體製造旋轉MEMS側壁面的高速納米磨損研究

《體製造旋轉MEMS側壁面的高速納米磨損研究》是依託河海大學，由孫甲鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：體製造旋轉MEMS側壁面的高速納米磨損研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：孫甲鵬
• 依託單位：河海大學

項目摘要

納米磨損是限制旋轉MEMS實用化、市場化的關鍵因素之一。由於旋轉MEMS的滑動速度比納米磨損研究的主要儀器—原子力顯微鏡和摩擦力顯微鏡的典型速度高出5-6個數量級，加之磨損發生在具有特殊微觀形貌和損傷的側壁面，已有的納米磨損理論不能完全適用於旋轉MEMS。申請項目針對旋轉MEMS的磨損工況，提出一種側壁面“高速”納米磨損的片外測試方案；建立考慮多尺度微觀形貌和損傷的側壁面分子動力學模型，融合實驗和模擬，開展高速條件下典型體製造技術—DRIE（反應離子深刻蝕）加工的矽側壁面的納米磨損研究。在分析旋轉MEMS磨損特性和磨損規律的基礎上，查明納米磨損的微觀機理，建立磨損模型。進一步研究滑動速度、載荷對磨損性能和磨損機理的影響規律及轉變機制，繪製大速度跨度內矽納米磨損的磨損圖；建立DRIE工藝參數—側壁面形貌和損傷—磨損性能之間的定量關係，最佳化DRIE工藝，提出改善旋轉MEMS納米磨損性能的措施。

結題摘要

納米磨損是限制旋轉MEMS實用化、市場化的關鍵因素之一。由於旋轉MEMS的滑動速度比納米磨損研究的主要儀器—原子力顯微鏡和摩擦力顯微鏡的典型速度高出5-6個數量級，加之磨損發生在具有特殊微觀形貌和損傷的側壁面，已有的納米磨損理論不能完全適用於旋轉MEMS。本項目採用分子動力學模擬和實驗研究相結合的方法，開展了高速條件下矽側面的磨損和矽的基礎納米力學行為研究。研究工作首先研究了納米尺寸下單晶矽的力學行為和塑性變形機制；分析了單晶矽納米力學行為的各向異性；從原子尺度上揭示了單晶矽高壓相變和位錯驅動的塑性變形機制和發生條件；闡明了壓頭尺寸依賴的彈塑性轉變及其機理。揭示了納米矽納米壓痕中多個pop-in行為的高壓相變和擠出機理。進而研究了矽納米尺寸下的摩擦磨損行為；揭示了粗糙的矽側壁面摩擦行為和摩擦法則以及矽側壁面的磨損機制；發現了側壁面粗糙所致非線性到線性摩擦法的轉變；分析了單晶矽納米磨損所致單晶矽的塑性變形和損傷機制；闡明了磨料尺寸依賴的塑性變形和損傷機制轉變，即小尺寸磨料促進高壓相變的發生，大尺寸磨料導致位錯缺陷的形成。當磨料的尺寸小於某一臨界值，將會發生無缺陷的磨損，磨損過程將會由高壓相變主導。