旋轉(zhuǎn)MEMS中微球軸承的滾動摩擦測試與減摩機制研究結(jié)題摘要

微滾動軸承比平面接觸式微軸承摩擦系數(shù)低，而比非接觸式微軸承支承穩(wěn)定并且硅微制造工藝簡單，因而被當作未來旋轉(zhuǎn)MEMS器件的首選支承。然而迄今為止，對于尺度效應和表面效應影響微滾動摩擦和磨損的機制尚不清楚，已成為阻礙微滾動軸承發(fā)展的瓶頸。本項目開展了如下研究：（1）利用體硅DRIE和鍵合工藝研制一臺能模擬微球軸承真實工況的試驗裝置，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子角位移和法向載荷的在線監(jiān)測，并通過減速實驗獲得了微尺度滾動摩擦力矩隨法向載荷的變化規(guī)律。結(jié)果表明：單個微球-滾道接觸副的滾動摩擦力矩與載荷成亞線性關(guān)系，這一規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果相同。（2）提出了考慮黏附滯后的微尺度滾動摩擦理論模型，考察了微球尺度參數(shù)、相對黏附滯后量、Tabor數(shù)以及外載荷對最大滾動摩擦力矩的影響。結(jié)果表明：由于黏附作用，微尺度下的最大滾動摩擦力矩與外載荷呈亞線性的關(guān)系，且零載荷下的最大滾動摩擦力矩不為零，其無量綱值不僅隨微球尺度參數(shù)的減小而增大，表現(xiàn)出明顯的尺度效應，而且隨相對黏附滯后量及Tabor數(shù)的增加而增加。（3）在微球軸承的單晶硅滾道上利用射頻等離子體增強化學氣相沉積方法(rf-PECVD)制備類金剛石(DLC)膜，研究了類金剛石膜在微滾動接觸下的磨損機理。實驗結(jié)果表明，微球軸承磨損機理主要包括兩個方面：即微球與類金剛石薄膜之間的接觸面在瞬時高溫下受很高的接觸應力作用而產(chǎn)生粘著磨損，以及微球?qū)︻惤饎偸∧な┘又芷谛缘难h(huán)應力而產(chǎn)生薄膜表面疲勞磨損。此外，還研究了微球與表面涂覆DLC薄膜的滾道之間的接觸力學行為，考察了不同DLC薄膜彈性模量和厚度，以及不同微球材料和直徑對微球軸承接觸特性的影響。結(jié)果表明，高彈性模量的厚DLC薄膜可以降低微球軸承滾道表面的最大徑向拉應力和界面剪切應力，但提高了最大接觸壓力；軸承軸向最大von Mises等效應力和界面應力梯度可通過減小DLC薄膜的彈性模量或增加薄膜厚度來降低。本項目研究將為旋轉(zhuǎn)MEMS中微滾動軸承的摩擦學設(shè)計提供理論依據(jù)，并為其減摩抗磨提供關(guān)鍵技術(shù)。 2100433B

微滾動軸承比平面接觸式微軸承摩擦系數(shù)低，而比非接觸式微軸承支承穩(wěn)定并且硅微制造工藝簡單，因而被當作未來旋轉(zhuǎn)MEMS器件的首選支承。然而迄今為止，對于尺度效應和表面效應影響微滾動摩擦和磨損的機制尚不清楚，已成為阻礙微滾動軸承發(fā)展的瓶頸。本項目擬開展如下研究：（1）利用體硅DRIE和鍵合工藝研制一臺能模擬微球軸承真實工況的試驗裝置，為研究微滾動摩擦學特性提供實驗手段；（2）分別通過UMT-2球盤試驗機和所研制的微軸承測試裝置進行不同尺度和工況條件的實驗研究，揭示尺度效應和表面效應對滾動摩擦力矩以及磨損行為的影響機制；（3）在微球軸承的單晶硅滾道上利用射頻等離子體增強化學氣相沉積方法(rf-PECVD)制備類金剛石(DLC)膜，探討類金剛石膜在微滾動接觸下的微觀結(jié)構(gòu)特征和成膜條件，闡明其減摩和耐磨機理。本項目研究將為旋轉(zhuǎn)MEMS中微滾動軸承的摩擦學設(shè)計提供理論依據(jù)，并為其減摩抗磨提供關(guān)鍵技術(shù)。

MEMS陀螺是陀螺儀發(fā)展的一個重要方向。不同于發(fā)展成熟的支懸梁-活動質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的振動微陀螺，本項目提出了一種基于超磁致伸縮材料塊體的固體振子雙輸入軸微陀螺，其結(jié)構(gòu)簡單，無支撐梁，抗沖擊振動能力強；借助于超磁致伸縮材料(GMM)的大應變振動特性，其測量靈敏度高。 本項目主要對超磁致伸縮固體微陀螺的振動模態(tài)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、機電磁系統(tǒng)仿真、制造工藝以及測控方法進行研究，為實現(xiàn)微陀螺裝置奠定理論與實驗基礎(chǔ)。本項目的實施取得了預期成果，主要總結(jié)為： 1、微陀螺的設(shè)計和仿真。根據(jù)GMM數(shù)理模型，采用更具擴展性的弱解方程方法，利用COMSOL軟件計算了GMM振子的振動工作模態(tài)，結(jié)果與壓電-壓磁比擬法的相近。微陀螺的設(shè)計結(jié)構(gòu)由GMM方體振子、平面線圈定子、偏置永磁體和GMR傳感器組成，進行了部件選用和設(shè)計。采用磁矢勢弱解方程法對通電平面線圈和永磁體的空間磁場分布進行了系統(tǒng)級仿真。 2、微陀螺表頭的制造。采用濺射、光刻、電鍍等MEMS工藝，獲得了多種線寬和匝數(shù)的驅(qū)動平面線圈定子。對集成厚金屬結(jié)構(gòu)的發(fā)煙硫酸氧化刻蝕去除SU-8膠模的技術(shù)深入試驗研究，獲得了刻除SU-8膠模的速率曲線，從而提供了一次浸入發(fā)煙硫酸干凈刻除SU-8膠模的時間，避免了反復取出觀測或過刻對金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕；成功集成了厚達500μm的電鑄鎳微結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)，成功組裝了長寬高尺寸之和不大于20mm的磁致伸縮固體振子微陀螺表頭。 3、微陀螺的驅(qū)動及檢測電路。為微陀螺表頭設(shè)計了激勵信號發(fā)生電路（采用DDS芯片）、恒電流輸出線圈驅(qū)動電路、GMR磁場信號檢測電路和信號解調(diào)處理電路，進行了電路仿真分析和PCB板制作。 4、微陀螺的測試實驗。利用LCR儀測量了定子平面線圈的阻抗，為表頭中上下定子驅(qū)動線圈的配對選取提供參考。采用鎖相放大器分別利用定子平面線圈和繞制線圈進行掃頻激勵，測量了GMM體振子的阻抗頻率特性曲線，二者測得微陀螺GMM振子的工作諧振頻率基本相同，證明了本微陀螺采用雙側(cè)平面線圈的激振方式使GMM振子工作在驅(qū)動諧振頻率上是可行的。對微陀螺表頭及其測控電路進行了聯(lián)調(diào)，發(fā)現(xiàn)微陀螺能靈敏地檢測輸入角速度的變化，證明了設(shè)計結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn)方案在原理上是可行的。 上述研究成果已發(fā)表6篇學術(shù)論文，其中SCI/EI已檢索英文論文5篇；申請發(fā)明專利2項；培養(yǎng)畢業(yè)碩士生2名。 2100433B

微型固態(tài)振動陀螺結(jié)構(gòu)簡單，抗沖擊能力強，適合MEMS技術(shù)制作，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦屯勇輧x。相比帶支懸梁的微機械振動陀螺，本項目創(chuàng)造性地將超磁致伸縮材料整體作為振子，基于MEMS技術(shù)制成無支懸梁的固體微陀螺，主要特點如下：（1）超磁致伸縮體伸縮振幅大，可極大提高微陀螺檢測的靈敏度；（2）結(jié)構(gòu)簡單，無支撐梁，抗沖擊抗震動能力強;（3）易于微加工批量制造，對真空封裝無特殊要求；（4）驅(qū)動電壓低，起振時間極短，因而陀螺啟動時間短。（5）將巨磁阻（GMR）敏感元件集成于陀螺本體上，提高了檢測分辨率，且體積小；（6）可同時測量二軸角速率。本項目主要對超磁致伸縮固體微陀螺的工作機理、機電磁系統(tǒng)仿真、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、基于非硅MEMS技術(shù)的制造工藝以及測控方法進行深入研究，為實現(xiàn)較高測量靈敏度的、多軸微固體陀螺裝置奠定理論與實驗基礎(chǔ)。本項目屬機械、材料、測控、電子等交叉學科課題，學術(shù)價值高，應用前景廣泛。

國內(nèi)的RF MEMS開關(guān)研究已經(jīng)有很大的進步，很多已報道的開關(guān)都具有很優(yōu)良的性能，但與國外的研究相比，在性能和可靠性上還有一定差距，并且在結(jié)構(gòu)上還有些簡單，可靠性也有待提高，還有很多方面需要提高：

( 1) 由于電磁驅(qū)動的RF MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)的特殊性，使得磁場分布不均勻，漏磁比較多，必須研究優(yōu)化電磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的方法以減小功耗和提高驅(qū)動力。

( 2) 為了能滿足射頻器件集成化和微型化的要求，電磁驅(qū)動RF MEMS開關(guān)需要制作更小尺寸線圈。

( 3) 加快RF MEMS開關(guān)可靠性研究，金屬接觸以及開關(guān)失效原因的研究是提高開關(guān)壽命有效途徑。

( 4) 封裝問題是MEMS產(chǎn)品實現(xiàn)商品化的前提，因為MEM S產(chǎn)品容易受周圍環(huán)境的影響，RF MEMS電路正常工作很大程度上取決于由封裝所提供的內(nèi)部環(huán)境與保護。而有關(guān)MEMS封裝的研究還處于初級階段，MEMS器件的多樣性和非密封性往往需要為每種器件單獨開發(fā)相應的封裝技術(shù)，需要在不影響MEMS器件性能的前提下，為設(shè)計者提供一系列標準化的封裝技術(shù)。