微机电系统磨损特性研究进展

　　微机电系统(MEMS)是科技发展的前沿,在生物、医学、航天及航空工业等领域具有广泛的应用价值.微旋转机械是MEMS中主要的驱动装置和动力源,具有广阔的应用前景.

　　同宏观机械系统一样,MEMS中也存在着磨损失效问题,磨损无疑限制并危及着MEMS的性能和可靠性[1～3].对于MEMS来说,由于其尺度效应而使表面积增大,接触面更平滑,且与宏观磨损机理明显不同.

　　目前,对微尺度、低表面粗糙度和轻载作用下MEMS及微旋转机械的磨损机理研究和分析模型的建立还很少涉及.微尺度下MEMS及微旋转机械的磨损研究正成为磨损分析的一个新分支.

　　1　微机电系统磨损问题

　　磨损影响MEMS中微旋转机械的性能,使微机构丧失功能而导致完全失效[1,2,4～6].因此,最大限度降低磨损乃至实现无磨损条件,是保证微旋转机械及MEMS功能和寿命的关键.

　　在静电微电机中,微转子和轮毂之间的间隙较小,在转子高速运转时,转子和轴承轮毂频繁接触,且转子内壁的粗糙度较大,容易形成磨粒而产生磨粒磨损,且在静电作用下,转子和极板之间时常出现粘着磨损和氧化腐蚀.ATT贝尔实验室研究了微电机的磨损情况,发现在2 500 r/min高转速下,可以明显地看到轮毂剧烈的磨损和变形[7].磨损缩短了微电机的寿命,限制了其性能的发挥.

　　图1所示为某发动机的磨损失效形貌SEM照片.可见在齿轮上出现磨屑,特别是缝隙中的磨屑较多[8].图2示出了微发动机齿轮、枢轴和凸缘的磨损表面形貌SEM照片[9].图3总结了微电机各元件的磨损问题.MEMS磨损问题的另一方面主要表现为,宏观润滑技术在微系统中的不适用性,在接触过程中,磨损和粘附也会影响旋转微电机装置的可靠性[10,11].

　　2　磨损机理和模型分析

　　2.1　磨损机理分析

　　磨损是相互接触的物体在相对运动中表层材料不断损伤的过程,是伴随摩擦而产生的必然结果.引起MEMS失效的磨损主要有粘着磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损等[9,11,12].粘着磨损的机理建立在材料表面光滑、微观粗糙的基本上,当两表面滑动接触时产生断裂或变形破坏等;磨粒磨损指由于颗粒或突起物使材料产生迁移而造成的磨损,是MEMS中最重要的磨损损伤机制,分为塑性变形和断裂变形2种形式,磨粒磨损将引起犁沟和切削等损伤而导致材料磨损;腐蚀磨损是由于化学作用使材料表面发生损伤,主要有腐蚀和氧化反应2种损伤形式.因此,在MEMS接触表面的相互作用下,表面层将发生擦伤、剥落、吸附、粘着及胶合等破坏形式,而各种复杂的磨损形式为几种基本形式的组合体现,随着工况条件的变化,磨损形式的主次不同,且磨损形式也相应变化.