходная величина коэффициента упругости задается с высокой точностью, например, при эпитаксии посредством выбора материалов механически напряженных слоев нанооболочки - пружины (3) и их толщин. Это означает, что реализуется возможность прецизионного, с субангстремной точностью, изменения расстояния между пластинами (1) и (2).The distance between the plates (1) and (2) is reduced to almost zero. The nanoshell - spring (3) performs the function of a spring with a changing coefficient of elasticity, the value of which increases with decreasing distance between the plates (1) and (2). The initial value of the coefficient of elasticity is set with high accuracy, for example, during epitaxy by selecting materials of mechanically stressed layers of the nanoshell - springs (3) and their thicknesses. This means that the possibility of precision, with sub-angstrom accuracy, changes in the distance between the plates (1) and (2) is realized.
При дальнейшем сближении пластин (1) и (2), давящее усилие на нанооболочку - пружину (3) увеличивается. Считая, что каждый сформированный гофр представляет собой самостоятельную нанооболочку - пружину (квазиоболочку - пружину), подобную исходной нанооболочке - пружине (3) (см. Фиг.3, правая часть б) (I.i)), вышеописанный процесс повторяется для каждого сформированного гофра (см. Фиг.3). Таким образом, если деформированная в результате действия электростатических сил притяжения пластин нанооболочка - пружина (3) вначале касается подвижной пластины (2) самыми верхними точками обеих гофров в двух местах (II.i), то при дальнейшем увеличении давящего усилия до достижения следующего порогового значения происходит формирование области плотного прилегания нанооболочки - пружины (3) в отношении каждого из сформированных гофров (см. Фиг.3, правая часть б) (II.ii)), и при достижении следующего порогового значения давящего усилия количество гофров снова скачкообразно увеличивается в два раза. Далее, по мере сближения пластин (1) и (2) и увеличения давящего усилия на нанооболочку - пружину (3), весь процесс повторится сначала (см. Фиг.3, правая часть б) (III.i) и (III.ii)). Сплошные стрелки (см. Фиг.3 правая часть б)) показывают направление изменения формы гофрировки (нанооболочки - пружины (3)) при переходе от точечного касания гофрировки и подвижной пластины (2) в вершинах гофров к образованию области плотного прилегания; пунктирные стрелкипоказывают направление изменения формы гофрировки при скачкообразном увеличении количества гофров.With further convergence of the plates (1) and (2), the pressing force on the nanoshell - the spring (3) increases. Considering that each formed corrugation is an independent nano-shell - spring (quasi-shell - spring), similar to the original nano-shell - spring (3) (see Figure 3, right-hand side b) (Ii)), the above process is repeated for each formed corrugation ( see Figure 3). Thus, if a nano-shell - spring (3) deformed as a result of the action of electrostatic forces of attraction of the plates, first touches the moving plate (2) with the highest points of both corrugations in two places (II.i), then with a further increase in the pressure force until the next threshold value is reached there is a formation of the area of tight fit of the nanoshell - the spring (3) in relation to each of the formed corrugations (see Figure 3, the right part b) (II.ii)), and upon reaching the next threshold value of the pressing force of quantities corrugations again abruptly doubled. Further, as the plates (1) and (2) come closer and the pressure exerts on the nanoshell - spring (3) increases, the whole process will be repeated first (see Figure 3, right-hand side b) (III.i) and (III.ii )). The solid arrows (see Figure 3, right-hand side b)) show the direction of the change in the shape of the corrugation (nanoshells - springs (3)) during the transition from the point of contact of the corrugation and the movable plate (2) at the tops of the corrugations to the formation of a tight fit region; the dashed arrows indicate the direction of the change in the shape of the corrugation with an abrupt increase in the number of corrugations.
При разгрузке, то есть уменьшении величины давящего усилия и обратном ходе (удалении пластин (1) и (2) друг от друга), области плотного прилегания постепенно уменьшаясь, будут переходить в состояния точечных соприкосновений верхних точек гофров с подвижной пластиной (2) при тех же пороговых значениях давящего усилия и сжимающей силы в результате притяжения пластин (1) и (2), при которых формировались области плотного прилегания при прямом ходе (сближении пластин (1) и (2) друг к другу). Скачок (или переключение) в сторону уменьшения количества гофров происходит при условии, если величина давящего усилия и сжимающей силы в результате притяжения пластин (1) и (2) меньше минимально необходимой величины для обеспечения условия существования отдельно взятого гофра на каждом отдельно взятом участке нанооболочки - пружины (3), представляющем собой отдельно взятую квазиоболочку - пружину. При разгрузке каждое следующее переключение уменьшает количество гофров в два раза. На Фиг.3 процесс разгрузки, происходящий в обратном порядке, показан в направлении, указанном вертикальными фигурными стрелками.During unloading, i.e., a decrease in the pressure force and the reverse stroke (removal of the plates (1) and (2) from each other), the areas of tight fit gradually decreasing will go into the state of point contact of the upper points of the corrugations with the movable plate (2) at those the threshold values of the pressing force and compressive force as a result of the attraction of the plates (1) and (2), at which areas of tight fit were formed during the forward stroke (the plates (1) and (2) approach each other). A jump (or switching) in the direction of decreasing the number of corrugations occurs if the magnitude of the pressing force and compressive force as a result of the attraction of the plates (1) and (2) is less than the minimum necessary value to ensure the existence of a single corrugation in each individual section of the nanoshell - springs (3), which is a single quasi-shell - a spring. When unloading, each subsequent switching reduces the number of corrugations by half. In Fig. 3, the unloading process in the reverse order is shown in the direction indicated by the vertical curly arrows.
Рассмотрим влияние длины подложки (нанооболочки - пружины). На Фиг.4 приведены рассчитанные зависимости величины зазора от приложенного напряжения для нанооболочки - пружины из полупроводникового материала InAs, исходный слой которого толщиной 6 нм был выращен на InP подложке (пластине) (см. Фиг.1) Для определенности деформация сжатия в слое задана равной 2%. Графики построены для разных длин подложки, на которой закреплена нанооболочка - пружина: а) 750 нм, б) 1000 нм, в) 1200 нм. Разная длина подложки соответствует разной длине нанооболочки - пружины. Видно, что длина влияет на величину зазора (высоту гофров), исходного и формируемых при деформации нанооболочки - пружины под влиянием электростатического воздействия. Необходимо отметить, что на наклонных участках имеет место практически линейное изменение расстояния между пластинами от напряжения. Это говорит о возможности задавать с высокой точностью величину смещения верхней, подвижной пластины, на протяжении всей фазы формирования области плотного прилегания к ней нанооболочки - пружины, до наступления момента переключения.Consider the influence of the length of the substrate (nano-shells - springs). Figure 4 shows the calculated dependences of the gap on the applied stress for a nano-shell - a spring made of InAs semiconductor material, the initial layer of which 6 nm thick was grown on an InP substrate (plate) (see Figure 1) For definiteness, the compression strain in the layer was set equal to 2% The graphs are plotted for different lengths of the substrate on which the nano-shell is fixed - spring: a) 750 nm, b) 1000 nm, c) 1200 nm. Different lengths of the substrate correspond to different lengths of the nanoshell - springs. It can be seen that the length affects the size of the gap (the height of the corrugations), the initial and formed during deformation of the nanoshell - spring under the influence of electrostatic effects. It should be noted that on inclined sections there is an almost linear change in the distance between the plates from the voltage. This suggests that it is possible to set with high accuracy the displacement of the upper, movable plate, throughout the entire phase of the formation of the area of tight adherence to it of the nanoshell - spring, until the moment of switching.
Также из графиков хорошо видно, что в зависимости от длины подложки изменяется не только высота гофров, но и пороговые значения напряжений, необходимые для изменения формы гофров и их числа (напряжения переключения или скачка).It is also clearly seen from the graphs that, depending on the length of the substrate, not only the height of the corrugations changes, but also the threshold stresses necessary to change the shape of the corrugations and their number (switching voltage or jump).
Более того, возьмем для примера нанооболочки - пружины толщиной 10 нм, 16 нм и 20 нм (см. Фиг.6, таблица) и рассмотрим для них значения пороговых сил вертикальногодавления (или пороговых напряжений). Из таблицы видно, что при фиксированной толщине увеличение длины приводит к уменьшению пороговых значений. Так, для толщины нанооболочки - пружины 10 нм при длине 750 нм пороговое значение составляет 689 кг/см2, при длине 1000 нм - 291 кг/см2, при длине 1200 нм - 168 кг/см2. Аналогичное наблюдается и для толщин 16 нм и 20 нм. Рассмотренные особенности обусловлены ничем иным, как уменьшением жесткости нанооболочки - пружины с увеличением ее длины.Moreover, we take for example nano-shells - springs with a thickness of 10 nm, 16 nm and 20 nm (see Fig. 6, table) and consider the values of threshold vertical pressure forces (or threshold stresses) for them. The table shows that with a fixed thickness, an increase in length leads to a decrease in threshold values. So, for the thickness of the nanoshell -
Таким образом, расчетные данные (см. Фиг.4) показывают: а) пороговый характер перехода от состояния с одним гофром к состоянию с двумя гофрами и наоборот; б) наличие в поведении системы промежутков, характеризующихся линейным изменением расстояния между пластинами при измении напряжения; в) наличие в поведении системы промежутков, характеризующихся накоплением упругой энергии при неизменном расстоянии между пластинами (как в случае нагрузки, так и в случае разгрузки).Thus, the calculated data (see Figure 4) show: a) the threshold nature of the transition from a state with one corrugation to a state with two corrugations and vice versa; b) the presence in the behavior of the system of gaps, characterized by a linear change in the distance between the plates with a change in voltage; c) the presence in the behavior of the system of gaps characterized by the accumulation of elastic energy at a constant distance between the plates (both in the case of loading and in the case of unloading).
Указанные особенности могут быть использованы при разработке устройств, предназначенных для нанохирургии, тем более что предлагаемые микро-, нанодвигатели относятся к классу мощных, развивающих большие усилия.These features can be used in the development of devices designed for nanosurgery, especially since the proposed micro-, nanomotors belong to the class of powerful, developing great efforts.
Влияние на жесткость нанооболочки - пружины оказывает не только длина подложки, но и толщина нанооболочки - пружины (см. Фиг.6, таблица). Причем роль толщины в увеличении жесткости и роль длины подложки соразмерны. Это хорошо видно из таблицы, в которой величина силы вертикального давления, при увеличении толщины нанооболочки - пружины в 1,6 раза, изменяется примерно в 4 раза. Изменение, в 4 раза, в сторону уменьшения, величины силы вертикального давления происходит при увеличении длины подложки с 750 до 1200 нм (также в 1,6 раз). Это обуславливает возможность манипулирования свойствами устройства (такими как жесткость, пороговые значения переходов, прецизионность смещений и другими).The effect on the rigidity of the nano-shell - spring is provided not only by the length of the substrate, but also by the thickness of the nano-shell - spring (see Fig. 6, table). Moreover, the role of thickness in increasing stiffness and the role of the length of the substrate are proportional. This is clearly seen from the table in which the magnitude of the vertical pressure force, with an increase in the thickness of the nanoshell - spring 1.6 times, changes about 4 times. A change, by 4 times, in the direction of decreasing, the magnitude of the vertical pressure force occurs with an increase in the length of the substrate from 750 to 1200 nm (also 1.6 times). This makes it possible to manipulate the properties of the device (such as stiffness, threshold transitions, precision offsets, and others).
Результаты исследования влияния толщины нанооболочки - пружины приведены на Фиг.5 в виде графиков рассчитанных зависимостей пороговых значений силы вертикального давления, вызываемого электростатическим притяжением пластин, от толщины нанооболочки - пружины. Для получения целостной картины расчет выполнен для той же пленки InAs с деформацией 2%, хотя очевидно, что невозможно вырастить псевдоморфные InP пленки большой толщины (более 10 нм).The results of a study of the effect of the thickness of the nano-shell - spring are shown in Fig. 5 in the form of graphs of the calculated dependences of the threshold values of the vertical pressure force caused by the electrostatic attraction of the plates on the thickness of the nano-shell - spring. To obtain a complete picture, the calculation was performed for the same InAs film with a strain of 2%, although it is obvious that it is impossible to grow pseudomorphic InP films of large thickness (more than 10 nm).
Пунктирные кривые соответствуют пороговым значениям при переходе: касание в одной точке - образование области плотного прилегания (I.i, II.i) (см. Фиг.5). Сплошные кривые отображают условие, при котором происходит переключение с увеличением числа гофров (I.ii, II.ii) (см. Фиг.5). На графиках хорошо видно, что пороговые силы давления,характерные для указанных областей прилегания, и отличаются в разы, и с ростом толщины этот разрыв растет очень быстро. Так, например, при изменении толщины пленки от 10 до 20 нм пороговые величины давлений возрастают почти в 10 раз (см. Фиг.6, таблица).The dashed curves correspond to threshold values during the transition: touching at one point is the formation of a tight fit region (I.i, II.i) (see Figure 5). The solid curves represent the condition under which switching occurs with an increase in the number of corrugations (I.ii, II.ii) (see Figure 5). The graphs clearly show that the threshold pressure forces characteristic of the indicated areas of contact differ by several times, and this gap increases very rapidly with increasing thickness. So, for example, when the film thickness changes from 10 to 20 nm, the threshold pressure values increase by almost 10 times (see Fig. 6, table).
Важным, с точки зрения практических применений, является то, что можно задавать требуемый диапазон мощности (силы) микро-, нанодвигателя в шкале от нескольких десятков килограмм до нескольких тонн на квадратный сантиметр, задавая толщину гофрировки или длину подложки. Для случая последовательно соединенных микро-, нанодвигателей это открывает возможность управления силой двигателя и точностью перемещений.Important from the point of view of practical applications, it is possible to set the required range of power (force) of a micro-, nanomotor on a scale from several tens of kilograms to several tons per square centimeter, setting the corrugation thickness or the length of the substrate. For the case of series-connected micro-, nanomotors, this opens up the possibility of controlling the strength of the engine and the accuracy of movements.
Представленные зависимости получены для большой площади (см2). Поскольку, важнейшие области применения предлагаемых двигателей связаны с микро- и нанохирургией, микро- и нанороботами, то имеет смысл пересчитать данные давления на микро- и наноплощади. Так, например, двигатель размером 1 мкм, как и следует из Фиг.5, может развить усилия почти в 1 г, работая в режиме II, при переходе в режим III (см. Фиг.3), усилия возрастают в 4 раза. Это гигантские усилия в микро- и наномире.The presented dependences were obtained for a large area (cm 2 ). Since the most important areas of application of the proposed engines are related to micro- and nanosurgery, micro- and nanorobots, it makes sense to recalculate the pressure data on micro- and nanoscale areas. So, for example, an engine with a size of 1 μm, as follows from Figure 5, can develop forces of almost 1 g, working in mode II, when switching to mode III (see Figure 3), the forces increase by 4 times. This is a giant effort in the micro and nanoworld.
Таким образом, в отличие от известных технических решений предлагаемому двигателю свойственны способности: развивать гигантские усилия (порядка 10 т/см2) при переходе в нанометровый диапазон; работать с высокой точностью с малыми величинами смещения. Из уровня техники не известны какие-либо другие аналоги электростатических двигателей, позволяющие достигать гигантских усилий при малых размерах и субангстремной точности перемещений. Подчеркнем, что при переключениях также развиваются гигантские силы.Thus, in contrast to the well-known technical solutions, the proposed engine has the following abilities: to develop gigantic efforts (of the order of 10 t / cm 2 ) when moving into the nanometer range; work with high accuracy with small offset values. The prior art does not know any other analogues of electrostatic motors that allow you to achieve gigantic forces at small sizes and subangstrem accuracy of movements. We emphasize that during switching, giant forces also develop.
Рассмотрим технологический аспект проблемы реализации предлагаемого микро-, нанодвигателя с достижением указанного технического результата.Consider the technological aspect of the implementation problem of the proposed micro-, nanomotor with the achievement of the specified technical result.
Построение предлагаемого электростатического микро-, нанодвигателя осуществляется на новом подходе, использующем свойства нанопленок и нанооболочек. Реализация одного из важнейших в отношении достижения технического результата конструктивных элементов, а именно, нанооболочки - пружины, предлагаемого устройства базируется на основах разработанной ранее нанотехнологии (Принц В.Я., Голод С.В. «Упругие нанооболочки на основе кремниевых пленок: формирование, свойства и практическое применение», ПМФТ, 2006 г., т.47(6), с.с.114-128; Prinz V.Ya. «Properties of semiconductor nanotubes and nanoshells fabricated on (111), (110) GaAs, Si and on vicinal (001) GaAs substrates», Physica E, 2004, V.23, p.p.260-268; Принц В.Я. «Трехмерные самоформирующие наноструктуры на основе свободных напряженных гетеропленок»,Известия ВУЗов «Физика», 2003 г., 46(6), с.с.35-43; Prinz V.Ya. «Precise semiconductor nanotubes and nanocorrugated quantum systems», Physica E, 2004, V.24, p.p.54-62; Prinz V.Ya. «A new concept in fabricating building blocks for nanoelectronic and nanomechanic devices», Microalectronic Engineering, 2003, V.69 (2-4), p.p.466-475; Принц В.Я., Селезнев В.А., Чеховский А.В. «Самоформирующиеся полупроводниковые микро- и нанотрубки». Микросистемная техника, 2003 г., №6, с.с.10-16; Prinz V. Ya. «Precise, molecularly thin semiconductor shell: from nanotubes to nanocorrugated quantum systems», Phys. Stat. Sol. (b), 2006, V.243, Iss. 13, p.p.3333-3339). В приведенных работах разработаны и развиты принципы формирования под действием упругих сил трехмерных объектов, оболочек, при освобождении от связи с подложкой плоских структурированных пленок.The construction of the proposed electrostatic micro-, nanomotor is carried out on a new approach using the properties of nanofilms and nanoshells. The implementation of one of the most important structural elements in terms of achieving a technical result, namely, a nanoshell - a spring, the proposed device is based on the principles of previously developed nanotechnology (Prince V.Ya., Golod S.V. “Elastic nanoshells based on silicon films: formation, properties and practical application ", ПМФТ, 2006, vol. 47 (6), pp. 114-128; Prinz V. Ya." Properties of semiconductor nanotubes and nanoshells fabricated on (111), (110) GaAs, Si and on vicinal (001) GaAs substrates ", Physica E, 2004, V.23, pp260-268; Prince V. Ya." Three-dimensional self-forming nanostructures based on free strained heterofilms ", Proceedings of the Universities" Physics ", 2003, 46 (6), pp. 35-43; Prinz V.Ya." Precise semiconductor nanotubes and nanocorrugated quantum systems ", Physica E, 2004, V.24 , pp54-62; Prinz V.Ya. “A new concept in fabricating building blocks for nanoelectronic and nanomechanic devices”, Microalectronic Engineering, 2003, V.69 (2-4), pp466-475; Prince V.Ya. , Seleznev V.A., Chekhovsky A.V. "Self-forming semiconductor micro- and nanotubes." Microsystem technology, 2003, No. 6, pp. 10-16; Prinz V. Ya. "Precise, molecularly thin semiconductor shell: from nanotubes to nanocorrugated quantum systems", Phys. Stat. Sol. (b), 2006, V.243, Iss. 13, p.p.3333-3339). In the cited works, the principles of the formation of three-dimensional objects, shells under the action of elastic forces, when releasing planar structured films from communication with the substrate, are developed and developed.
Достижение технического результата возможно благодаря следующему.The achievement of the technical result is possible due to the following.
Во-первых, достижению в процессе самоформирования и самосборки прецизионной пространственной конфигурации нанооболочки - пружины с автоматическим размещением ее в микро-, нанозазоре пластин двигателя.Firstly, the achievement in the process of self-formation and self-assembly of a precise spatial configuration of a nano-shell - a spring with its automatic placement in the micro-, nano-gap of the engine plates.
Во-вторых, возможности варьирования пространственной конфигурации нанооболочки - пружины, ее масштабировании в сторону уменьшения/увеличения размеров от микрометров до нанометров.Secondly, the possibility of varying the spatial configuration of the nanoshell - the spring, its scaling in the direction of decreasing / increasing sizes from micrometers to nanometers.
В-третьих, нанооболочки - пружины являют собой подвижные, гибкие, элементы, отличающиеся высокой прочностью и устойчивостью формы при осуществлении на них многократного воздействия.Thirdly, nano-shells - springs are movable, flexible, elements characterized by high strength and shape stability when they are repeatedly exposed.
В-четвертых, разнообразию форм и размеров нанооболочек - пружин, и разнообразию свойств используемых материалов для их изготовления. Возможность использования для механически напряженных слоев разнообразных в отношении физических свойств материалов в сочетании с прецизионным заданием формы и размера нанооболочки - пружины, размещенной в зазоре между пластинами, позволяет обеспечить контролируемое преобразование прилагаемого электростатического воздействия в механическое перемещение в любой заданной шкале масштабов.Fourth, the variety of shapes and sizes of nanoshells - springs, and the variety of properties of the materials used for their manufacture. The possibility of using materials with different physical properties for mechanically stressed layers in combination with precision setting of the shape and size of a nanoshell - a spring placed in the gap between the plates, allows for the controlled conversion of the applied electrostatic effect to mechanical displacement at any given scale scale.
В-пятых, внутреннему строению конструктивных слоев нанооболочки - пружины, отвечающему условию высокого структурного совершенства, что является особенно актуальным при масштабировании в сторону уменьшения размеров.Fifth, the internal structure of the structural layers of the nanoshell - the spring, which meets the condition of high structural perfection, which is especially relevant when scaling downwards.
Основная отличительная особенность предлагаемого электростатического двигателя заключается в том, что подход к его реализации включает использование процессов самоформирования, инициируемого травлением материала жертвенного слоя, как было уже сказано выше. Жертвенный слой формируют из материала, селективно удаляемогоотносительно материала напряженной пленки. Для доступа травителя к жертвенному слою, в выращенной гетероструктуре изготавливают, например, с помощью литографии окна, через которые травитель проникает к жертвенному слою и осуществляет селективное травление. В процессе изготовления окон гетеропленку одновременно структурируют. Последнее означает, что после того как осуществили выращивание всех слоев гетеропленки, в едином процессе изготавливают окна и формируют пленочный элемент, геометрическая конфигурация (рисунок) которого определяет в дальнейшем, при травлении жертвенного слоя и трансформации отделяемого участка пленочного элемента в нанооболочку - пружину, форму последней. Рисунок пленочного элемента в наиболее простом случае (Фиг.1) может быть выполнен в виде полосы, на концах которой отсутствуют окна для доступа травителя, в этом месте нанооболочка - пружина зафиксирована к пластине (подложке).The main distinguishing feature of the proposed electrostatic engine is that the approach to its implementation includes the use of self-formation processes initiated by etching of the sacrificial layer material, as mentioned above. A sacrificial layer is formed from a material selectively removed with respect to the material of the stressed film. To access the etchant to the sacrificial layer, in a grown heterostructure, for example, windows are made using lithography, through which the etchant penetrates the sacrificial layer and performs selective etching. In the manufacturing process of windows, a heterofilm is simultaneously structured. The latter means that after all layers of the heterofilm have been grown, windows are made in a single process and a film element is formed, the geometric configuration (figure) of which is determined later on when etching the sacrificial layer and transforming the detachable portion of the film element into a nanoshell - a spring, the shape of the latter . The film element in the simplest case (Figure 1) can be made in the form of a strip, at the ends of which there are no windows for access to the etchant, in this place the nanoshell - the spring is fixed to the plate (substrate).
Характерный размер контролируемо создаваемых нанооболочек - пружин разнообразных пространственных конфигураций зависит от толщины и механических напряжений в исходной гетеропленке (см. Фиг.1б)) и лежит в диапазоне, для периода -от 10 нм до 100 мкм, для высоты - от 10 мкм до 1 нм, для толщин от 100 нм до 1 нм. При этом возможно использовать широкий ассортимент материалов, в группу которых, в общем случае, входят материалы с различными физическими свойствами, такие как металлы, полупроводники и диэлектрики, и создавать из них, полусферы, гофрировки и другие нанооболочки - пружины с прецизионными размерами до единиц нанометров. Современная эпитаксия позволяет из отдельных монослоев, монослой за монослоем формировать сложные гетероструктуры из полупроводниковых материалов, GaAs, InAs, AlAs, Si, Ge, GaP, GaSb, InSb, GaN, InN и других материалов, твердых растворов на их основе, металлов, диэлектриков. Возможно выращивание, как полупроводниковых гетероструктур, так и гибридных: металл-полупроводник, полупроводник-диэлектрик.The characteristic size of the controlledly created nanoshells - springs of various spatial configurations depends on the thickness and mechanical stresses in the initial heterofilm (see Fig. 1b)) and lies in the range, for a period from 10 nm to 100 μm, for a height from 10 μm to 1 nm, for thicknesses from 100 nm to 1 nm. In this case, it is possible to use a wide range of materials, the group of which, in the general case, includes materials with different physical properties, such as metals, semiconductors and dielectrics, and create from them hemispheres, corrugations and other nanoshells - springs with precision dimensions of up to several nanometers . Modern epitaxy allows complex heterostructures from semiconductor materials, GaAs, InAs, AlAs, Si, Ge, GaP, GaSb, InSb, GaN, InN and other materials, solid solutions based on them, metals, and dielectrics to be formed from individual monolayers, monolayer after monolayer. It is possible to grow both semiconductor heterostructures and hybrid ones: metal-semiconductor, semiconductor-dielectric.
Задание формы и размера нанооболочки - пружины осуществляется на стадии выращивания гетеропленки и формирования из нее пленочного элемента (или структурирования гетеропленки). Формирование заготовки нанооболочки - пружины, в плоском виде, осуществляется на стадии создания пленочного элемента, многослойного или однослойного, что позволяет использовать широкий арсенал методов и материалов планарной технологии. Уникальной особенностью эпитаксиальных напряженных пленок является возможность достижения гигантских внутренних напряжений (деформаций). Зная несоответствие параметров решетки материалов и имея возможность выращивать твердые растворы, можно строго задавать упругие напряжения в гетеропленках в диапазоне от 0 до 10 ГПа (псевдоморфные слои). Это обстоятельство обеспечивает сбольшой точностью задание размеров и форм нанооболочек - пружин, и позволяет выбирать материалы, соответствующие требуемой отработке статического воздействия. Учет возможности отработки электростатического воздействия осуществляется не только за счет достижения требуемых размеров и форм нанооболочки - пружины, но также и проводящими свойствами выбранных материалов.The shape and size of the nanoshell - the spring is set at the stage of growing the heterofilm and forming a film element from it (or structuring the heterofilm). The formation of a blank of a nano-shell - spring, in a flat form, is carried out at the stage of creating a film element, multilayer or single-layer, which allows the use of a wide arsenal of methods and materials of planar technology. A unique feature of epitaxial strained films is the ability to achieve gigantic internal stresses (strains). Knowing the mismatch of the lattice parameters of materials and being able to grow solid solutions, one can strictly set the elastic stresses in heterofilms in the range from 0 to 10 GPa (pseudomorphic layers). This circumstance provides the accuracy of specifying the sizes and shapes of nanoshells - springs, and allows you to choose materials that correspond to the required working out of static impact. Consideration of the possibility of practicing electrostatic effects is carried out not only by achieving the required dimensions and shapes of the nanoshell - springs, but also by the conductive properties of the selected materials.
Например, для случая, когда управляющее напряжение прикладывается к пластинам, выполняющим также и функцию электродов, нанооболочка - пружина, расположенная между ними должна быть непроводящей. Для полупроводников А3В5 это условие легко выполняется в силу того, что их нелегированные пленки всегда обеднены носителями заряда (поверхностный потенциал имеет величину около 0,5 эВ и область обеднения, даже в пленке, легированной до уровня 1016 см-3, проникает на глубину 300 нм, нелегированные же пленки являются непроводящими) и вклад их влияния на электрическое поле между пластинами незначителен. Экспериментальная проверка показала весьма удовлетворительную работу нанооболочек - пружин, выполненных из нелегированной обедненной пленки p-типа, в то время как пластины были выполнены из полупроводника n-типа проводимости. В случае, когда нанооболочка - пружина выполняет не только функцию пружины, но также и функцию электрода, необходимо или сильно легировать исходную гетеропленку или использовать гибридную структуру из сильно легированного полупроводника и металла. В частности, для двигателя могут использоваться микро-, нанооболочки - пружины на основе гибридных напряженных пленок металл-полупроводник, SiGe/Si/Cr, или металл-диэлектрик-полупроводник, SiGe/Si/Si3N4/Cr, в этих случаях к самой нанооболочке - пружине возможно приложение электростатического воздействия, поскольку она способна выполнять функцию электрода (см. Фиг.7).For example, for the case when the control voltage is applied to the plates, which also perform the function of electrodes, the nanoshell is a spring located between them must be non-conductive. For A 3 B 5 semiconductors, this condition is easily satisfied due to the fact that their undoped films are always depleted in charge carriers (the surface potential has a value of about 0.5 eV and the depletion region penetrates even in the film doped to a level of 10 16 cm -3 to a depth of 300 nm, undoped films are non-conductive) and the contribution of their influence on the electric field between the plates is negligible. Experimental verification showed a very satisfactory operation of the nanoshells - springs made of an unalloyed depleted p-type film, while the plates were made of an n-type semiconductor. In the case when the nano-shell - spring performs not only the function of the spring, but also the function of the electrode, it is necessary either to heavily dope the initial heterofilm or to use a hybrid structure of a heavily doped semiconductor and metal. In particular, micro- or nano-shells - springs based on hybrid strained metal-semiconductor films, SiGe / Si / Cr, or metal-dielectric-semiconductor, SiGe / Si / Si 3 N 4 / Cr, in which The nano-shell itself, the spring, may be subjected to electrostatic effects, since it is capable of performing the function of an electrode (see Fig. 7).
Внутреннее механическое напряжение задается тем, что гетеропленка формируется из монокристаллических материалов, имеющих различные постоянные решетки. При выращивании такой гетеропленки на толстой монокристаллической подложке, кристаллические решетки материалов подстраиваются друг под друга и решетку подложки. При этом происходит упругая деформация слоев гетероструктуры - слой из материала с большей постоянной решетки сжимается. Так, несоответствие параметров решеток InAs/GaAs для Si/Ge GaP/InAs Поэтому слой InGaAs на подложке GaAs и слой SiGe на подложке Ge в исходном состоянии сжаты. Важно отметить, что молекулярные слои, выращенные таким образом, могут быть контролируемо расположены на заданном расстоянии друг от друга и иметь строго заданное несоответствие параметров решетки, то есть заданную упругую деформацию.The internal mechanical stress is determined by the fact that the heterofilm is formed from single-crystal materials having various lattice constants. When growing such a heterofilm on a thick single-crystal substrate, the crystal lattices of the materials are adjusted to each other and the substrate lattice. In this case, elastic deformation of the heterostructure layers occurs - a layer of material with a greater lattice constant is compressed. Thus, the mismatch of the InAs / GaAs lattice parameters for Si / Ge GaP / InAs Therefore, the InGaAs layer on the GaAs substrate and the SiGe layer on the Ge substrate are compressed in the initial state. It is important to note that the molecular layers grown in this way can be controllably located at a given distance from each other and have a strictly specified mismatch of the lattice parameters, i.e., a given elastic deformation.
Высокое внутреннее совершенство напряженных слоев исходной гетеропленки предопределяет точность задания локальной кривизны нанооболочки - пружины и, следовательно, ее формы.The high internal perfection of the stressed layers of the initial heterofilm predetermines the accuracy of setting the local curvature of the nanoshell - the spring and, therefore, its shape.
Высокое совершенство внутреннего строения, бездефектность, однородность материала напряженных слоев является важным фактором, так как позволяет производить отработку электростатического воздействия контролируемым образом, с максимальной эффективностью.High perfection of the internal structure, defect-free, uniformity of the material of the stressed layers is an important factor, as it allows the development of electrostatic effects in a controlled manner, with maximum efficiency.
Дополнительно отметим, что высокое внутреннее совершенство напряженных слоев нанооболочки - пружины является важным фактором, лежащим в достижении возможности масштабирования двигателя.Additionally, we note that the high internal perfection of the stressed layers of the nanoshell - the spring is an important factor in achieving the ability to scale the engine.
В составе исходной гетеропленки в качестве функциональных слоев нанооболочки - пружины может присутствовать от одного напряженного относительно подложки (пластины) слоя (см. Фиг.1) и более слоев, механически напряженных друг относительно друга (см. Фиг.7).In the composition of the initial heterofilm, as the functional layers of the nano-shell-spring, there can be from one layer stressed relative to the substrate (plate) (see Figure 1) and more layers mechanically stressed relative to each other (see Figure 7).
Прочность, легкодеформируемость и формоустойчивость нанооболочки - пружины определяется как прямым результатом ее выполнения в составе слоев, удерживаемых друг относительно друга внутренними напряжениями, так и совершенством внутреннего строения механически напряженных слоев.Strength, easy deformability and shape stability of a nanoshell - spring is determined both by the direct result of its implementation in the composition of the layers held together by internal stresses, and by the perfection of the internal structure of mechanically stressed layers.
Толщина каждого слоя может быть задана в пределах от нескольких микрон до одного моноатомного слоя (Фиг.14). Прецизионность высоты гофрировки обеспечивается тем, что нанооболочка - пружина ограничена подложкой (неподвижной пластиной) и слоем ненапряженного материала подвижной пластины, при этом высота определяется суммарной толщиной вытравливаемых жертвенных слоев, расположенных между подложкой и верхним ненапряженным слоем подвижной пластины, которая задается в процессе эпитаксиального роста структур с высокой точностью.The thickness of each layer can be set in the range from several microns to one monoatomic layer (Fig. 14). The precision of the corrugation height is ensured by the fact that the nanoshell - the spring is limited by the substrate (fixed plate) and a layer of unstressed material of the moving plate, while the height is determined by the total thickness of the etched sacrificial layers located between the substrate and the upper unstressed layer of the moving plate, which is set during the epitaxial growth of structures with high precision.
В случае одного напряженного относительно подложки (пластины) функционального слоя при формировании нанооболочки - пружины исходный сжатый слой, при освобождении, посредством травления жертвенного слоя, от связи с пластиной, в локальной области длиной L, упруго релаксирует, увеличивая свою длину и выпучиваясь на некоторую высоту h. Принимая форму свободной пленки за синусоидальную, из геометрических соображений, можно вывести зависимость высоты h от длины L и относительного рассогласования кристаллических решеток а/а материалов функционального слоя и подложки:In the case of one functional layer strained relative to the substrate (plate) during the formation of the nanoshell - spring, the initial compressed layer, when released by etching the sacrificial layer from the bond with the plate, in the local region of length L, relaxes elastically, increasing its length and bulging to some height h. Taking the shape of the free film as a sinusoidal, from geometric considerations, we can deduce the dependence of the height h on the length L and the relative mismatch of the crystal lattices a / a materials of the functional layer and the substrate:
h=1,3 L (а/а)1/2.h = 1.3 L ( a / a) 1/2 .
При а/а, равном 5%, высота выпученной области на основании теории упругости составляет 1/3 от длины.At a / a, equal to 5%, the height of the bulged region based on the theory of elasticity is 1/3 of the length.
Освобождение от связи с подложкой напряженных гетеропленок, у которых запасена значительная упругая энергия (порядка 0,5 эВ на атом!) и включение в игру процессов самоформирования, а также процессов самосборки сложных структур открывает необычайно широкие возможность в создании микро-, нанодвигателей.The release of strained heterofilms from which a significant elastic energy is stored (of the order of 0.5 eV per atom!) And the inclusion of self-formation processes, as well as processes of self-assembly of complex structures in the game, opens up an unusually wide opportunity in the creation of micro-, nanomotors.
Особо следует отметить технологическую совместимость данной технологии с технологией изготовления интегральных схем, как в первой, так и во второй, используются традиционные методы планарной технологии и материалы, а также возможность массового поточного производства.Of particular note is the technological compatibility of this technology with the technology for manufacturing integrated circuits, both in the first and second, using traditional methods of planar technology and materials, as well as the possibility of mass in-line production.
Кроме рассмотренной простейшей, в виде одной складки, протяженной гофрировки возможны и другие формы изготовления нанооболочки - пружины. Рассмотрим результаты практической реализации других структур микро-, нанодвигателя.In addition to the considered simplest, in the form of one fold, extended corrugation, other forms of manufacturing a nano-shell - springs are possible. Consider the results of the practical implementation of other structures of a micro-, nanomotor.
На Фиг.8 представлены простейшие краевые гофрировки. Они могут быть сформированы при освобождении от связи с подложкой (неподвижной пластиной) прикраевой области напряженно сжатой гетеропленки пленочного элемента, изготовленного, например, в виде полоски. После освобождения прикраевой области посредством травления жертвенного слоя латерально вглубь, сжатая пленка неустойчива и гофрируется. На фиг.8 показаны краевые гофрировки из гетеропленок толщиной меньше 100 нм.On Fig presents the simplest edge corrugations. They can be formed upon release from communication with the substrate (fixed plate) of the marginal region of a stressfully compressed heterofilm of a film element made, for example, in the form of a strip. After liberation of the marginal region by etching the sacrificial layer laterally inward, the compressed film is unstable and corrugated. On Fig shows the edge corrugation of heterofilms with a thickness of less than 100 nm.
Рассмотрим один из самых простых случаев (см. Фиг.8 а)), который относится к гетероструктурам, изготовленным молекулярно-лучевой эпитаксией на Si подложке. На нелегированном буферном слое Si была выращена напряженно сжатая пленка SiGe (с 40% содержанием Ge) толщиной порядка 10 нм, легированная бором до концентрации 1020 см-3 (постоянная решетки Ge на 4% больше постоянной решетки Si). Высокий уровень легирования обеспечивал препятствие травлению материала исходной гетеропленки в 3% водном растворе аммиака. При этом нелегированный буферный слой и кремниевая подложка n-типа, выполняющие функцию жертвенного слоя, травились с высокой скоростью. Селективно вытравливая буферный слой и подложку на глубину Н в латеральном направлении (на приведенных иллюстрациях глубина латерального травления для разных образцов лежит в диапазоне от 5 мкм до 500 нм), мы получали освобожденную полоску прикраевой области SiGe шириной Н, закрепленную на подложке одним краем (см. Фиг.8 а)), противоположным краю, в отношении которого производилось травление. Материал, освобожденной прикраевой области SiGe полосы, стремится расшириться. Освобожденная прикраевая область полосы с исходной длиной L становится длиннее, чем закрепленный ее край, на величину При этом где а - постоянная решетки, а Δа/а - несоответствие постоянной решетки подложки и гетеропленки SiGe. Плоское состояние такой сжатой освобожденной полоски SiGe неустойчиво, в результате освобожденная прикраевая область приобретает синусоидальную форму, гофрируется. Выполненные эксперименты по изготовлению структур показали, что период и высота гофрировки пропорционально зависят от латеральной глубины травления. На Фиг.8, Фиг.9 а) видна связь между глубиной травления, шириной полоски, и периодом синусоидальной гофрировки края полоски. Такая закономерность наблюдалась нами на гетеропленках SiGe различной толщины от 20 нм до 3 нм при содержании Ge от 10% до 80%, соответственно.Consider one of the simplest cases (see Fig. 8 a)), which refers to heterostructures fabricated by molecular beam epitaxy on a Si substrate. A stiffly compressed SiGe film (with 40% Ge content) of a thickness of about 10 nm doped with boron to a concentration of 10 20 cm -3 (Ge lattice constant is 4% higher than the Si lattice constant) was grown on an undoped Si buffer layer. A high doping level prevented the etching of the material of the initial heterofilm in a 3% aqueous solution of ammonia. In this case, the undoped buffer layer and the n-type silicon substrate, which act as the sacrificial layer, were etched at a high speed. Selectively etching the buffer layer and the substrate to a depth of H in the lateral direction (in the above illustrations, the depth of lateral etching for different samples ranges from 5 μm to 500 nm), we obtained a freed strip of the near-edge region of SiGe with a width of H fixed on the substrate with one edge (cm Fig. 8 a)), opposite the edge, in relation to which the etching was carried out. The material released by the near-edge region of the SiGe strip tends to expand. The freed edge region of the strip with the initial length L becomes longer than its fixed edge by an amount Wherein where a is the lattice constant, and Δa / a is the mismatch between the lattice constant of the substrate and the SiGe heterofilm. The flat state of such a compressed liberated SiGe strip is unstable, as a result, the liberated edge region acquires a sinusoidal shape and is corrugated. The performed experiments on the fabrication of structures showed that the period and height of the corrugation are proportionally dependent on the lateral depth of etching. On Fig, Fig.9 a) shows the relationship between the depth of etching, the width of the strip, and the period of sinusoidal corrugation of the edge of the strip. We observed such a pattern on SiGe heterofilms of various thicknesses from 20 nm to 3 nm with a Ge content from 10% to 80%, respectively.
Выявленный характер формирования краевых гофрировок имеет место и для других материалов, например, гетеропленок InGaAs/GaAs (см. Фиг.8в)). Экспериментально изготовлены образцы с псевдоморфными гетероструктурами InGaAs/AlAs/GaAs, где InGaAs - функциональный слой, находящийся в сжатом состоянии, AlAs - жертвенный слой, который может быть селективно удален травителем на основе HF (с селективностью 109 по отношению к GaAs), GaAs - подложка (неподвижная пластина). Селективно вытравливая жертвенный слой AlAs на глубину Н в латеральном направлении, была получена освобожденная полоска прикраевой области пленочного элемента, форма которой изменялась в соответствии с описанным выше. На Фиг.8в) хорошо видна периодичность гофрировки края InGaAs пленки. Период гофрировки -2 мкм.The revealed nature of the formation of edge corrugations also takes place for other materials, for example, InGaAs / GaAs heterofilms (see Fig. 8c). Samples with pseudomorphic InGaAs / AlAs / GaAs heterostructures were experimentally fabricated, where InGaAs is a functional layer in a compressed state, AlAs is a sacrificial layer that can be selectively removed by an etchant based on HF (with a selectivity of 10 9 with respect to GaAs), GaAs - substrate (fixed plate). Selectively etching the sacrificial AlAs layer to a depth H in the lateral direction, a liberated strip of the edge region of the film element was obtained, the shape of which changed as described above. On figv) the periodicity of the corrugation of the edge of the InGaAs film is clearly visible. The corrugation period is -2 microns.
Таким же образом, синусоидальные гофрировки с требуемыми параметрами могут быть с высокой точностью получены в диапазоне от микронных до нанометровых размеров.In the same way, sinusoidal corrugations with the required parameters can be obtained with high accuracy in the range from micron to nanometer sizes.
Для получения высококачественной периодичной гофрировки необходимо только формировать ровный край пленочного элемента, что вполне достижимо. На Фиг.9 а) приведена иллюстрация изменения геометрических параметров синусоидальной гофрировки по мере увеличения латеральной глубины травления жертвенного слоя.To obtain high-quality periodic corrugation, it is only necessary to form a smooth edge of the film element, which is quite achievable. Figure 9 a) illustrates the change in the geometric parameters of the sinusoidal corrugation with increasing lateral etching depth of the sacrificial layer.
Перспективным является возможность создания гофрированных нанооболочек-пружин, упруго взаимодействующих друг с другом (Фиг.8 г) и д)). Упругое взаимодействие позволяет синхронизовать гофрировки и создавать двумерные и трехмерные решетки.Promising is the possibility of creating corrugated nanoshells-springs, elastically interacting with each other (Fig. 8 g) and d)). Elastic interaction allows you to synchronize the corrugations and create two-dimensional and three-dimensional lattices.
На Фиг 8г) и д) приведен пример создания системы упруговзаимодействующих гофрировок. Из гетероструктур SiGe/Si и InGaAs/AlAs/GaAs, были изготовлены пленочные элементы в виде полос шириной 10 мкм, которые для получения изображенных гофрировок подвергались травлению. Травление подложки и буферного слоя гетероструктуры с SiGe/Si (Фиг.8д)) проводилось одновременно с обеих краев полосы пленочного элемента, вглубь по направлению к ее середине. Обе прикраевые области полосы, освободившись от связи с подложкой, приобретают синусоидальную гофрированную форму. Видно, что периодичность синусоидальных краев освобожденной полоски синхронизована со сдвигом на полпериода. Наблюдаемая самоорганизация объясняется взаимодействием упругих полей гофрированных краев полоски.Fig. 8d) and e) shows an example of creating a system of elastically interacting corrugations. From the SiGe / Si and InGaAs / AlAs / GaAs heterostructures, film elements were made in the form of
Дело в том, что латеральный фронт травления жертвенного слоя (подложки и буферного слоя, которые выполняют функцию жертвенного слоя) не является однородным. В той части пленочного элемента, где гетеропленка освобождена от связи с подложкой, поступление травителя идет лучше, чем там, где гетеропленка связана с подложкой и находится в плоском состоянии, в результате чего наблюдается слабая периодическая модуляция латеральной глубины травления. Также пока суммарная величина латеральных глубин травления не превышает латерального размера невытравленной части жертвенного слоя (подложки и буферного слоя), края пленки изгибаются-гофрируются независимо друг от друга. Как только суммарная величина становится равной невытравленной части жертвенного слоя, происходит встреча фронтов травления.The fact is that the lateral front of etching of the sacrificial layer (substrate and buffer layer, which perform the function of the sacrificial layer) is not uniform. In the part of the film element where the heterofilm is freed from bonding with the substrate, the etching proceeds better than where the heterofilm is connected to the substrate and is in a planar state, as a result of which weak periodic modulation of the lateral depth of etching is observed. Also, while the total value of the lateral etching depths does not exceed the lateral size of the non-etched part of the sacrificial layer (substrate and buffer layer), the edges of the film are bent and corrugated independently of each other. As soon as the total value becomes equal to the non-etched part of the sacrificial layer, the etching fronts meet.
В момент встречи фронтов травления начинается взаимодействие фронтов, обуславливающее синхронизацию.At the moment of the meeting of the etching fronts, the interaction of the fronts, causing the synchronization, begins.
Состояние, когда максимумы изгибов (изгиб вверх) освобожденной гетеропленки располагаются друг против друга, неустойчиво. Система стремится к минимуму упругой энергии, что достигается расположением минимумов (изгиб вниз) против максимумов (изгиб вверх), что и является синхронизацией. Полученное состояние устойчиво и статично.The state when the bending maxima (upward bend) of the released heterofilm are located opposite each other is unstable. The system tends to a minimum of elastic energy, which is achieved by arranging the minima (bending down) against the maxima (bending up), which is synchronization. The resulting state is stable and static.
Таким образом, прикраевые области полосы пленочного элемента, освобождаемые с обеих сторон от связи с подложкой, претерпевают две последовательные стадии самоорганизации. Первая - стадия независимой периодической гофрировки, каждой их отсоединяющихся прикраевых областей полосы пленочного элемента, вторая - стадия взаимосвязанной синхронизации.Thus, the near-edge regions of the strip of the film element, freed from both sides of the bond with the substrate, undergo two successive stages of self-organization. The first is the stage of independent periodic corrugation, of each of them detaching near-edge regions of the strip of the film element, the second is the stage of interconnected synchronization.
Этот же характер поведения наблюдается при травлении жертвенного слоя пленочного элемента гетероструктур InGaAs/AlAs/GaAs.The same behavior pattern is observed upon etching of the sacrificial layer of the film element of InGaAs / AlAs / GaAs heterostructures.
На Фиг.9 а) приведена схематическая иллюстрация процесса изменения периода гофрировки с увеличением латеральной глубины травления. Представленный на Фиг.9б) экспериментальный результат получен на образце гетероструктуры SiGe/Si, различная глубина травления в одном и том же травителе обусловлена вариацией ширины окна поконтуру (краям) полосы пленочного элемента, сквозь которое обеспечивается доступ травителя.Fig. 9 a) is a schematic illustration of the process of changing the corrugation period with increasing lateral etching depth. Presented in Fig. 9b), the experimental result was obtained on a sample of the SiGe / Si heterostructure; different etching depths in the same etchant are due to variations in the window width along the contour (edges) of the strip of the film element through which the etchant is accessible.
Более широкое окно обеспечивает лучший доступ травителя и обуславливает большую латеральную глубину травления. На представленной фотографии (Фиг.9б)) хорошо видны и меньшие по размерам гофрировки, травление жертвенного слоя (подложки и буферного слоя) для которых проходило сквозь узкие линии-окна.A wider window provides better etching access and provides greater lateral etching depth. In the presented photograph (Fig. 9b)), smaller corrugations are also clearly visible, the etching of the sacrificial layer (substrate and buffer layer) for which passed through narrow window lines.
На Фиг.10 приведены куполообразные нанооболочки - пружины, которые также играют роль нелинейных пружин, размещаемых в зазоре между пластинами (см. Фиг.10, а)-д)).Figure 10 shows the dome-shaped nano-shells - springs, which also play the role of non-linear springs placed in the gap between the plates (see Figure 10, a) -e)).
Для изготовления их (см. Фиг.10д)) тонкая, напряженная пленка InAs псевдоморфно выращивается на толстой подложке InP, направление роста [001]. Условие псевдоморфного роста позволяет считать, что кристаллические решетки материалов напряженной пленки и подложки сшиваются бездефектно. Напряжение в пленке обусловлено различием постоянных решеток пленки aInAs=0,606 нм, и подложки aInP=0,587 нм и начальная деформация пленки (aInP-aInAs)/aInAs составляет приблизительно 3,1%. Это приводит к тому, что на удерживаемую подложкой в плоском состоянии гетеропленку действует гигантское сжимающее усилие, более 4 ГПа.To make them (see Fig. 10d)) a thin, strained InAs film is pseudomorphically grown on a thick InP substrate, the growth direction is [001]. The condition of pseudomorphic growth allows us to assume that the crystal lattices of the materials of the strained film and the substrate are stitched without defects. The voltage in the film is due to the difference between the constant lattices of the film a InAs = 0.606 nm and the substrate a InP = 0.587 nm and the initial deformation of the film (a InP-a InAs ) / a InAs is approximately 3.1%. This leads to the fact that a giant compressive force of more than 4 GPa acts on the heterofilm held by the substrate in a flat state.
В большинстве наших структур напряжения сжатия многократно, в десятки раз, превышают критическое значение, при котором сжатая плоская пленка теряет устойчивость. За счет этого прямоугольная область пленочного элемента, освобождаемая от связи с подложкой, выпучивается.In most of our structures, the compressive stresses are many times, tens of times higher than the critical value at which the compressed flat film loses stability. Due to this, the rectangular region of the film element, freed from communication with the substrate, is bulging.
При отделении от подложки гетеропленки и ее трансформации формируемая куполообразная нанооболочка - пружина локализуется в строго заданном объеме, ограниченном двумя плоскостями подвижной и неподвижной пластин (см. Фиг.10а)-г)), расстояние между которыми задано на этапе молекулярно-лучевой эпитаксии, первом этапе изготовления пленочного элемента. При формировании купола может иметь место ситуация, при которой гетеропленка выпучиваясь, встречает препятствие в виде верхней ограничивающей плоскости подвижной пластины, и в ходе дальнейшего ее выпучивания при определенных условия происходит прогиб выпученной пленки вниз, подобно тому как это имеет место с протяженной гофрировкой. Реализация описанной ситуации зависит от заданных величин механических напряжений, толщин исходных слоев, площади освобождаемой от связи с подложкой области пленочного элемента. Приведенные условия задаются на стадиях изготовления пленочного элемента.When the heterofilm is separated from the substrate and its transformation, the formed dome-shaped nano-shell - the spring is localized in a strictly defined volume limited by two planes of the movable and fixed plates (see Fig. 10a) -d)), the distance between which is set at the stage of molecular beam epitaxy, the first the stage of manufacture of the film element. During the formation of the dome, a situation may occur in which the heterofilm bulging out meets an obstacle in the form of the upper bounding plane of the movable plate, and during its further buckling under certain conditions, the bulging film will bend downward, similar to the case with extended corrugation. The implementation of the described situation depends on the specified values of mechanical stresses, thicknesses of the initial layers, the area of the area of the film element released from communication with the substrate. The above conditions are set at the stages of manufacturing the film element.
С использованием вышерассмотренных гофрировок были изготовлены и испытаны лабораторные макеты микро-, нанодвигателей.Using the above corrugations, laboratory models of micro-, nanomotors were made and tested.
На Фиг.11 фотографии показывают результаты эксперимента, демонстрирующие двукратное уменьшение периода InGaAs гофрировки на GaAs подложке (нижняя неподвижная пластина) при ее сжатии за счет изменения зазора между пластинами (верхняя подвижная пластина прозрачна). Для наглядности и удобства наблюдения посредством оптического микроскопа специально были выбраны крупномасштабные гофрировки. Хорошо видно, что исходные крупные гофры с максимальной высотой (см. Фиг.11а)) трансформировались с удвоением в гофры меньшей высоты (см. Фиг.11б)), но также являющейся максимальной для приведенной фазы деформации нанооболочки - пружины. В то время как исходные мелкие гофры, видимые с другого края гофрировки, остались неизменными, поскольку нагружение, осуществляемое посредством верхней подвижной пластины, параллельной подложке, не затронуло мелкие гофры. При снятии нагрузки происходит упругий переход в исходное состояние с постоянной времени меньше 10-7 сек.11, photographs show experimental results showing a twofold decrease in the InGaAs corrugation period on a GaAs substrate (lower fixed plate) when it is compressed due to a change in the gap between the plates (upper movable plate is transparent). For clarity and convenience of observation, large-scale corrugations were specially selected using an optical microscope. It is clearly seen that the initial large corrugations with a maximum height (see Fig. 11a)) were transformed with doubling into corrugations of a lower height (see Fig. 11b)), but also being maximum for the reduced phase of deformation of the nanoshell - the spring. While the initial small corrugations visible from the other edge of the corrugation remained unchanged, since the loading by means of the upper movable plate parallel to the substrate did not affect the small corrugations. When the load is removed, an elastic transition to the initial state occurs with a time constant of less than 10 -7 sec.
На основе данной структуры, с помощью накладной плоскопараллельной верхней пластины, выполняющей функцию электрода, был изготовлен макет микро-, нанодвигателя. Функцию второго электрода выполняла неподвижная нижняя пластина (подложка). Прикладывая напряжение к электродам, мы измеряли емкость структуры. Было получено, что начальная емкость структуры С соответствует зазору между пластинами (электродами) h=70 нм (C=S/h). При приложении к электродам напряжения более 5 В наблюдалось сначала медленное увеличение емкости, а при 11 В емкость резко возрастала в 1,5 раза, что соответствовало резкому уменьшению величины зазора, с 50 нм до почти 30 нм.Based on this structure, using the laid on plane-parallel upper plate, which acts as an electrode, a micro-, nanomotor model was made. The function of the second electrode was performed by a fixed lower plate (substrate). Applying voltage to the electrodes, we measured the capacitance of the structure. It was found that the initial capacitance of structure C corresponds to the gap between the plates (electrodes) h = 70 nm (C = S / h). When a voltage of more than 5 V was applied to the electrodes, at first a slow increase in the capacitance was observed, and at 11 V the capacitance sharply increased by 1.5 times, which corresponded to a sharp decrease in the gap from 50 nm to almost 30 nm.
Устройства с накладной верхней подвижной пластиной (электродом) имеют недостатки, связанные с проблемами и сложностями расположения верхней пластины параллельно подложке, поэтому следующие экспериментальные макеты двигателя были выполнены на полностью эпитаксиальной прецизионной структуре (см. Фиг.8, Фиг.9, Фиг.12, Фиг.16), с протяженной или краевой гофрировкой.Devices with an overhead top movable plate (electrode) have disadvantages associated with the problems and difficulties of arranging the top plate parallel to the substrate, so the following experimental prototypes of the engine were made on a completely epitaxial precision structure (see Fig. 8, Fig. 9, Fig. 12, Fig. 16), with extended or edge corrugation.
Изготовленные полностью эпитаксиальные прецизионные структуры InGaAs/GaAs на подложке GaAs исследовались методом сканирующей электронной микроскопии, и на Фиг.12 представлены схематичные трехмерные изображения и экспериментальные фотографические изображения сечения таких структур, содержащих протяженные гофрировки. Верхняя подвижная пластина GaAs сформирована также эпитаксиально, в процессе изготовления пленочного элемента на стадии выращивания гетеропленки. Гофрировка формировалась в результате удаления материала жертвенных слоев, междукоторыми при молекулярно-лучевой эпитаксии выращивался функциональный InGaAs слой гофрировки (см. Фиг.12, средняя и нижняя части. Фиг.15 и Фиг.16).The fabricated fully epitaxial precision InGaAs / GaAs structures on a GaAs substrate were investigated by scanning electron microscopy, and Fig. 12 shows schematic three-dimensional images and experimental photographic images of the cross section of such structures containing extended corrugations. The upper movable GaAs wafer is also formed epitaxially during the manufacturing of the film element at the stage of growing the heterofilm. The corrugation was formed as a result of the removal of the material of the sacrificial layers, between which a functional InGaAs corrugation layer was grown during molecular beam epitaxy (see Fig. 12, middle and lower parts. Fig. 15 and Fig. 16).
Более сложной формы протяженные гофрировки показаны на Фиг.13 и 14. На Фиг.13а) приведено схематическое изображение зигзагообразной протяженной гофрировки, получаемой в результате модуляции формы складки по ее длине (ширине подложки). На Фиг.16 показаны краевые гофрировки, выполненные по периметру четырехугольника.Longer corrugations of a more complex shape are shown in Figs. 13 and 14. Fig. 13a) shows a schematic representation of a zigzag long corrugation obtained by modulating the shape of the fold along its length (substrate width). On Fig shows the edge corrugations made around the perimeter of the quadrangle.
Для характеризации гофрировок в плане были специально сформированы структуры без верхней подвижной пластины (электрода), что позволило получить оптические, электронно-микроскопические и атомно-силовые изображения (Фиг.13б)-д). Фиг.14, Фиг.16в) и г)). Переход от зигзагообразных протяженных гофрировок с микронным периодом к зигзагообразным протяженным гофрировкам с нанометровым периодом осуществляется за счет уменьшения толщины отсоединяемой напряженной пленки с функциональными слоями/слоем и увеличения механических напряжений в ней.To characterize the corrugations in the plan, structures without a top movable plate (electrode) were specially formed, which made it possible to obtain optical, electron microscopic, and atomic force images (Fig.13b) -e). Fig.14, Fig.16c) and d)). The transition from zigzag extended corrugations with a micron period to zigzag extended corrugations with a nanometer period is carried out by reducing the thickness of the detachable stressed film with functional layers / layer and increasing mechanical stresses in it.
На Фиг.16в) и г) приведены фотографии краевых гофрировок, для наблюдения которых верхняя подвижная пластина (пленка) была удалена. Структурирование InGaAs/GaAs пленки и травление жертвенных слоев AlAs и AlGaAs выполнялось сквозь окна в верхней пластине. Верхняя пластина в рассматриваемом случае, в отличие от верхней пластины в случае Фиг.16а), содержала исходно массив четырехугольных окон (квадратов, см. Фиг.16в) и г)). Травление нижнего жертвенного слоя по периметру окон приводило к формированию показанных краевых гофрировок.On figv) and d) shows photographs of the edge corrugations, for the observation of which the upper movable plate (film) has been removed. InGaAs / GaAs film structuring and etching of AlAs and AlGaAs sacrificial layers were performed through windows in the upper plate. The upper plate in this case, in contrast to the upper plate in the case of Fig.16a), initially contained an array of quadrangular windows (squares, see Fig.16c) and d)). Etching of the lower sacrificial layer along the perimeter of the windows led to the formation of the shown edge corrugations.
Отметим, что моделирование формы и предопределение выполняемых функций нанооболочки - пружины (гофрировки) в двигателе возможно также за счет выполнения ее из напряженной многослойной пленки, например, содержащей, по крайней мере, один растянутый слой (см. Фиг.15). Изображенная на Фиг.15 гофрировка выполняет функцию электрода (см. Фиг.15б)) в двигателе, показанном на Фиг.7. Гофрировка выполнена из напряженной многослойной пленки, содержащей три слоя, причем внешние сжаты, а толщина пленки периодически модулирована за счет внешних слоев, период модуляции толщины одного внешнего слоя и период модуляции второго внешнего слоя сдвинуты друг относительно друга. Внешний периодически модулированный слой, выполненный, в частности, из проводящего материала, представляет собой ничто иное, как электрод в виде массива проводящих элементов, предназначенных для создания локального электрического поля или его градиента, обеспечивающих контролируемое изменение угла между пластинами.Note that modeling the shape and predetermining the functions of the nanoshell - the spring (corrugation) in the engine is also possible by performing it from a strained multilayer film, for example, containing at least one stretched layer (see Fig. 15). The corrugation shown in Fig. 15 serves as an electrode (see Fig. 15b)) in the engine shown in Fig. 7. The corrugation is made of a strained multilayer film containing three layers, the outer ones being compressed, and the film thickness periodically modulated by the outer layers, the modulation period of the thickness of one outer layer and the modulation period of the second outer layer are shifted relative to each other. An external periodically modulated layer made, in particular, of a conductive material, is nothing more than an electrode in the form of an array of conductive elements designed to create a local electric field or its gradient, providing a controlled change in the angle between the plates.
Для того чтобы эпитаксиально выращенную гетероструктуру превратить в электростатический микро-, нанодвигатель (см. Фиг.7б)-г). Фиг.12, Фиг.16а)) с помощью литографии формируют из верхнего, например, проводящего n-слоя (см. Фиг.7, позиция (2)) плоскопараллельную подложке (1) подвижную пластину (2), выполняющую, в частности, функцию электрода. Подвижная пластина удерживается за боковые области структуры с помощью тонких зигзагообразных латеральных пружинок (см. Фиг.16а)). Их формируют с помощью литографии. На Фиг.16а) по краям верхней подвижной пластины видны окна, через которые происходит удаление материала жертвенных слоев. Принципиально важным в части реализации двигателя, выполненного на базе данной гетероэпитаксиальной структуры, является то, что верхняя подвижная пластина - электрод выполнена из n-типа полупроводника, а жертвенные слои AlAs и напряженный InGaAs слой являются слаболегированными слоями р-типа проводимости. Именно в силу этого обстоятельства упрощается изготовление электростатического микро-, нанодвигателя, а встроенный n-р-n переход изолирует токовые площадки верхнего электрода (в составе верхней подвижной пластины) от токовых площадок нижнего электрода (в составе неподвижной пластины). Данные площадки могут быть дополнительно облучены ионами для улучшения изоляции.In order to turn an epitaxially grown heterostructure into an electrostatic micro-, nanomotor (see Fig. 7b) -d). Fig. 12, Fig. 16a)) using lithography form from the upper, for example, a conductive n-layer (see Fig. 7, position (2)) a plane-parallel substrate (1) a movable plate (2), performing, in particular, electrode function. The movable plate is held by the lateral regions of the structure using thin zigzag lateral springs (see Fig. 16a)). They are formed using lithography. On figa) along the edges of the upper movable plate are visible windows through which the material of the sacrificial layers is removed. Of fundamental importance in terms of the implementation of an engine made on the basis of this heteroepitaxial structure is that the upper movable plate — the electrode — is made of an n-type semiconductor, and the sacrificial AlAs layers and the strained InGaAs layer are lightly doped p-type layers. It is precisely because of this circumstance that the manufacture of an electrostatic micro-, nanomotor is simplified, and the built-in n-pn junction isolates the current areas of the upper electrode (as part of the upper movable plate) from the current areas of the lower electrode (as part of the fixed plate). These sites can be further irradiated with ions to improve insulation.
Испытания экспериментальных макетов двигателя, выполненных на полностью эпитаксиальной прецизионной гетероструктуре (см. Фиг.7, Фиг.12, Фиг.16), с протяженной или краевой гофрировкой, показали следующие результаты (см. Фиг.17).Tests of experimental engine mock-ups performed on a fully epitaxial precision heterostructure (see Fig. 7, Fig. 12, Fig. 16) with extended or edge corrugation showed the following results (see Fig. 17).
Полученные экспериментально вольт-фарадные характеристики (см. Фиг.17) показывают качественное совпадение вышеописанного теоретического представления поведения модели двигателя (см. Фиг.3 и Фиг.4) с полученным на практике (см. Фиг.17а)). Емкость С связана с зазором h между пластинами зависимостьюThe experimentally obtained volt-farad characteristics (see Fig. 17) show a qualitative agreement between the above-described theoretical representation of the behavior of the engine model (see Fig. 3 and Fig. 4) with that obtained in practice (see Fig. 17a)). The capacitance C is related to the gap h between the plates by the dependence
где S - площадь пластин двигателя (около 1 мм);where S is the area of the engine plates (about 1 mm);
С - емкость структуры;C is the capacity of the structure;
h - зазор между пластинами;h is the gap between the plates;
Скачкообразный характер изменения емкости от напряжения при прямом и обратном ходе (см. Фиг.17а)) качественно подтверждает скачкообразное изменение количества гофров (с трансформацией их в гофры меньшей высоты), а также жесткости нанооболочки - пружины при достижении критического значения величины давящего усилия в результате увеличения прикладываемого к пластинам напряжения, вызывающего сближение пластин и уменьшение зазора между ними. Однако для количественного подтверждения необходимо принять во внимание площадь краевых гофрировок, которая точно не известна для нашего эксперимента.The spasmodic nature of the change in capacitance from voltage during forward and reverse (see Fig. 17a)) qualitatively confirms the spasmodic change in the number of corrugations (with their transformation into corrugations of lower height), as well as the stiffness of the nanoshell - spring when the critical value of the pressure force is reached as a result increasing the voltage applied to the plates, causing the plates to come together and reducing the gap between them. However, for quantitative confirmation, it is necessary to take into account the area of the edge corrugations, which is not exactly known for our experiment.
На Фиг.17б) и в) показаны вольт-фарадные характеристики для двигателя, реализованного на краевых гофрировках, приведенных на Фиг.16 в) и г). Видно отсутствие резкого перехода при увеличении количества гофров (удвоения), поскольку структура содержала одновременно различной высоты гофры (см. Фиг.16г)).On Fig.17b) and c) shows the capacitance-voltage characteristics for an engine implemented on the edge corrugations shown in Fig.16 c) and d). One can see the absence of a sharp transition with an increase in the number of corrugations (doubling), since the structure simultaneously contained different corrugation heights (see Fig. 16d).
Для оценки мощности электростатического микро-, нанодвигателя были выполнены измерения вольт-фарадных характеристик нагруженных двигателей, то есть верхняя пластина нагружалась различными грузами. Прикладывая или снимая напряжение, производилось многократное опускание или подъем груза на верхней подвижной пластине. Аналогичный характер движения верхней подвижной пластины имеет место и при отсутствии груза на ней. Измеренные вольт-фарадные характеристики с нагружением и без нагружения верхней подвижной пластины (см. Фиг.17в)) имеют сходный характер, однако в отсутствие груза необходимо приложить меньшее смещение для перемещения верхней пластины на то же самое расстояние. Фиг.17в) показательна тем, что напрямую демонстрирует, какой груз может «возить» двигатель.To assess the power of an electrostatic micro-, nanomotor, measurements were made of the capacitance-voltage characteristics of loaded engines, that is, the upper plate was loaded with various loads. Applying or relieving stress, multiple lowering or lifting of the load on the upper movable plate was performed. A similar pattern of motion of the upper movable plate takes place in the absence of load on it. The measured capacitance-voltage characteristics with and without loading of the upper movable plate (see Fig. 17c)) are of a similar nature, however, in the absence of load, a smaller displacement must be applied to move the upper plate by the same distance. Figv) is indicative of the fact that it directly demonstrates what load the engine can "carry".
Кривая, помеченная надписью «с грузом», получена при измерении вольт-фарадной характеристики с дополнительным механическим давлением на подвижную пластину грузом 1,2 грамма. В пересчете на 1 см2 это составляет 100 граммов. Приведенные количественные данные близки к теоретическим оценкам, поскольку расстояние между пластинами составляло около 700 нм, что на порядок больше, чем для результатов расчета, представленных на Фиг.4 (сила возрастает с уменьшением расстояния квадратично). Расчеты были выполнены для гофрировок целиком заполняющих площадь под электродом (пластиной). Экспериментальные данные получены для краевых гофрировок с площадью существенно меньшей площади пластины в экспериментально испытываемом двигателе. Тем не менее, эксперимент убедительно демонстрирует работоспособность двигателя.The curve labeled “with load” was obtained by measuring the capacitance-voltage characteristic with additional mechanical pressure on the movable plate with a load of 1.2 grams. In terms of 1 cm 2 this is 100 grams. The quantitative data presented are close to theoretical estimates, since the distance between the plates was about 700 nm, which is an order of magnitude greater than for the calculation results presented in Figure 4 (the force increases quadratically with decreasing distance). The calculations were performed for corrugations that completely fill the area under the electrode (plate). Experimental data were obtained for edge corrugations with an area substantially smaller than the plate area in an experimentally tested engine. Nevertheless, the experiment convincingly demonstrates the performance of the engine.
Таким образом, экспериментально показана возможность прецизионного формирования краевых и протяженных гофрировок с периодом от микрон до нанометров и реализации электростатического микро-, нанодвигателя.Thus, the possibility of precision formation of edge and extended corrugations with a period from microns to nanometers and the implementation of an electrostatic micro-, nanomotor has been experimentally shown.
Отметим, что созданные микро-, наноструктуры устойчивы к воздействию различных факторов. Установлено, например, что при реализации нанооболочки - пружины с использованием кремния и германия, длительный высокотемпературный отжиг (до 600°С) указанных структур не приводит к релаксации и перемешиванию твердого раствора германия-кремния с близлежащими слоями и, следовательно, не меняет радиус изгиба оболочек. При выборе кремния в качестве базового материала для изготовления двигателей, следует учесть и то, что данный материал относится к биосовместимым материалам и подходит для изготовления хирургических устройств.Note that the created micro-, nanostructures are resistant to various factors. It has been established, for example, that when nano-shells are realized - springs using silicon and germanium, long-term high-temperature annealing (up to 600 ° C) of these structures does not lead to relaxation and mixing of the germanium-silicon solid solution with the adjacent layers and, therefore, does not change the bending radius of the shells . When choosing silicon as the base material for the manufacture of engines, it should be borne in mind that this material refers to biocompatible materials and is suitable for the manufacture of surgical devices.
Заявляемое устройство в общем случае его выполнения содержит (см. Фиг.2) источник питания (не показан), неподвижную пластину (1) (подложку), подвижную пластину (2) и нанооболочку - пружину (3). Пластины (1) и (2) расположены друг относительно друга с микро-, нанозазором. При приложении электростатического воздействия к пластинам (1) и (2) они изменяют пространственную ориентацию друг относительно друга, например, сближаются. В микро-, нанозазоре между пластинами (1) и (2) размещена с возможностью фиксации самоформирующаяся упругая нанооболочка - пружина (3), изменяющая свою форму и коэффициент упругости при изменении взаимного расположения пластин (1) и (2). Она выполнена из механически напряженной пленки. Пластины (1) и (2) и нанооболочка - пружина (3), или пластины (1) и (2), или пластина (1) или (2) и нанооболочка - пружина (3) выполнены с возможностью приложения к ним от источника питания (не показан) напряжения, и отработки электростатического воздействия. В составе пластин (1) и (2), нанооболочки - пружины (3) выполнены электроды. В самом простом случае электрод представляет собой слой проводящего материала, металла или сильнолегированного полупроводника, слой имеет электрическую связь с источником питания.The inventive device in the General case of its implementation contains (see Figure 2) a power source (not shown), a fixed plate (1) (substrate), a movable plate (2) and a nanoshell - a spring (3). The plates (1) and (2) are located relative to each other with a micro-, nano-gap. When an electrostatic effect is applied to the plates (1) and (2), they change the spatial orientation with respect to each other, for example, approach each other. In the micro-, nano-gap between the plates (1) and (2), a self-forming elastic nanoshell - a spring (3), which changes its shape and coefficient of elasticity when changing the relative position of the plates (1) and (2), is placed with fixation. It is made of mechanically strained film. The plates (1) and (2) and the nano-shell - spring (3), or the plates (1) and (2), or the plate (1) or (2) and the nano-shell - spring (3) are made with the possibility of application to them from the source power (not shown) voltage, and the development of electrostatic effects. The composition of the plates (1) and (2), nanoshells - springs (3) made electrodes. In the simplest case, the electrode is a layer of conductive material, metal or a heavily doped semiconductor, the layer is in electrical communication with the power source.
В предлагаемом микро-, нанодвигателе (Фиг.2, Фиг.7) нанооболочка - пружина (3) выполнена гофрированной (Фиг.2, Фиг.7 - Фиг.14), или в виде гофрировки. Гофрировка зафиксирована к неподвижной пластине (1) (подложке) жестким креплением ее краев.In the proposed micro-, nanomotor (Figure 2, Figure 7), the nanoshell - spring (3) is made corrugated (Figure 2, Figure 7 - Figure 14), or in the form of corrugation. The corrugation is fixed to the fixed plate (1) (substrate) by rigidly fixing its edges.
Для изготовления нанооболочки - пружины (3) и пластин (1) и (2) используют разнообразные материалы. В частности, это - полупроводники, или металлы, или диэлектрики, или комбинации полупроводника и металла, или диэлектрика и металла, или диэлектрика и полупроводника, или полупроводника, и диэлектрика, и металла.For the manufacture of nano-shells - springs (3) and plates (1) and (2) use a variety of materials. In particular, these are semiconductors, or metals, or dielectrics, or combinations of a semiconductor and a metal, or a dielectric and a metal, or a dielectric and a semiconductor, or a semiconductor, and a dielectric, and a metal.
В частных случаях реализации микро-, нанодвигателя используют разнообразные формы гофрировок (см. Фиг.2, Фиг.7 - Фиг.15). Так, нанооболочка - пружина, может быть гофрирована неравномерно в отношении ее площади, только на краях, с увеличением высоты гофров в направлении к освобожденным от связи с пластиной (1) (подложкой) краям (Фиг.8, Фиг.9, Фиг.11) - краевые гофрировки. В другом частном случае нанооболочка - пружина гофрирована равномерно в отношении ее площади с непрерывно периодическим расположением протяженных одинаковых гофров (см. Фиг.2, Фиг.7, Фиг.12). В третьем частном случае реализации нанооболочка - пружина выполнена гофрированной равномерно в отношении ее площади, с прерывно илинепрерывно периодическим расположением протяженных зигзагообразных гофров (см. Фиг.13, Фиг.14). Также, в частном случае реализации, нанооболочка - пружина может быть гофрирована равномерно в отношении ее площади, с прерывно периодическим расположением куполообразных гофров (Фиг.10).In special cases, the implementation of micro-, nanomotors use a variety of forms of corrugations (see Figure 2, Figure 7 - Figure 15). So, the nano-shell - spring, can be corrugated unevenly with respect to its area, only at the edges, with an increase in the height of the corrugations towards the edges freed from communication with the plate (1) (Fig. 8, Fig. 9, Fig. 11 ) - edge corrugations. In another particular case, the nano-shell - the spring is corrugated evenly with respect to its area with a continuously periodic arrangement of extended identical corrugations (see Figure 2, Figure 7, Figure 12). In the third particular case of the implementation of the nanoshell - the spring is made corrugated evenly in relation to its area, with discontinuous or continuous periodic arrangement of extended zigzag corrugations (see Fig.13, Fig.14). Also, in the particular case of implementation, the nano-shell - spring can be corrugated evenly in relation to its area, with a discontinuously periodic arrangement of dome-shaped corrugations (Figure 10).
Механически напряженная пленка нанооболочки - пружины может выполняться многослойной или однослойной, содержать кроме сжатого слоя или нескольких сжатых слоев один или несколько растянутых слоев. В частности, она выполнена из напряженной трехслойной пленки со сжатыми внешними слоями (см. Фиг.15), а толщина ее периодически модулирована за счет внешних слоев. На Фиг.15 показана периодическая модуляция толщины внешних сжатых слоев. Период модуляции одного слоя и период модуляции второго слоя сдвинуты по фазе друг относительно друга, например, на 180°.A mechanically stressed film of a nano-shell - spring can be multilayer or single-layer, contain, in addition to a compressed layer or several compressed layers, one or more stretched layers. In particular, it is made of a strained three-layer film with compressed outer layers (see Fig. 15), and its thickness is periodically modulated by the outer layers. On Fig shows the periodic modulation of the thickness of the outer compressed layers. The modulation period of one layer and the modulation period of the second layer are phase shifted relative to each other, for example, by 180 °.
На Фиг.2 и Фиг.7 приведены микро-, нанодвигатели в случаях реализации их с использованием плоскопараллельных пластин. Другими вариантами выполнения предлагаемого двигателя являются конструкции, в которых, по крайней мере, одна из пластин выполнена в виде кантилевера, или, крайней мере, одна из пластин выполнена в виде арки. Выполнение верхней подвижной пластины аркообразной формы из GaAs приведено на экспериментальной фотографии Фиг.12 в правой нижней части.Figure 2 and Figure 7 shows the micro-, nanomotors in cases of their implementation using plane-parallel plates. Other embodiments of the proposed engine are structures in which at least one of the plates is made in the form of a cantilever, or at least one of the plates is made in the form of an arch. The implementation of the upper movable arch-shaped plate of GaAs is shown in the experimental photograph of Fig. 12 in the lower right.
В составе пластин и нанооболочки - пружины, или в составе пластин, или в составе пластины и нанооболочки - пружины, когда они используются в качестве электродов, электрод в различных частных случаях реализации двигателя может быть сформирован в виде массива элементов. Указанная форма выполнения электрода предназначена для создания локального электрического поля или его градиента. Так, например, электрод может представлять собой массив параллельных проводящих полос, каждая из которых связана с источником питания. В результате применения данной конфигурации электрода обеспечивается контролируемое изменение угла между пластинами, как в торсионном электростатического двигателя (см. Фиг.7). В простом случае электроды выполнены в виде полос металла, нанесенных на поверхность пластины. Возможен и другой вариант, когда пластина состоит из двух слоев, полуизолирующего и n+-типа, причем слой n+-типа структурирован для получения электродов в виде массива элементов.As a part of plates and nano-shells - springs, or as a part of plates, or as part of a plate and nano-shells - springs, when they are used as electrodes, the electrode in various special cases of engine realization can be formed as an array of elements. The specified form of the electrode is designed to create a local electric field or its gradient. So, for example, the electrode can be an array of parallel conductive strips, each of which is connected to a power source. As a result of applying this electrode configuration, a controlled change in the angle between the plates is provided, as in a torsion electrostatic engine (see Fig. 7). In the simple case, the electrodes are made in the form of strips of metal deposited on the surface of the plate. Another option is also possible when the plate consists of two layers, a semi-insulating and an n + -type, the n + -type layer being structured to obtain electrodes in the form of an array of elements.
Также, например, электрод в составе пластин (1) и (2) и нанооболочки - пружины (3) может выполняться в виде массива концентрически расположенных проводящих элементов, каждый из которых электрически связан с источником питания. Реализация электрода приведенной формы обеспечивает возможность создания локального электрического поля или его градиента вдоль радиальных прямых и/или вдоль окружностей. Нанооболочка - пружина при этом выполняется также с радиальнойориентацией осей гофров. Реализовать ее можно в виде краевой гофрировки, изготавливая пленочный элемент в форме круга и осуществляя направленное травление к его центру.Also, for example, an electrode consisting of plates (1) and (2) and nano-shells-springs (3) can be made in the form of an array of concentrically arranged conductive elements, each of which is electrically connected to a power source. The implementation of the electrode of the reduced form makes it possible to create a local electric field or its gradient along radial lines and / or along circles. Nano-shell - the spring is also performed with radial orientation of the corrugation axes. It can be realized in the form of edge corrugation, making a film element in the form of a circle and performing directional etching to its center.
В частных случаях выполнения изобретения электростатический микро-, нанодвигатель может быть многокаскадным. Двигатель, приведенный, например, на Фиг.2 или Фиг.7 выполнен однокаскадным. Многокаскадный вариант означает последовательное соединение двух и более однокаскадных двигателей в n каскадов. При многокаскадном исполнении каждая из пластин n-го каскада выполнена с возможностью принадлежности каскаду n-1 или каскаду n+1. Другими словами, верхняя подвижная пластина первого каскада выполняет функцию нижней неподвижной пластины второго каскада, верхняя подвижная пластина второго каскада - функцию нижней неподвижной пластина третьего каскада и так далее. Количество каскадов в микро-, нанодвигателе, их расположение и конкретные формы выполнения задаются на этапе выращивания многослойной гетероэпитаксиальной структуры.In particular cases of the invention, the electrostatic micro-, nanomotor can be multi-stage. The engine shown, for example, in figure 2 or figure 7 is made single-stage. A multi-stage option means the series connection of two or more single-stage motors in n stages. In multi-stage execution, each of the plates of the nth cascade is made with the possibility of belonging to the cascade n-1 or the
В отношении подвижной пластины как в однокаскадном, так и многокаскадном варианте двигателя литографически выполнено ее подвижное крепление (см. Фиг.16а)) к неподвижной пластине (подложке).With respect to the movable plate, both in the single-stage and multi-stage versions of the engine, its movable fastening (see Fig. 16a)) is made lithographically to the fixed plate (substrate).
Нанооболочка - пружина в отношении разных каскадов может отличаться толщиной, и/или высотой гофрировки, и/или формой, и/или пространственной ориентацией. Посредством варьирования указанных параметров возможно прецизионное управление двигателем покаскадно.Nano-shell - the spring in relation to different stages can differ in thickness and / or height of the corrugation, and / or shape, and / or spatial orientation. By varying these parameters, precise motor control is possible in stages.
Микро-, нанодвигатель работает следующим образом. К пластинам (1) и (2) (см. Фиг.2) от источника питания подают напряжение. Пластины выполняют одновременно функцию электродов. Отрабатывая электростатическое воздействие, пластина (2) совершает движение относительно неподвижной пластины (1). В результате последнего формируется воздействие на нанооболочку - пружину (3), приводящее к изменению ее формы и увеличивающее ее коэффициент жесткости, что препятствует при совершении значительного перемещения слипанию пластин (электродов). При снятии с электродов напряжения питания пластина (2) совершает обратный ход, а нанооболочка - пружина (3) принимает свою первоначальную форму.Micro-, nanomotor works as follows. Voltage is applied to the plates (1) and (2) (see FIG. 2) from the power source. The plates simultaneously serve as electrodes. While practicing the electrostatic effect, the plate (2) makes a movement relative to the fixed plate (1). As a result of the latter, an effect is formed on the nano-shell - the spring (3), leading to a change in its shape and increasing its stiffness coefficient, which prevents the adhesion of plates (electrodes) when making a significant movement. When the supply voltage is removed from the electrodes, the plate (2) makes a reverse stroke, and the nanoshell - the spring (3) takes its original shape.
В случае, когда нанооболочка - пружина (3) является также и электродом, электростатическое воздействие отрабатывают не только пластины (1) и (2), но также и гофрировка (см. Фиг.7 и Фиг.15).In the case when the nano-shell - spring (3) is also an electrode, the electrostatic effect is worked out not only by the plates (1) and (2), but also by the corrugation (see Fig. 7 and Fig. 15).
Подобным образом работает и многокаскадный двигатель, напряжение от источника питания подается в отношении каждого из каскадов.A multistage engine works in a similar way, the voltage from the power source is supplied in relation to each of the cascades.
Claims (17)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008122800/06A RU2374746C1 (en) | 2008-06-05 | 2008-06-05 | Electrostatic micro-, nanomotor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008122800/06A RU2374746C1 (en) | 2008-06-05 | 2008-06-05 | Electrostatic micro-, nanomotor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2374746C1 true RU2374746C1 (en) | 2009-11-27 |
Family
ID=41476893
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008122800/06A RU2374746C1 (en) | 2008-06-05 | 2008-06-05 | Electrostatic micro-, nanomotor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2374746C1 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2458451C1 (en) * | 2011-04-12 | 2012-08-10 | Владимир Андреевич Степанец | Method of electromechanical conversion of power |
WO2012125070A1 (en) * | 2011-03-14 | 2012-09-20 | Urmatskikh Anatolii Vasilievich | Micro- and nanodrive |
RU2513030C2 (en) * | 2012-04-10 | 2014-04-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ") | Reversivble rotation electrostatic micromotor |
RU169092U1 (en) * | 2016-09-06 | 2017-03-03 | Андрей Валентинович Пакулин | ELECTRICAL INSTALLATION CONNECTIONS ASSEMBLY |
WO2018117908A1 (en) * | 2016-12-23 | 2018-06-28 | Евгений Анатольевич ОБЖИРОВ | Capacitive electrical machine with internal compression cells |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1174995A2 (en) * | 2000-07-19 | 2002-01-23 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Single stage microactuator for multidimensional actuation with multi-folded spring |
DE10158920A1 (en) * | 2001-11-30 | 2003-06-26 | Uwe Jungnickel | Miniaturisable stepper drive has 2 base parts extending over entire path of translator or rotor, driven by piezoelectric actuator, carrying out identical small amplitude oscillatory opposed motions |
RU2276744C1 (en) * | 2004-11-29 | 2006-05-20 | Институт прикладной механики УрО РАН | Molecular motor |
DE102005018955A1 (en) * | 2005-04-23 | 2006-11-09 | Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh | micropositioning |
RU2312250C2 (en) * | 2005-11-21 | 2007-12-10 | Институт прикладной механики УрО РАН | Molecular motor |
-
2008
- 2008-06-05 RU RU2008122800/06A patent/RU2374746C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1174995A2 (en) * | 2000-07-19 | 2002-01-23 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Single stage microactuator for multidimensional actuation with multi-folded spring |
DE10158920A1 (en) * | 2001-11-30 | 2003-06-26 | Uwe Jungnickel | Miniaturisable stepper drive has 2 base parts extending over entire path of translator or rotor, driven by piezoelectric actuator, carrying out identical small amplitude oscillatory opposed motions |
RU2276744C1 (en) * | 2004-11-29 | 2006-05-20 | Институт прикладной механики УрО РАН | Molecular motor |
DE102005018955A1 (en) * | 2005-04-23 | 2006-11-09 | Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh | micropositioning |
RU2312250C2 (en) * | 2005-11-21 | 2007-12-10 | Институт прикладной механики УрО РАН | Molecular motor |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012125070A1 (en) * | 2011-03-14 | 2012-09-20 | Urmatskikh Anatolii Vasilievich | Micro- and nanodrive |
RU2468494C1 (en) * | 2011-03-14 | 2012-11-27 | Анатолий Васильевич Урмацких | Miniature nanomotor |
RU2458451C1 (en) * | 2011-04-12 | 2012-08-10 | Владимир Андреевич Степанец | Method of electromechanical conversion of power |
RU2513030C2 (en) * | 2012-04-10 | 2014-04-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ") | Reversivble rotation electrostatic micromotor |
RU169092U1 (en) * | 2016-09-06 | 2017-03-03 | Андрей Валентинович Пакулин | ELECTRICAL INSTALLATION CONNECTIONS ASSEMBLY |
WO2018117908A1 (en) * | 2016-12-23 | 2018-06-28 | Евгений Анатольевич ОБЖИРОВ | Capacitive electrical machine with internal compression cells |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10717267B2 (en) | Printing transferable components using microstructured elastomeric surfaces with pressure modulated reversible adhesion | |
RU2374746C1 (en) | Electrostatic micro-, nanomotor | |
Cavallo et al. | Semiconductors turn soft: inorganic nanomembranes | |
Starr et al. | Coupling of piezoelectric effect with electrochemical processes | |
Chen et al. | Mechanical self-assembly of a strain-engineered flexible layer: wrinkling, rolling, and twisting | |
Iwase et al. | Control of buckling in large micromembranes using engineered support structures | |
Hwang et al. | Piezoresistive InGaAs/GaAs nanosprings with metal connectors | |
US9731422B2 (en) | Methods, apparatuses, and systems for micromanipulation with adhesive fibrillar structures | |
CA3048117A1 (en) | Energy harvesting devices and sensors, and methods of making and use thereof | |
Balakrishna et al. | Nanoscale domain patterns and a concept for an energy harvester | |
Tseng | Three-dimensional patterning of nanostructures using atomic force microscopes | |
Zhang et al. | Free-standing Si/SiGe micro-and nano-objects | |
Hussein et al. | Design and fabrication of novel discrete actuators for microrobotic tasks | |
Prinz et al. | Elastic silicon-film-based nanoshells: formation, properties, and applications | |
Syms et al. | Nanostructured 2D cellular materials in silicon by sidewall transfer lithography NEMS | |
Pi et al. | Design, analysis, and characterization of stress-engineered 3D microstructures comprised of PECVD silicon oxide and nitride | |
Tokuda et al. | Fabrication and current-drive of SiGe/Si ‘Micro-origami’epitaxial MEMS device on SOI substrate | |
Wang et al. | Nanofabrication based on MEMS technology | |
Howard et al. | A computational design methodology for assembly and actuation of thin-film structures via patterning of eigenstrains | |
US11713240B2 (en) | Cellular array electrostatic actuator | |
NAMAZU et al. | Novel size effect phenomena in single crystal silicon nanowires | |
Seleznev et al. | Corrugated Semiconductor Nanomembranes Based on Strained Heterostructures: Fabrication and Magnetotransport | |
Deladi et al. | Parallel-beams/lever electrothermal out-of-plane actuator | |
Baracu et al. | Microfabrication and experimental characterization of an Out-of-Plane MEMS switch | |
Grotepaß et al. | Switchable adhesion for wafer-handling based on dielectric elastomer stack transducers |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20110927 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130606 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20140820 |