【摘 要】
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纳米科技促进了硅基微机电系统(MEMS)的迅速发展,大量MEMS 需要工作于潮湿/水环境下,然而环境中的水分在MEMS 的磨损过程中起到了重要作用并影响着MEMS 的使用寿命.目前有关单晶硅在潮湿/水环境下的微磨损知之甚少,亟需开展相关研究.本文采用原子力显微镜(AFM)和SiO2 微球,研究了Si/SiO2 配副在不同湿度的大气环境和水环境下的微观磨损行为.结果表明,当载荷为3 μN(最大赫兹接
【机 构】
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西南交通大学 摩擦学研究所,四川 成都 610031
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纳米科技促进了硅基微机电系统(MEMS)的迅速发展,大量MEMS 需要工作于潮湿/水环境下,然而环境中的水分在MEMS 的磨损过程中起到了重要作用并影响着MEMS 的使用寿命.目前有关单晶硅在潮湿/水环境下的微磨损知之甚少,亟需开展相关研究.本文采用原子力显微镜(AFM)和SiO2 微球,研究了Si/SiO2 配副在不同湿度的大气环境和水环境下的微观磨损行为.结果表明,当载荷为3 μN(最大赫兹接触压力1.1GPa)时,单晶硅在水下的磨损十分轻微,其磨损深度不到大气环境(RH=50％)下的10％.为此本文同时开展了单晶硅/金刚石配副在大气和水环境下的微观磨损对比实验.结果表明,在载荷20 μN(最大赫兹接触压力6.3 GPa,低于单晶硅的屈服极限7.0 GPa)作用下,单晶硅在大气和水下的损伤均表现为较轻微的隆起.因此,Si/SiO2 配副在湿空气和水环境下的磨损主要是由摩擦化学所主导,并且在水环境下其摩擦化学反应被抑制.为了进一步研究水分在Si/SiO2 配副磨损过程中起到的作用,本文又开展了不同湿度的大气环境下单晶硅的磨损实验(如图1 所示).研究表明,当载荷为3 μN、环境的相对湿度低于10％时,单晶硅表面会产生轻微的隆起,之后随着湿度的增加(RH<50％)其磨损会由隆起转变为沟槽并且深度逐渐增加.然而,当湿度进一步增加时,单晶硅表面的沟槽深度会逐渐降低直至水环境下的轻微磨损.通过疏水硅在水环境下的对比实验表明,单晶硅表面存在的自然氧化层是产生上述现象的一个重要原因.本研究有助于理解水分对单晶硅微观磨损的影响机制,从而为工作于潮湿/水环境下的MEMS 摩擦学优化设计提供参考.
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