微型滚珠轴承系统磨损机制

Brendan Hanrahan^a,b, SaswatMisra^c , C.MikeWaits^d, RezaGhodssi^c,*

^a原材料科学与工程系,马里兰大学，学院市分校,MD20704,美国

^b现橡树岭联保大学奖学金计划,美国陆军研究实验室,2800粉磨路,斯特兰德,MD 20783,美

国

^c电气和计算机工程部门,系统研究所,马里兰大学,2173.V.威廉姆斯,大学公园,MD 20704,美国

^d美国陆军研究实验室,粉磨路2800号,阿代尔费,MD20783,美国

摘要

虽然微型滚珠轴承已经被成功地运用在许多微系统中,但对其摩擦学性能仍然是难以得到一个完整的理解。这篇论文探讨微制造滚珠轴承的磨损机制平台,包括硅和薄膜涂硅水沟/钢球材料系统。球材料的粘附被发现是其主要磨损机制,普遍存在于所有测试材料系统。体积胶磨损率被发现为在4*10⁴至4*10⁵ mu;m³/mN之间，压力诱导相变在裸露的硅调心的接触区域,由Raman spectroscopy发现。对微制造滚珠轴承的磨损机制有一个好的理解将有助于优化操作参数和材料系统的长期可靠性。

关键词：滚动摩擦 微磨损 磨损 轴承 表面分析

1. 简介

滚动轴承是普遍采用的宏观机械提供低摩擦和快速磨损部件接触。目前，滚动轴承技术已经延伸到了微机电系统（MEMS）领域的高性能线性和旋转的微型机械的范畴。微型滚动轴承在材料系统上与微型轴承不同，这是由于硅微细加工技术与对微米与厘米到米100秩序特征尺寸钢筋加工规模都在使用材料系统的宏轴承。对磨损机制的理解，具体是对滚动轴承系统的材料和几何形状的理解，将最终使高性能微机械长期使用。

微型球轴承系统提供长期使用,最小的摩擦和磨损,以及良好的机械稳定性。线性和旋转电机作为动力,传感和驱动应用,如微型泵[1],微型发电机[2],和微电机[3-5]。在微型轴承摩擦已在[6]中被建模和在[7-12]中实验探索。

在微系统的磨损机理不同于宏观的对应物,明显,因此,需要进行具体阐述。造成这种差异的原因是(1)增加的表面与体积比缩放功能,较短的长度尺度,提高影响附着力;(2)具体的材料系统中使用的集成电路的微细加工技术,这是经常的非理想的机械和摩擦学应用。磨损在微机电系统领域的研究通常分为两个实验[13]:原位测试[11-15]其中磨损是定性描述,通过观察或多或设备寿命周期[10],和摩擦磨损试验机的研究[16-18],其中是在光盘上的方法使用的微机电系统材料销发起联系。一个经典的例子原位硅微机械结构的磨损测试由Mehregany等人进行的。在制作多晶硅摆动电机侧驱动[19],电机的转速是一个定子和转子之间的间隙函数,接触轴承的磨损逐渐变化。作者确定有这样一个装置由三个主要的操作制度:老化期,从反应离子刻蚀在承载大的凹凸平滑;磨合期,在电机的速度逐渐增加,表面粗糙度的平滑，与转子滑移区,其中转子速度离开滑动引起的励磁电压。Tambe等人发表了一项研究,突出规模和物质依赖的摩擦现象,使用微摩擦的微观部分和修改的原子力显微镜(AFM)的纳米级的研究[20]。在这项研究中,接触的材料之间的粘合力显示停留时间,有很强的依赖性,湿度,和温度,可对水汽的弯月面力接触点和基板之间的发展有关。此外,一种依赖于摩擦力的速度被发现并用于多材料系统,进一步加强了摩擦学现象强烈地依赖规模的论点.Ku等人通过制造硅推力接触轴承的几何形状作为针盘的方法建立了原位试验和摩擦试验机制的差距[21],作者发现,在所测得的摩擦系数的表面状态的一个显着的依赖和磨损率。这个结果是从样品测试后立即清洗和将氧等离子体样品放在“空气室”15小时。这些研究大部分都集中在滑移区的磨损机制在微纳米尺度的比较推断,对微型的独特领域滚动联系关注较少。

薄膜能极大的影响由于摩擦磨损现象一般发生在表面或近表面接触体系统的摩擦学性能。对摩擦学系统固体薄膜的使用存在两个组织方式:那些被视为润滑和磨损的方式,减少了摩擦。例如,石墨[22]或二硫化钼[23],和那些保持完整和降低化学亲和性的接触面或提高表面的机械性能。固体膜润滑剂通常用在这里很难维持流体膜边界层的情况下,如高负荷或高速运行。硬质薄膜用在碎片的产生是不可容忍的。在微球轴承目前的范畴,硬涂层来改变表面机械为了提高整个系统的摩擦学性能和化学。碳化硅薄膜涂层可以提高微型球轴承减少摩擦系数的性能从0.002到0.0006在裸露的硅沟道[8]。在高负荷(10 - 500mN)类似的SiC涂层滚道断口进行观察,而超纳米金刚石(UNCD)薄膜表现出几乎没有磨损载荷相同的范围[9].bandorf等人采用一种基于薄膜的碳数减少磨损和摩擦系数。这项工作表明:基体力学性能的影响,减少胶带磨损试验磨损深度起到了重要的作用,越来越多的磁带长度(寿命)获得一个给定的磨损深度几乎一个数量级,用聚合物基板与硅[24],同时还发现,增加膜的硬度提高了系统的摩擦学性能。总之,大多数的微磨损研究上述突出的两基板材料的磨损和薄膜性能的重要性。

这项工作探讨磨损机制决定的微型封装的球轴承的微型燃气轮机的平台在性能。破旧的滚道是解剖和磨损机制是利用拉曼光谱和电子色散型X射线光谱分析(EDS)结合扫描电子显微镜(SEM)光学轮廓。摩擦扭矩,这是指示性的磨损,采用自旋向下的减速通过磨合磨损的连续水平评价。这些测试和分析方法,在裸露的硅沟道进行,以及滚涂有碳化硅和氮化钛(TiN)硬质薄膜。一定的荷载和材料的组合将导致一个特定的磨损机理。这样的机制将允许以最小的磨损和最高寿命的工程系统的设计。

2.材料与方法

2.1微型燃气轮机的平台

硅微型燃气轮机作为本研究的实验平台。该装置已在多个刊物先前描述的[11]和[25],对摩擦装置示意图与100米直径285micro;440c不锈钢球所示图1。

图1.(a)嵌入定子与转子的微观摩擦学设备横截面照片

(b)显示装置,转子,定子和键合晶片产生偏心轴承的界面截面示意图

(c)轴承的细节

MTD被选中是因为它可以执行正常负荷解决摩擦测试,具有很高的制造产量和一致的表面质量在比赛。如文献[3]中封装的轴承,可以集成到集成电路制造的流动创造的电机,发电机,和传感器。

MTD的包装允许独立的涡轮和流速的同时测量的速度通过一个光学位移传感器(ODS)对蚀刻equiradial跟踪标志,涡轮输入压力和流量,增压压力和推力。推力室,由一个O形圈密封腔的装置和包装之间产生,可用于可变载荷是作用于转子的速度无关。

MTD转子使用两个硅晶片含有浅层和深层蚀刻比赛半实现偏移轴承粘结界面的制作,三分之一片包括进气歧管层(图1)。偏移键接口是用来防止键合晶片的角接触球。获得补偿的接口和对准坑的同时,采用一种非对称刻蚀方案,在[26]中阐述,一个完成了轴承的尺寸图2.

图2.球轴承室的尺寸示意图

轴承表面已被其特征在于保证测试设备之间的一致性。对滚道表面粗糙度RMS是5纳米。有一个小半径的沟底,蚀刻过程的典型产品。用于接触力学的近似,滚道被假定为是平坦的。侧壁粗糙度是一个蚀刻沉积时间的深反应离子刻蚀(冲动)比功能过程中,发现有160纳米的凹坑。理想的情况下,球会不接触的侧壁由于摩擦力将保持他们在的地方。实际上,并不是所有的球都是在同等负荷由于波纹在滚道的蚀刻工艺,因此,有侧壁间断接触，侧壁磨损的特征在下面。

2.2磨损试验

七微型燃气轮机进行了微型球轴承系统内的磨损机制:五个涡轮机,裸硅滚道和两个涡轮硬质薄膜涂层。测试条件和最终破坏机制进行了表1.

表1.对加速磨损试验的试验条件下硅沟道的总结

硅的滚道磨损是通过一系列的加速磨损试验引起的。执行这些测试,压缩气体用于赋予10到400 mN载荷对转子装置,速度在6000-12000rpm的气流通过涡轮驱动的驱动结构。这些速度是选择最小的球的向心加速度的影响磨损试验,对影响负荷依赖磨损率的涡轮理想为推力轴承的操作(旋转垂直旋转的转子轴滚珠轴)。在连续运行周期,通过绘制速度与输入功率的微型燃气轮机的性能评价,如下面的部分描述(图3)。设备被拆在不同的时间间隔和几何光学轮廓仪测量磨(Veeco WYKO NT 1100),并通过扫描电镜和光学显微镜。

图3.未使用过的滚道在碳化硅涂层,锡薄膜，SiC膜的变化性是由于显著的磨损

2.3硬涂膜

氮化钛和碳化硅薄膜被选取,因为他们具有高硬度和兼容精密加工技术。 连续O2离子和氩离子清洗步骤后碳化硅和氮化钛薄膜喷溅到裸露的硅衬底。 SiC薄膜喷溅在AJA ATV 1800 - v溅射工具250纳米的厚度SiC目标在氩气氛。 室压力维持在2.5毫托和直流溅射源操作没有任何外部衬底加热1千瓦。假设这些条件产生非晶薄膜,支持[27]。

TiN薄膜在反应溅射沉积过程中CVC 610溅射的工具。 首先,薄Ti粘附层沉积在5毫托,和1千瓦,在氩气环境中。 接下来,TiN喷溅的从一个TiN的目标氮离子体30分钟后在2 - 5毫托和1千瓦pre-sputter氮化物表面的目标。 反应性地喷溅的TiN通常是化学计量,柱状晶粒结构[28]。 总膜厚Ti /TiN是250纳米。 这些薄膜的力学性能已经被硬度方法和探索进行了总结表2。

表2.机械性能的薄膜/硅系统通过硬度探测

1. 结果与讨论

3.1 微型燃机性能

微型燃机性能是用来测量一般涡轮的效率,这是详细的状况直接相关。 蚀刻硅种族、镀锡或碳化硅薄膜,调心离开裸进行评估。 感兴趣的两个力学性能、硬度和刚度,这些薄膜的性能见表2。

减少机械变形增加硬度可以减少摩擦磨损两种机制:减少了塑性变形的能量和减少球和滚道之间的接触面积。 MTD内涂层的初始特征详细信息是通过使用上面描述的速度与输入功率性能测试方法。 在这个测试中,转子是传授的法向力12 mN推力腔由于涡轮增压的压力通过轴承泄漏。 这个相对较低的负载足够证明开始迅速穿碳化硅薄膜,而锡涂层和裸露的Si调表现几乎相同。 最初的性能表征的结果,包括碳化硅薄膜的穿着,可以间接地观察到图3通过获得的低速高输入功率。 碳化硅的加速磨损电影将在下一节中讨论。

纯硅涡轮的性能评估与执行,没有清洁超过5500万转(M rev.)更好地理解长期磨损机制。图4强调了两个方面的长期涡轮性能。 MTD性能测量最初然后在进步水平的穿多达205转速,测量前清洗。 插图图比较之前和之后的清洗性能的初始性能代表级别的磨损。 之间的性能特征,该设备运行在100 - mn正常负载加速磨损过程。

图4.为单个MTD磨损变化的性能曲线，(嵌入)的性能表征MTD清洗前后的100启磨损水平,相对于初始值。

显示了MTD性能降解55M和205M之间的启测试,它需要力量达到给定的涡轮速度增加75%。 观察到的性能下降很可能是由于随机弹射和累积的侧壁材料球侧面期间影响操作。图4(嵌入)显示了在100转速性能曲线。 水平后直接测试(预清洗)清洁程序后,显示涡轮性能提高后清洗。图5比较原始的侧壁和后2 M转速测试设备。

图5.SEM图像的轮胎在测试之前和之后的2M rev.平均10000 rpm

观察驱逐磨屑在管道晶片测试,横跨5 m启或更多。图6(a)展示了管道45 m启后晶片从MTD包中删除操作。 磨屑的光环,涡轮叶片的安排后,可以观察到在涡轮出口。图6(b)和(c)的SEM显微图显示了磨屑和随后的EDS化学分析清楚地显示磨损产物主要由铁组成,因此来源于微球。

图5和6表示的是在长期涡轮运行下两个碎片形成的机制。这碎片可以通过超声波设备清洗去除，如图4（插图）所示，在清洗程序后设备恢复可以原有性能。尽管在测试后，钢铁碎片明显增多，侧壁(硅)对球(钢)碎片的影响比重还不得而知。

自旋向下摩擦试验用于水轮机性能测试来比较锡和无涂层硅滚道的摩擦。[10]中描述了自旋向下摩擦试验的测试过程。TiN滚道测试在和无涂层的硅涡轮(10 mN /2 M rev)相同的转子负载/革命度量条件下进行。动态摩擦力矩的初始值(DFT)与TiN和Si滚道相似，详细信息见图7。

尽管拥有更高的硬度，在初始测试中没有观察到可见的摩擦减少。这可能是由于增强表面性质的影响与体积的关系，在减少几何图形系统中一样。

初始测试后，镀锡和硅 MTD以10-mN的转速在正常载荷下以1M rev旋转，然后重新测试。这个过程重复两次。图7 b比较硅和锡涂层在2M rev下的DFT值。它可以观察到，如果滚道保持一致的性能，而锡涂层滚道变得越来越不稳定。DFT测试不超过2M rev的条件下进行行，这样可以检查一个微型燃机破坏性过程的详细信息。

图6（a）45M rev测试后的管道晶片的光学图像（b）磨损碎片的SEM图像（c）SEM图像的化学分析显示喷出的碎片是球材料

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