DLC膜制备、微摩擦性能及其在MEMS中防粘附应用研究

论文摘要

摩擦、磨损和粘附问题已经成为影响微机电系统（Microelectromechanical Systems,MEMS）性能和可靠性的主要因素。微构件材料表面改性被认为是改善摩擦、降低磨损、减少粘附、提高系统稳定性的有效手段。本文针对MEMS中微构件表面改性问题,对类金刚石（Diamond-like carbon,DLC）膜制备与表征、MEMS工况条件下DLC膜摩擦学行为及其在解决多晶硅悬臂梁粘附问题的应用等三方面内容进行了重点研究。 首先采用非平衡磁控溅射、等离子体源离子注入和等离子体辅助化学气相沉积三种工艺制备DLC膜,研究制备方法和工艺条件对DLC膜结构和性能的影响。研究结果显示,对于非平衡磁控溅射法,最佳的衬底偏压为50V,靶基距为150mm;对于等离子体源离子注入法,最佳的脉冲电压为20kV,高压脉冲频率为100Hz;对于等离子辅助化学气相沉积法,最佳的衬底偏压为100V;化学气相沉积法DLC膜的红外吸收光谱表明膜中H的含量较高;憎水性能测试表明,化学气相沉积法DLC膜的接触角（90°左右）最高,具有最低的表面能;等离子体源离子注入法DLC膜的纳米硬度最高,为14.6Gpa。结合DLC膜结构与性能分析的结果,初步探讨了DLC膜成膜机理。 分别利用摩擦磨损试验机和AFM研究制备方法和摩擦实验条件对DLC膜摩擦性能的影响。研究结果表明,制备的薄膜具有低摩擦系数、较好的耐磨性能;采用摩擦试验机摩擦实验时,增加载荷和滑动次数可以促进DLC膜表层石墨化及摩擦副表面石墨化转移膜的形成,从而降低摩擦系数;AFM摩擦实验时,发现DLC膜微观摩擦力变化与其表面形貌相互对应,但是,峰值位置存在一定偏移;微磨损的结果表明,DLC膜的磨损深度与磨损循环次数呈非线性关系,表明DLC膜最表层的微观抗磨损能力较薄膜内部差。两种摩擦实验结果对比表明,载荷为mN量级时,摩擦副的滑动速度增加使摩擦系数有减小趋势;载荷在nN量级时,摩擦副的滑动速度对摩擦系数影响较小。 详细讨论了影响MEMS中粘附问题的因素,同时以解决多晶硅悬臂梁粘附问题为例,研究DLC膜在解决MEMS中粘附问题的作用,深入探讨了多晶硅悬臂梁粘附模型,分析了多晶硅悬臂梁与衬底间单位面积上的粘附能。研究结果表明,衬底上有DLC膜时,未发生粘附的多晶硅悬臂梁长度明显增加,DLC膜降低了悬臂梁与衬底之间的毛细引力和固体间粘着力,可以有效抑制多晶硅悬臂梁粘附问题。 研究结果为DLC膜用于MEMS中微构件材料表面改性提供了重要的参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 MEMS技术
• 1.2 MEMS中摩擦学研究进展
• 1.2.1 MEMS中摩擦学特征
• 1.2.2 MEMS中摩擦学问题的研究
• 1.3 MEMS中粘附问题
• 1.4 MEMS表面改性研究进展
• 1.5 DLC膜摩擦特性研究
• 1.6 本文的研究内容
• 2 DLC膜的制备
• 2.1 引言
• 2.2 DLC膜制备方法概述
• 2.2.1 物理气相沉积
• 2.2.2 化学气相沉积
• 2.3 MW-ECR-PSⅡ设备的结构和工作原理
• 2.4 DLC膜制备
• 2.4.1 衬底前处理
• 2.4.2 非平衡磁控溅射（UMS）法制备DLC膜工艺
• 2.4.3 等离子体源离子注入（PSⅡ）法制备DLC膜工艺
• 2.4.4 等离子体辅助化学气相沉积（PECVD）DLC膜工艺
• 2.5 小结
• 3 DLC膜结构与性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 拉曼光谱（Raman）
• 3.3 X射线光电子谱（XPS）
• 3.4 傅立叶变换红外吸收光谱（FT—IR）
• 3.5 DLC膜的表面形貌
• 3.6 DLC膜硬度表征
• 3.7 DLC膜憎水性能测试
• 3.8 DLC膜成膜机理初步探讨
• 3.9 小结
• 4 应用于MEMS的DLC膜微摩擦磨损研究
• 4.1 引言
• 4.2 摩擦试验机表征DLC膜的摩擦学特性
• 4.2.1 摩擦性能
• 4.2.2 磨损性能
• 4.2.3 膜与衬底结合性能
• 4.3 AFM测试DLC膜的摩擦学特性
• 4.3.1 AFM摩擦实验原理
• 4.3.2 DLC膜微观摩擦性能
• 4.3.3 DLC膜微观磨损性能
• 4.4 DLC膜微观摩擦模型探讨
• 4.5 小结
• 5 DLC膜用于解决多晶硅悬臂梁粘附问题的研究
• 5.1 引言
• 5.2 MEMS中粘附机制
• 5.3 多晶硅悬臂梁阵列的制备
• 5.4 结果与讨论
• 5.5 多晶硅悬臂梁与衬底间单位面积上的粘附能
• 5.6 小结
• 结论
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书