表面镀Si-DLC膜微机电器件弹塑性接触及摩擦热有限元分析

　　伴随纳米科技的发展,表面镀膜工程成为有效控制摩擦磨损研究的热点[1-3]。Si-DLC膜具有一系列优异的性能,如极高的硬度,低的摩擦因数,极高的耐磨性、导热率和弹性模量,良好的化学稳定性和低的膨胀系数等[4-5],在微机电系统(MEMS)的重要器件和各种高密度信息存储介质表面镀上一层Si-DLC保护膜,可以大大提高器件的表面硬度,降低表面摩擦因数,提高表面抗磨性和降低器件摩擦热应力。表1列出了硅材料和Si-DLC膜的一些物理性能参数。但各种微机电器件表面之间接触摩擦时,会产生大量的摩擦热能,由于微摩擦热实验比较复杂,现有实验条件还不足以对其进行较为深入的研究。利用数值模拟的方法对Si-DLC膜镀膜前后弹性和弹塑性接触阶段的摩擦因数、外加载荷等各参数与接触性能之间的规律以及摩擦热的分布规律进行研究不失为一种有效的方法。

　　1　弹塑性接触有限元分析

　　1·1　镀膜前接触摩擦有限元分析

　　MEMS表面接触中,有点-面、球-面、面-面等多种形式。本文作者仅对球-面接触形式进行分析,其中的球为基于原子力显微镜中的球头探针。

　　为了使计算结果更具有通用性,有利于对结果的讨论和理解,在弹塑性接触的数值模拟过程中,所有相关参数均被量纲一化。

　　1·1·1　材料参数定义

　　假设微机电器件材料为硅(100),参数如表1所示,材料弹性模量E=16 GPa,屈服强度σs=150MPa,泊松比μ=0·3,材料密度ρ=2 330 g/mm3,切变模量选取为Et=0·3E,滑动摩擦因数为0·33。球头探针的材料为Si3N4,其弹性模量选定为500 GPa,泊松比μ=0·26,故可将探针表面等效为刚性目标面。接触分析采用线性弹塑性应变硬化模型[6],采用二维平面应变赫兹接触模型,用力控制加载,同时考虑摩擦和大塑性应变。

　　1·1·2　接触有限元模型的建立

　　Ansys中专用的网格划分算法可以保证在复杂的几何区域内直接划分出高质量的混合网格。取材料的一段表面与球头探针进行接触摩擦有限元分析,采用二维平面应变赫兹接触模型,球头探针为目标面,器件表面为接触面。采用实体平面单元182,目标面和接触面分别采用2D target169和2nd surf171。在接触参数的设定中,表面滑动摩擦因数为0·33,接触协调定义的惩罚函数要和穿透量相适应,以解决收敛时间和精度的矛盾。接触协调条件采用了在接触平衡迭代中增加接触刚度的惩罚函数法和增加附加自由度的拉格朗日乘子法。考虑到接触主要发生在接触的上表面,只需接触表面部分进行加密处理,网格划分后,接触有限元模型如图1所示,总共390个单元, 421个节点。