Implementation of a triboelectrical workstation for the investigation of the influence of electrical parameters on the tribological properties of thin films in real - time

Abstract

La aplicación de películas delgadas se ha incrementado en varios campos de la mecánica (reducción de fricción), la química (sensores de gases químicos) y la electricidad (elementos piezoeléctricos). Además, los nuevos procedimientos para crear películas delgadas permiten a los investigadores la oportunidad de experimentar con nuevos materiales. El objetivo de esta tesis de maestría es desarrollar una estación de trabajo tribo-eléctrica para la investigación sobre la influencia de los parámetros eléctricos sobre las propiedades tribológicas (coeficiente de fricción) de películas delgadas en tiempo real. El sistema esta compuesto por un tribómetro Basalt® MUST (Modular Universal Surface Tester) desarrollado por Tetra GmbH, dos multímetros KEITHLEY Model 2000 Multimeter, una fuente de energía KEITHLEY Model 2400 Series Source Meter ® y una estación de trabajo portátil desarrollado por National Instruments (NI) con un módulo NI PXI-1042 como hardware y un NI PXI-8105 como su computador. Estos equipos fueron interconectados y configurados manualmente para ser controlados mediante un programa desarrollado en LabVIEW 2008. El programa emplea una interfaz gráfica con el usuario para ingresar los parámetros requeridos para un ensayo de tribología sobre una película delgada, también se ingresan los parámetros eléctricos que van a afectar la muestra durante el ensayo tribológico y finalmente guía al usuario para ejecutar dicho ensayo. El programa va ha grabar todos los datos tribológicos y eléctricos recolectados durante le ensayo en un archivo de texto (el coeficiente de fricción de la muestra así como el voltaje y la corriente obtenida durante todo el ensayo). Esta información es filtrada mediante un algoritmo desarrollado en MATLAB para eliminar ruido y los datos innecesarios para el análisis de la muestra. Finalmente, los datos obtenidos se guardaran para un análisis posterior en un programa especializado compatible con el formato de MATLAB (por ejemplo Origin Pro 2016). En conclusión, el sistema proporcionará información detallada sobre el comportamiento del coeficiente de fricción de las películas delgadas sometidas a variaciones eléctricas en un tiempo establecido para analizar resultados con películas delgadas creadas con diferentes materiales y con diferentes métodos de fabricación.

The applications of thin films have been increasing in many fields as Mechanics (friction reduction), Chemistry (sensors for gaseous chemicals) and Electricity (piezoelectric devices). Also the new procedures to create thin films offers to the researchers the opportunity to experiment with new materials. The aim of this master thesis is to develop a triboelectrical workstation to investigate the influence of electrical parameters on the tribological properties of thin films in real-time. The components used for this investigation are one Basalt®MUST tribometer (Modular Universal Surface Tester) developed by Tetra GmbH, two KEITHLEY Model 2000 Multimeters, one KEITHLEY Model 2400 Series Source Meter ® and one portable workstation developed by National Instrument (NI) with a NI PXI-1042 as a cage and a NI PXI-8105 embedded as computer. These devices were interconnected and configured manually to be controlled by a program developed in LabVIEW 2008. The program features a graphical user interface (GUI) to input the tribological parameters, the electrical parameter (current flow) that affects the thin film during the sample and to guide the user to perform the test. Also, the program records all the data of the test (coefficient of friction, voltage and current during the test) in a text file. The obtained data is then filtered using a MATLAB program to remove noise and unnecessary data for further analysis. Finally, the obtained information can be displayed and analysed with any program compatible with MATLAB (for example Origin Pro 2016). In conclusion, the system brings information about the behavior of the coefficient of friction of the thin films affected by a flow of current in real time. This result help to analyse the properties of different thin films created from different material and different methods of fabrication.