旋轉(zhuǎn)MEMS中微球軸承的滾動(dòng)摩擦測(cè)試與減摩機(jī)制研究項(xiàng)目摘要

微滾動(dòng)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(jiǎn)單，因而被當(dāng)作未來(lái)旋轉(zhuǎn)MEMS器件的首選支承。然而迄今為止，對(duì)于尺度效應(yīng)和表面效應(yīng)影響微滾動(dòng)摩擦和磨損的機(jī)制尚不清楚，已成為阻礙微滾動(dòng)軸承發(fā)展的瓶頸。本項(xiàng)目擬開展如下研究：（1）利用體硅DRIE和鍵合工藝研制一臺(tái)能模擬微球軸承真實(shí)工況的試驗(yàn)裝置，為研究微滾動(dòng)摩擦學(xué)特性提供實(shí)驗(yàn)手段；（2）分別通過(guò)UMT-2球盤試驗(yàn)機(jī)和所研制的微軸承測(cè)試裝置進(jìn)行不同尺度和工況條件的實(shí)驗(yàn)研究，揭示尺度效應(yīng)和表面效應(yīng)對(duì)滾動(dòng)摩擦力矩以及磨損行為的影響機(jī)制；（3）在微球軸承的單晶硅滾道上利用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)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(dòng)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(jī)理。本項(xiàng)目研究將為旋轉(zhuǎn)MEMS中微滾動(dòng)軸承的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，并為其減摩抗磨提供關(guān)鍵技術(shù)。

微滾動(dòng)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(jiǎn)單，因而被當(dāng)作未來(lái)旋轉(zhuǎn)MEMS器件的首選支承。然而迄今為止，對(duì)于尺度效應(yīng)和表面效應(yīng)影響微滾動(dòng)摩擦和磨損的機(jī)制尚不清楚，已成為阻礙微滾動(dòng)軸承發(fā)展的瓶頸。本項(xiàng)目開展了如下研究：（1）利用體硅DRIE和鍵合工藝研制一臺(tái)能模擬微球軸承真實(shí)工況的試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子角位移和法向載荷的在線監(jiān)測(cè)，并通過(guò)減速實(shí)驗(yàn)獲得了微尺度滾動(dòng)摩擦力矩隨法向載荷的變化規(guī)律。結(jié)果表明：?jiǎn)蝹€(gè)微球-滾道接觸副的滾動(dòng)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(dòng)摩擦理論模型，考察了微球尺度參數(shù)、相對(duì)黏附滯后量、Tabor數(shù)以及外載荷對(duì)最大滾動(dòng)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(dòng)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(dòng)摩擦力矩不為零，其無(wú)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(yīng)，而且隨相對(duì)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(qiáng)化學(xué)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(dòng)接觸下的磨損機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微球軸承磨損機(jī)理主要包括兩個(gè)方面：即微球與類金剛石薄膜之間的接觸面在瞬時(shí)高溫下受很高的接觸應(yīng)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(yīng)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(xué)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(duì)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(yīng)力和界面剪切應(yīng)力，但提高了最大接觸壓力；軸承軸向最大von Mises等效應(yīng)力和界面應(yīng)力梯度可通過(guò)減小DLC薄膜的彈性模量或增加薄膜厚度來(lái)降低。本項(xiàng)目研究將為旋轉(zhuǎn)MEMS中微滾動(dòng)軸承的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，并為其減摩抗磨提供關(guān)鍵技術(shù)。 2100433B

MEMS陀螺是陀螺儀發(fā)展的一個(gè)重要方向。不同于發(fā)展成熟的支懸梁-活動(dòng)質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的振動(dòng)微陀螺，本項(xiàng)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(jiǎn)單，無(wú)支撐梁，抗沖擊振動(dòng)能力強(qiáng)；借助于超磁致伸縮材料(GMM)的大應(yīng)變振動(dòng)特性，其測(cè)量靈敏度高。 本項(xiàng)目主要對(duì)超磁致伸縮固體微陀螺的振動(dòng)模態(tài)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)電磁系統(tǒng)仿真、制造工藝以及測(cè)控方法進(jìn)行研究，為實(shí)現(xiàn)微陀螺裝置奠定理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。本項(xiàng)目的實(shí)施取得了預(yù)期成果，主要總結(jié)為： 1、微陀螺的設(shè)計(jì)和仿真。根據(jù)GMM數(shù)理模型，采用更具擴(kuò)展性的弱解方程方法，利用COMSOL軟件計(jì)算了GMM振子的振動(dòng)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(jì)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(jìn)行了部件選用和設(shè)計(jì)。采用磁矢勢(shì)弱解方程法對(duì)通電平面線圈和永磁體的空間磁場(chǎng)分布進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)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(dòng)平面線圈定子。對(duì)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(yàn)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(shí)間，避免了反復(fù)取出觀測(cè)或過(guò)刻對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕；成功集成了厚達(dá)500μm的電鑄鎳微結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，成功組裝了長(zhǎng)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(dòng)及檢測(cè)電路。為微陀螺表頭設(shè)計(jì)了激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路（采用DDS芯片）、恒電流輸出線圈驅(qū)動(dòng)電路、GMR磁場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)電路和信號(hào)解調(diào)處理電路，進(jìn)行了電路仿真分析和PCB板制作。 4、微陀螺的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。利用LCR儀測(cè)量了定子平面線圈的阻抗，為表頭中上下定子驅(qū)動(dòng)線圈的配對(duì)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(jìn)行掃頻激勵(lì)，測(cè)量了GMM體振子的阻抗頻率特性曲線，二者測(cè)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(dòng)諧振頻率上是可行的。對(duì)微陀螺表頭及其測(cè)控電路進(jìn)行了聯(lián)調(diào)，發(fā)現(xiàn)微陀螺能靈敏地檢測(cè)輸入角速度的變化，證明了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及其實(shí)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(xué)術(shù)論文，其中SCI/EI已檢索英文論文5篇；申請(qǐng)發(fā)明專利2項(xiàng)；培養(yǎng)畢業(yè)碩士生2名。 2100433B

微型固態(tài)振動(dòng)陀螺結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗沖擊能力強(qiáng)，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(jī)械振動(dòng)陀螺，本項(xiàng)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(wú)支懸梁的固體微陀螺，主要特點(diǎn)如下：（1）超磁致伸縮體伸縮振幅大，可極大提高微陀螺檢測(cè)的靈敏度；（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)支撐梁，抗沖擊抗震動(dòng)能力強(qiáng);（3）易于微加工批量制造，對(duì)真空封裝無(wú)特殊要求；（4）驅(qū)動(dòng)電壓低，起振時(shí)間極短，因而陀螺啟動(dòng)時(shí)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(cè)分辨率，且體積??；（6）可同時(shí)測(cè)量二軸角速率。本項(xiàng)目主要對(duì)超磁致伸縮固體微陀螺的工作機(jī)理、機(jī)電磁系統(tǒng)仿真、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、基于非硅MEMS技術(shù)的制造工藝以及測(cè)控方法進(jìn)行深入研究，為實(shí)現(xiàn)較高測(cè)量靈敏度的、多軸微固體陀螺裝置奠定理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。本項(xiàng)目屬機(jī)械、材料、測(cè)控、電子等交叉學(xué)科課題，學(xué)術(shù)價(jià)值高，應(yīng)用前景廣泛。

國(guó)內(nèi)的RF MEMS開關(guān)研究已經(jīng)有很大的進(jìn)步，很多已報(bào)道的開關(guān)都具有很優(yōu)良的性能，但與國(guó)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(jiǎn)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(dòng)的RF MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)的特殊性，使得磁場(chǎng)分布不均勻，漏磁比較多，必須研究?jī)?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(dòng)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(dòng)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(wèn)題是MEMS產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)商品化的前提，因?yàn)镸EM 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(hù)。而有關(guān)MEMS封裝的研究還處于初級(jí)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(dú)開發(fā)相應(yīng)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(jì)者提供一系列標(biāo)準(zhǔn)化的封裝技術(shù)。