微机电系统中的微观黏滑、黏附与控制

　　微机电系统(micro electromechanical system,MEMS)中表界面间的微观摩擦特性直接影响着微器件的工作性能、稳定性和可靠性.随着尺度减小和表面效应明显,表界面间微观作用力(范德华力、静电力及毛细力等)逐渐起主导作用,表面力作用下的黏着接触会导致微构件黏附失效、运动黏滑以及表面磨损等一系列问题.例如,采用表面硅工艺制作的微马达转子,靠正、负表面电极之间的静电作用连续驱动,速度高达100 000 r/min,但转子和定子界面之间的间歇性接触及转子和轮辐之间的直接接触造成了严重的磨损问题,而接触表面之间的黏附也限制了运动的重复性和稳定性,甚至阻滞了相对运动[1].因此,MEMS中的微摩擦控制问题包括两个方面:一方面是摩擦稳定性的控制问题,即防止摩擦副间歇性黏滑的发生;另一方面是摩擦失效的控制问题,即黏附失效和磨损失效的防止.两方面的共性问题是微观表面力作用下的黏着接触,其与接触表面的间隙、表面形态、表面能及表层材料的力学性质等因素密切相关.

　　本文将基于对黏滑规律的揭示、黏滑行为的控制、黏附失效的防止等方面对MEMS中的微摩擦问题进行研究,并从结构设计、表面修饰及运动控制等方面提出有效措施.

　　1　MEM S中微观黏着接触与黏滑

　　通常,微观摩擦研究对象为极轻载荷条件下极光滑表面之间的摩擦,即两表面之间在原子分子尺度上的力学行为.研究表明,微尺度下的表面黏着力一般比外加载荷对微摩擦的作用大,即使在零载荷甚至负载荷情况下,相对滑动表面间仍存在摩擦力,且呈现出强烈的黏滑现象.黏滑现象使接触表面的相对运动呈现不连续跳跃,从而导致摩擦力和滑动速度的不稳定,进而诱发摩擦振动[2].黏滑是微观摩擦的突出特征,因而抑制黏滑发生是保证微机械正常工作的关键技术.采用原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)测得的微观表面摩擦学信号如图1所示,图中示出了由于黏滑导致的Friction Loop现象[3].

　　1.1　微观黏着接触模型

　　传统的接触理论如Hertz接触模型由于不计入表面力和黏着滞后的影响,因此难于反映黏着力占主导的微尺度接触行为.后续发展的JKR模型计入了接触区域内部短程表面力的影响,DMT模型考虑了接触区域外长程表面力的作用,M2D模型则采用无量纲黏着数统一了上述的两种表面力,该模型是模拟分析微尺度下黏着接触的主要理论之一[4].此外,微观表面测试仪器的出现也极大地推动了微观摩擦与接触研究的进展.表面力仪(SFA)及扫描力显微镜(SPM,包括AFM)的出现,使得对微尺度下表面形态和相互作用的实验研究成为可能,进而从本质上探究微观摩擦的机理,并与黏着接触理论进行对比研究.