（材料加工工程专业论文）单晶硅与镍钛形状记忆合金的划痕损伤研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 目前，信息、生物、先进制造等高新技术领域的微型化趋势极大地促进 了微机电系统的发展。然而，表面和尺寸效应导致微机电系统产生了严重的 粘着、摩擦与磨损问题。单晶硅基于其优良的物理、机械性能，已经作为典 型的结构材料被广泛地应用于微机电系统中。n i t i 合金具有形状记忆和超弹 特性，是研制微机电系统传感器和驱动器的理想材料。因此，对它们微观磨 损性能的研究，一方面可以丰富相关的纳米摩擦学的基础知识，其结果也可 为高可靠性和长寿命微机电系统的研制提供理论指导。 本论文采用纳米压划痕仪和原子力显微镜，分别对单晶硅和具有形状记 忆效应的镍钛( s m en m ) 合金进行了划痕损伤研究。一方面，观察了单晶 硅划痕损伤随载荷变化的整个过程，对比了单晶硅( 1 0 0 ) 与单晶硅( 1 1 1 ) 划痕损伤的异同，并讨论了针尖曲率半径对单晶硅划痕损伤的影响。另一方 面，观察了s m en i t i 合金划痕损伤随划痕循环次数的变化过程，表征了升 温到1 0 0o c 后划痕损伤的恢复情况，讨论了界面摩擦力与犁沟摩擦力的变化 与竞争关系，分析了n i t i 合金往复划痕下的微观摩擦机理。本论文的主要结 论如下： 1 随载荷的增大，单晶硅( 1 0 0 ) 的划痕损伤先后经历了凸结构形成、凸起 与凹槽并存和材料去除三个阶段。在低载下进行划痕实验时，硬度与弹 性模量较小的单晶硅( 1 0 0 ) 上形成的凸起较单晶硅( 1 1 1 ) 上形成的凸 起显著；小曲率半径的针尖在单晶硅( 1 0 0 ) 上产生较大的凸结构。 2 单晶硅( 1 0 0 ) 的划痕损伤与其接触区的应力状态和环境气氛密切相关， 表明其损伤初期凸结构的形成应当是摩擦化学与机械变形共同作用的结 果。 3 随着划痕循环次数的增加，s m en i t i 合金划痕损伤的深度逐渐增大并趋 于稳定。s m en i t i 合金在常温下进行划痕实验时，其变形主要通过孪晶 界的移动方式进行。加热过程中，由于发生了马氏体向奥氏体的转变， s m en i t i 合金划痕损伤得到一定的恢复。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 4 随划痕循环次数的增加，s m en i t i 合金划痕过程中的界面摩擦力逐渐增 大并趋于稳定，而犁沟摩擦力和总摩擦力逐渐减小并趋于稳定。 关键词：划痕损伤；单晶硅；镍钛形状记忆合金；纳米摩擦学；微机电系统 n o w a d a y s ，t h e b i o t e c h n o l o g y a n d a b s t r a c t m i n i a t u r i z a t i o n t r e n d si nt h e a r e a so fi n f o r m a t i o n ， a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g h a v e g r e a t l yp r o m o t e d t h e d e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) h 0 w e v e r 1 h e s un ! a c c a n ds i z ee 骶c t sh a v ei n d u c e dt h es e v e r ea d h e s i o n ，f r i c t i o n a n dw e a s s u e s1 n m e m s b a s e do n t h e i re x c e l l e n tp h y s i c a l a n dm e c h a n i c a lp o p e n l e s ， m o n o c r y s t a l l i n es i l i c o n h a sb e e nw i d e l yu s e di nm e m sa st y p i c a l s t r u c t u r a j m a t e r i a l b e c a u s eo fi t ss h a p em e m o r ye f f e c t ( s m e ) a n ds u p e re l a s t l c l y ( s e ) ， n ma i i o yi st h ei d e a lc a n d i d a t em a t e r i a l f o rm i c r o s e n s o r sa n dm l c r o a c t u a t o f s 1 l l e r e f o r e ，t h er c s c a r c ho nt h e i rm i c r o w e a rb e h a v i o r s c a nn o to n l yt r a p r 0 v eo u r u n d e r s t a n d i n go nn 柚o t r i b o l o g y ，b u ta l s op r o v i d et h e o r e t i c a l g u i d a n c cf o rh l g h r e l i a b i l i t ya n dl o n g - l i f em e m s b a s e do nn 狃o _ h a r d n e s s s c r a t c h t e s t e ra n da t o m i cf o r c em i c r q s c o p y ，t n e s c t a t c hb e h a v i o ro fs i l i c o n ( 1 0 0 ) a n ds m e n i t ia l l o yw a gs t u d i e d - b 毗ht h el o a d e 骶c t 柚dt i pr a d i i 洫c to nt h es c r a t c hb e h a v i o ro f s i l i c o n ( 1 0 0 ) w e r ed l s 叫s s e d - n en u m b e ro fs c r a t c hc y c l e se f f e c to nt h ed a m a g eb e h a v i o ro fs m e n i 币a l l o y w a si n v e s t i g a t e d t h er e c o v e r yo f t h es c r a t c hs c a rw a sc h a r a c t e f i z e d b yh e a t m g t o 1 0 0 。c t h ec o r e p e t i t i o no fi n t e r f a c ef r i c t i o n a n dp l o u g hf r i c t i o nw a sd l s c u s s e d t h em i c r o - f r i c t i o n m e c h a n i s m o fs m en i t ia l l o y w a sa n a l y z e d u n d c r r e c i p 舢t i n g s c r a t c h e s t h em a i nc o n c l u s i o n sc a n b es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 w i t ht h ei n c r e a s e i nl o a d ，t h es c r a t c hd a m a g eo fs i l i c o n ( 1 0 0 ) h a sg o n e t h r o u g l l t h r e es t a g e s ：t h ef o r m a t i o no fu p h e a v a l ，u p h e a v a l - e x l s t w l m g r o o v ea n dm a t e r i a lr e m o v a l a st h e s c r a t c he x p e r i m e n t w a sp e 南咖e da tl o w l o a d ，t l l eu p h e a v a lo ns i l i c o n ( 1 0 0 ) w a s m o r er e m a r k a b l et h a no ns l l l c o n 【1 1 1 ) b e c a u s eo fi t sl o w e rh a r d n e s sa n dm o d u l u so fe l a s t i c i t y , a n dt h eu p h e a v a l w a u s h i g h e rw h e n t h es c r a t c ht i p sr a d i u si ss m a l l e r 2 t l l es c r a t c hd 锄a g eo fs i l i c o n ( 1 0 0 ) i sc l o s e l yr e l a t e d t ot h ec o n a c s t r e s sa n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 t h ee n v i r o n m e n t ，w h i c hs u g g e s t e dt h a tt h ei n i t i a lf o r m a t i o no fu p h e a v a li s i n d u c e db yf r i c t i o n c h e m i c a la c t i o na n dm e c h a n i c a ld e f o r m a t i o n 3 t h es c r a t c hd e p t ho fs m en i t ia l l o yi sg r a d u a l l yi n c r e a s i n ga n dt e n d st o s t a b i l i z ew i t ht h ei n c r e a s ei nt h en u m b e ro fc y c l e s a st h es c r a t c he x p e r i m e n t w a sc o n d u c t e da tr o o mt e m p e r a t u r e ，t h ed e f o r m a t i o no fs m en i t ii sm a i n l y d u et ot h em o v e m e n to ft w i nb o u n d a r i e s a st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e da b o v e 1 0 0o c ，t h ed e f o r m a t i o no fs m en i t ia l l o yc a nb ep a r t l yr e c o v e r e dd u et ot h e t r a n s f o r m a t i o nf r o mm a r t e n s i t et oa u s t e n i t e 4 w i t ht h ei n c r e a s ei nt h en u m b e ro fc y c l e s ，t h ei n t e r f a c ef r i c t i o ni sg r a d u a l l y i n c r e a s i n ga n dt e n d st os t a b i l i z e h o w e v e r , t h ep l o u g hf r i c t i o na n dt h et o t a l f r i c t i o na l eg r a d u a l l yd e c r e a s i n ga n dt e n dt os t a b i l i z e k e yw o r d ：s c r a t c hd a m a g e ；m o n o c r y s t a l l i n es i l i c o n ；n i c k e l - t i t a n i u ms h a p e m e m o r ya l l o y ；n a n o t r i b o l o g y ；m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囱，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打4 ) 学位论文作者签名： 扔超 眺1 年箩月姑日 指导教师签名：职倾 日期：矿绛r 月同 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其它个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中做了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 随载荷的增大，单晶硅( 1 0 0 ) 的划痕损伤先后经历了凸结构形成、 凸起与凹槽并存和材料去除三个阶段。 2 单晶硅( 1 0 0 ) 的划痕损伤与其接触区的应力状态和环境气氛密切相 关，表明其损伤初期凸结构的形成应当是摩擦化学与机械变形共同 作用的结果。 3 随划痕循环次数的增加，s m en i t i 合金划痕过程中的界面摩擦力逐 渐增大并趋于稳定，而犁沟摩擦力和总摩擦力逐渐减小并趋于稳定。 学位论文作者签名：彳巧起 日期：卅年，月以日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 微机电系统概论 微机电系统( m e m s ：m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 指微型化的器件 或者器件组合，是把电子功能与机械的、光学的或其他的功能相结合的综合 集成系统，采用微型结构( 包括集成微电子、微传感器和微执行器) 使之能 在极小的空间内达到智能化的功效i l j 。典型微机电系统的构成如图1 - 1 所示， 主要由微传感器、微执行器和微电子逻辑控制电路三大部分组成。其中微传 感器用于检测被控制参数的变化，电子逻辑控制电路根据传感器检测到的信 号控制微执行机构的运行，使被控参数达到期望的范吲2 引。 l 模拟数字模拟 田 _ 信号 _ 。 信号 _信号- i t 臣) 传 处理处理 处理 执 回 感 iii 行 器器 l 些兰卜 i 与其它系统的通讯，接口 i 医计 感测量光，电，磁控制量 图1 - 1 微机电系统模型图 微机电系统的特点和优点是体积小、重量轻、性能稳定，通过l c 等工艺 可批量生产，成本低，性能一致性好，功耗低，谐振频率高，响应时间短， 综合集成度高，附加值高，具有多种能量转化、传输等功能，包括力、热、 声、磁、及化学、生物能等1 4 】。鉴于上述特性和优点，微机电系统自2 0 世纪 8 0 年代中期发展至今一直受到世界各发达国家的广泛重视，各国对这一战略 性的高科技都给予较大的投入，大量的资金被投入到这一领域，使这一技术 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 得到了快速发展。在美国，1 9 8 7 至1 9 8 8 年问，由来自科研院校、公司及国 家决策机构的十五名科学家牵头制定了题为“小机器、大机遇；关于新兴领 域微动力学系统的报告 的国家计划建议书，提出中央财政预算应该投 入到微机电系统的研究费用总计为5 0 0 0 万美元。日本于1 9 9 1 年开始实施为 期十年、总投资约为2 亿美元的微机械技术大型研究开发计划。法国1 9 9 3 年启动了“微技术和微系统”项目，投入7 0 0 0 万法郎开展研究。德国每年用 于微系统研究的投入高达7 0 0 0 万美元。我国“八五”期间微机电系统的研究 被列为国家“攀登计划”。国家自然基金、“8 6 3 高技术计划都将微机电系统 列为重要的研究内容之一1 5 刊。 微机电系统是一个多专业融合、多学科交叉的前沿研究领域，几乎涉及 到自然科学及工程技术的所有领域，如：电子技术、机械技术、物理学、化 学、生物医学、材料科学和能源科学等。因此与传统机电系统相比，无论在 理论方法，还是在制造技术方面都是一次革命。虽然微机电系统的理论和技 术都不太成熟，还处在需要进一步研究与发展阶段，但仅仅是已得到的这些 成果都已经得到了广泛的应用。各国分别研制出了各种微型传感器、微型致 动器、微动力源和微系统，其中部分产品还得到了商品化。随着微机电系统 基础理论研究的不断深入和新成果的广泛应用，人们对微观领域的规律将有 更加深入的认识，微机电系统最终也将逐步走向实用化并广泛应用于国防、 航空、航天、通信、环保、生物工程、医疗、制造业、农业和家庭之中【兀。 1 2 微机电系统的摩擦磨损问题 微机电系统的摩擦不同于传统机械的摩擦，二者有着多方面的差异。相 对于传统机械而言，微机电系统的摩擦问题变得更为突出，这是因为随着部 件结构尺寸的减小，微机电系统中微构件表面与体积比增大。因而，同与体 积相关的惯性力和电磁力等对系统的影响相比，与表面相关的摩擦力、粘性 阻力和表面张力等对系统的影响更加显著l 剐。故微机电系统中的摩擦问题已 经成为微机电系统设计和制造过程中的主要困难之一。 经研究发现：当微机械构件发生微接触时，它们之间的机械作用力很小， 几乎不对表面的机械性能产生作用和影响，摩擦力将主要取决于各个表面间 的作用力，即分子间的吸引力。这种分子间的吸引力会加剧表面的贴合，导 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 致启动应力是传统机械接触应力的3 4 倍。而这种表面力正是使微机电系统 构件产生粘着和变形的主要原因。同时，微构件表面的不平整度与其尺寸可 以相比拟，在宏观上很光滑的表面在微观上也显得相当粗糙，微观结构的摩 擦力与宏观摩擦力有很大差别。表1 - 1 对比了宏观摩擦和微观摩擦之间的主 要不同点1 w 。 表1 - 1 宏观摩擦和微观摩攘的对比 图1 2 徽发动机的齿轮和销孔磨损失效的扫貌电子显微镜图 同传统机械系统样，微机电系统中也存在着磨损现象。图1 - 2 为微发 动机的齿轮和销孔詹损失效的扫描电镜图像。从图中可以看到，齿轮上和销 孔边缘都有大量磨屑b o l 。微机电系统中的磨损是在极轻载荷作用下产生的表 面原子，分子层的损伤，其磨损深度通常在纳米量级，故有时也称纳米磨损。 这种磨损主要取决于界面上粘着n 和表面微观结构，而与载荷和材料体相性 能的联系较小。微机电系统中的腑损主要表现为粘着磨损，其磨损机理如图 1 - 3 所示。从图中可以看到，材 ： 的微观表面是由一系列的粗糙峰组成。当 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 两表面发生相对滑动时，这些相互接触的租糙峰均受到了一定的切向力。另 外个别相互接触的粗糙峰局部接触应力很高，甚至超过材料软表面的屈服强 度。在以上切向力和局部高接触应力的共同作用下，这些粗糙峰间的结合点 便产生了断裂破坏i l “。因此，粘着磨损过程包括接触点的塑性变形、冷焊点 的形成和材料的交换三个过程。当然只有最大限度地降低这种磨损，才能保 证微机电系统正常的使用和增加其寿命。因此，微机电系统的磨损研究已经 成为广大学者研究的热点。 图1 - 3 粘着磨损机理图 1 3 微机电系统的摩擦学研究现状 微机电系统中摩擦学问题在微机电技术兴起的时候就引起了广泛关注， 人们从实验和理论方面开展了大量的工作。与对传统的摩擦、磨损理论研究 一样，对于微机电系统中摩擦问题的研究也主要建立在实验基础上。研究方 法大体可分为两类，一类方法就是通过相关仪器来进行研究，由于微机电系 统特征尺度较小，采用的仪器主要是扫描探针显微镜( s c a n n i n gp r o b e m i c r o s c o p e ，s p m ) ，它包括扫描隧道显微镜( s c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p e ， s t m ) 、原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ，a f b l ) 以及摩擦力显微镜 ( f r i c t i o nf o r c e m i c r o s c o p e ，f f m ) ，后者办称为横向力显微镜( 1 a t e r a lf o r c e m i c r o s c o p e ，l f m ) 。此外，还有专门研制出来的实验仪器，例如：表面力仪 ( s u r f a c e f o r c ea p p a r a t u s ，s f m ) 、光干涉纳米润滑膜测试仪、石英晶体微天平 ( q u a r t zc r y s t a lm i c r o b a l a n c e ，q c m ) 等p l 。射一种方法是直接对微构件的摩 一西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 擦问题进行研究。由于不同微构件的摩擦磨损行为不同，例如摇摆式电机、 直线式电机和旋转式电机的摩擦磨损就有很大的差别。这两种研究方法，后 者更加有针对性，但是由于需要制备大量的微构件，增加了研究的难度和成 本。另一方面，在经历了长期的探索之后，从统计物理学中衍生出来的分子 动力学模拟方法己开始用于微机电系统摩擦学问题的研刭1 2 】。分子动力学模 拟方法可以研究由有限数量分子和原子构成的极小尺度系统的力学响应和摩 擦学行为。但是由于真实的物理系统包含的微观例子数量高达1 0 2 3 数量级， 分子动力学方法不可能进行这么庞大的模拟，而通过简化模型所得到的计算 结果与实际情况必然存在较大的误差。 目前，国外学者针对微机电系统中摩擦学的研究工作主要集中在微机电 系统微接触表面间摩擦、磨损及粘着行为；纳米尺度上表面改性和分子超薄 膜润滑；利用a f m 、f f m 等探讨微机电系统摩擦磨损、固体表面接触和边 界润滑的机理等方面。b h u s h a n 等人【1 3 以4 】采用原子力显微镜以及由此改装得 到的摩擦力显微镜对微机电系统主要基体材料单晶硅表面粗糙度、粘着及摩 擦磨损进行了系统的实验研究。b e e r s c h w i n g e r 等人1 1 5 j 在模拟实际使用条件 下，进行了微机电系统的磨损研究，初步确定了各类表面膜的磨损机理，即 粗糙断裂机理和粗糙变形机理，并且指出对于第一种机理而言，磨削尺寸取 决于磨损速率。a n d o 掣1 6 l 考察了微机电系统的硅基材料表面粗糙度对粘着 力和摩擦力的影响，认为粘着力和摩擦力正比于表面微凸体的曲率半径：当 表面微凸体的数量增加时，粘着力和摩擦力都有一定程度的下降。z y g m u n t 等人1 1 7 l 较全面的论述了各种微马达在设计、制造和运行过程中的微摩擦学问 题，分析了工作参数以及定子和转子的结构参数等对微马达的效率、磨损率 和摩擦驱动速度的影响，并讨论了定子和转子接触界面的磨损性能和滑差率 的关系，以及表面改性和润滑问题。k o m v o p o u l o s 等人1 1 8 l 通过分析微机电系 统各种表面微观机理，阐明了用于减小微机电系统界面上高粘附力的各种纳 米表面工程技术的微摩擦效果，并指出表面粗糙化或化学改性是增大微机电 系统的可靠性和提高其性能的有效措施。z h a n g 等人【1 9 l 采用分子动力学的方 法模拟了用于微机电系统表面改性的自组装单分子膜的摩擦特性，模拟结果 与扫描力显微镜测试结果相吻合。 近年来，国内也兴起了微观摩擦学研究的热潮。清华大学摩擦学国家重 点实验室、中国科学院兰州物理化学研究所、西南交通大学摩擦学研究所以 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 及上海信息技术与微系统研究所在该领域开展了大量的相关工作，如：微 纳动损伤研究；纳米薄膜的微摩擦特性；薄膜润滑机理和数学物理模型建立； 弹性润滑和薄膜润滑的转换；薄膜润滑的时间效应等，获得了许多有意义的 结论。而针对微机电系统的摩擦学和润滑问题的研究尚处于起步阶段。张爽 等人【加】采用纳米压痕仪研究了4 0 c r 基体和c r n x 薄膜的径向纳动行为，认 为c r n x 薄膜能够提高4 0 c r 基体的抗压性能，提高其接触刚度，降低残余压 痕深度，减少在纳动循环过程中的能量耗散。曲建俊等人【2 1 】综合性论述了超 声马达摩擦学和摩擦材料的研究进展，针对超声微马达摩擦驱动的特点，分 析了定子和转子的界面摩擦学特性，超声波振动对定子和转子接触界面摩擦 学性能的影响，以及摩擦材料的选择和寿命预测。丁建宁等人【2 2 】对微机电系 统运行时的启动摩擦和静摩擦进行了研究，指出固体薄膜润滑和分子自组装 膜可以有效减轻微机电系统的摩擦并降低磨损。胡元中等人固j 在通过力学模 拟法研究润滑膜的流变性能及固体接触和粘着的微观机理时发现，当液体被 约束在分子尺度的空间时会发生固化相变，静摩擦起源于克服类固薄膜的剪 切屈服强度，即表面的剪应力超过薄膜的屈服强度时产生相对滑动。 国内外研究者针对微机电系统中摩擦学问题，开展了大量的研究探索工 作，取得了一定的进展。但是由于微机电系统结构的复杂性、工作环境的多 变性、以及实际测试技术的不完善，针对其微观摩擦磨损性能的研究，需采 用不同的实验方法和环境条件，这样才能正确评价微机电系统摩擦学行为特 点，并为微机电系统设计制造提供准确可靠的摩擦学数据。 1 4 微机电系统材料 微机电系统的摩擦磨损与其材料密切相关。因此，材料的选择环节在微 机电系统摩擦学设计中起着较为重要的作用。目前应用于微机电系统的材料 按用途主要可分为结构材料和功能材料两类【川。 i 结构材料 到目前为止，由于硅基材料拥有良好的弹性行为，故用来研制生产微机 电系统衬底的材料主要是硅基材料，也有公司使用石英玻璃、陶瓷、聚合物 等。此外，用来作为结构材料的其它半导体材料还包括：s o l ( s i l i c o n o n i n s u l a t o r ，即绝缘体上的硅膜) ，主要用于高性能的传感器和执行器，以及低 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 功耗的便携式系统；g a a s ，适用于无线和数据通信；s i c ，适合高温部件； i n p ，适合高速度光纤部件和高频率无线应用。 i i 功能材料 具有能量变换能力的材料称为功能材料。它可以实现敏感和致动功能， 经常被应用在执行器中。其中n i t i 合金作为典型的功能材料已被应用在多种 类型的微机电系统执行器中，如微流量泵、微流量阀等。氧化锌和p z t 等压 电材料对微机电系统也有极大的吸引力。因为它们具有电和力相互转换的能 力，即施加电压到压电材料上会使其变形，相反施加载荷会使其产生电压。 另外磁致伸缩材料、光敏、气敏、生物敏和电流变体等也是目前微机电系统 所使用的重要功能材料。 1 4 1 单晶硅的特点及应用 单晶硅是最基本的微机电系统材料，是集成电路和各种半导体器件最常 用的材料，硅器件可占到世界出售的所有半导体器件的9 5 以上。微机电技 术起源于微电子集成电路工艺，因此，单晶硅材料在微机电系统材料中备受 关注。 单晶硅材料的广泛应用归咎于其具备的一些优点，如：良好的机电特性， 既有足够的机械强度，又有优良的电性能，便于实现机电器件的集成化，并 且利用现有的集成电路加工设备及工艺技术，易于制作出微米级微机电系统 结构。通过把微机械同微处理器、传感器等电路巧妙地集成到一块硅片上， 还可以大大地降低微机电系统的制造成本。单晶硅的微细n i 技术比较成熟， 加工精度高，容易生成绝缘体薄膜，利用光刻技术和自动生产线可以廉价大 批量生产。单晶硅比铝轻，比不锈钢的拉伸强度高、硬度高、弹性好、抗疲 劳。在许多环境下，单晶硅不生锈，不溶解，耐高温。单晶硅有多种优异的 传感性能，如压电效应、霍尔效应等。硅是地壳中含量最多的元素之一，矿 产资源相当丰富( 自然界的硅元素通常以氧化物如石英等的形式存在) ，成 本较低。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 4 2n i t i 合金的特点及应用 近年来，随着半导体、医学、生物、机械等领域的快速发展，人们对微 机电系统中的微驱动器和微传感器提出了日益迫切的需求。而研究发展适于 微型区域驱动或传感的材料和结构尤为重要。其中n i t i 合金因其特有的形状 记忆效应、相变超弹性行为和具有传感和驱动的双重功能，能有效地用作驱 动元件或力敏、热敏传感部件，是一种极具发展前景的驱动和传感材州冽。 图1 4 示出了法国b e n d a h a n 等人1 2 6 j 研制的n i t t s i 0 2 s i 结构的m o s 电容性传感器。其中n m 既是传感器，又是用于欧姆接触的上电极。n i t i 门为3 5 0o c 直接溅射晶化薄膜。测试这种m o s 的c ( v ，t ) 曲线时发现： 升温时由于逆马氏体相变，在6 0o c 时电容突然下降；而冷却时，在5 6o c ， 由于马氏体相变其电容却又呈同样数量级的上升。另外，升温时n i t i 薄膜电 极中的逆马氏体相变，还会引起直流偏压下的频率损失以及深度损耗。具有 这种结构的m o s 如果用作微传感器，能及时检测出微供电系统中电路过热 等问题，并及时发出警告。 n i 耵 s i 0 2 s i 0 h m i c c o n t a c t 图1 - 4n i t i s i 0 2 s i ( n ) m 0 s 电容传感器结构示意图 图1 5 示出了日本h o d d a i d o 大学的m a k i n o 等人【韧研制的微泵，它是由 n i t i 泵膜和两个被动阀组成。其中n i t i 膜已图案化。这种微泵也是依靠n i t i 薄膜通、断电使其加热和冷却所产生的相变使泵膜产生弯曲和恢复，而实现 往复运动。其中，n i t i 膜恢复的偏置力来源于键合在n i t i 膜上的一个小气腔。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 【h r t i e tin i e t 图1 - 5 具有n m 泵膜的徽泵结构示意图 图1 - 6 示出了g i l l 等人【柚l 研究的新型微夹持器。夹持器采用n i t i 自由膜 制成，单根夹持臂的尺寸长1 0 0 一m ，相当于人类一根头发丝的直径。微夹持 器中通以微弱的电流以保持平直状态，当切除电流时，n i t i 薄膜夹持臂便弯 曲成笼状。该微夹持器能用来操控微器官或在外科手术中去除肿瘤。 图1 6 采用n m 自由膜组成的夹持器 综上所述，n i i 合金在微机电系统中的微驱动器和微传器方面有着极其 广阔的应用前景，如：微驱动器中的微泵、微阀、微钳、微臂等：微传感器 中的力敏、热敏传感器等。但就由n i t i 合金制成的微机电系统器件来说，其 性能将直接影响到器件的工作性能。故对n i t i 合金的制各、加工及其性能研 究，是由n i t i 合金制成的微机电系统器件研究的又一重要内容。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 1 5 单晶硅和n m 合金摩擦学研究 1 5 1 单晶硅摩擦学研究现状 单晶硅材料由于具有硬度高、成本低廉、表面粗糙度小、以及可实现集 成制造和器件微小型化等特点，是微机电系统常见的材料与结构。但是由于 单晶硅材料的高温性能差，在反复的摩擦接触或载荷超过弹性极限时，易产 生磨粒，特别是微小尺寸的磨粒。这些在宏观状态下被认为属于正常范围的 磨损颗粒，对微机电系统运作的影响却是致命的。因此强化硅基材料的微摩 擦磨损性能一直是研究的热点。g a t z e n 等人1 2 9 j 的研究表明，未经表面处理的 单晶硅材料脆性较高，表面裂纹在较低张应力作用下能迅速扩展，易发生剥 层磨损和脆性断裂。m i y a m o t o 等人1 3 0 j 研究了单晶硅及c + 、矿离子注入硅的 微摩擦磨损性能，认为离子注入可以改善单晶硅的抗磨损性能，其原因在于 离子注入硅的表面形成了碳、氮化合物s i c 和s i 3 n 4 ，在碳含量最高处耐磨性 最好。b h u s h a n l 3 1 j 为了系统地研究单晶硅的摩擦、磨损和断裂行为，进行了 单晶硅的宏观和微观摩擦学行为的比较研究，结果表明单晶硅的微观摩擦学 性能优于宏观摩擦学性能的结论。k o v a l c h e n k o 等人【3 2 l 研究了单晶硅在干摩 擦、脂润滑和边界润滑条件下的磨损行为，发现由于单晶硅相变的作用，在 边界润滑条件下单晶硅磨损表面光滑，磨损后基本结构由非晶硅构成，此时 的磨损机制明显不同于干摩擦及脂润滑条件下的断裂磨损机制。张敬宜等人 【3 3 】采用纳米压痕仪研究了单晶铜和单晶硅径向纳动的运行特点和损伤过程， 发现径向纳动的残余压痕深度随循环次数增加急剧减小，并且在首次径向纳 动循环中耗散的能量最大，其后逐渐减小并趋于稳定。 近年来，由于单晶硅材料低载下凸起结构的发现，引发了大家对这种新 型磨损结构的关注。k a n e k o 等人1 3 4 l 在利用原子力显微镜观察单晶硅及c + 离 子注入硅表面磨损过程中发现：在低载下利用尖锐的金刚石针尖进行划痕实 验时，有两种不同形式的磨损：一种是传统的表面去除，另一种是磨损初期 阶段的凸起，认为这种凸起结构产生的原因一方面是塑性变形，而另一方面 可能是与环境中空气分子相互反应生成的化学结构。y o u n 等人1 3 5 l 利用 b e r k o v i c h 压头，进行了垂直载荷下的纳米划痕实验，对经2 0 k o h 腐蚀后 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 单晶硅表面的变形行为及化学特性进行研究，发现划痕区域周围受到了严重 的腐蚀，而划痕本身几乎没有被k o h 溶液腐蚀，从而划痕本身变得更高， 呈明显的凸起结构，如图l - 7 所示。m i y a k e 等人【3 6 l 利用原子力显微镜针尖在 单晶硅上进行划痕实验时，也发现了其表面的凸起结构，并着重研究了针尖 曲率半径对凸起结构产生的影响，发现在低载下：当针尖曲率半径为2 0 0 蛐 时，单晶硅表面只有凸起，其高度范围是0 巧蛐：当针尖曲率半径为5 0 胁 时，单晶硅表面只有凹措，其深度范围是o 也n m ；当针尖曲率半径为1 0 0 蛐 时，单晶硅表面既有凸起也有凹槽。y u p 刀等人在利用原子力显微镜研究单晶 硅( 1 0 0 ) 在真空下的纳动损伤行为时，也发现了这种凸起现象。由于实验在 真空下进行，因此认为机械变形作用是凸起产生的主要因素。 蹲禹龄 誉- 聆两6 0 0 - 龄 图l - 7 单晶硅表面凸起结构 1 5 2n i t i 合金摩擦学研究现状 n i t i 合金的母相和马氏体相在转变过程中有化学自由能的变化、表面能 的变化及相变阻力的存在，只有达到一定温度相变才会发生。图1 - 8 示出了 马氏体相变随温度的变化曲线，如图所示，把马氏体相变开始温度记为m ：， 马氏体相变结束温度记为m f ，母相开始的温度记为丸，母相结束温度记为 a f 。在相变过程中有相变滞后现象，滞后温度t 。= a 。- m ：。n i t i 合金的母相与 马氏体相的转变还可以通过应力诱发，这种相变叫做应力诱发的马氏体相变。 马氏体帽的比例与应力相关，当施加的外力增加时，母相转变成马氏体相的 = 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 比例增大并产生较大的变形，但外力一旦解除后，马氏体又转变成母相。正 是因为n i t i 合金相变的这种特殊性质，使其表现出良好的弹性变形及协调能 力。这种母相与马氏体相相互协调的特性使n i t i 合金具有较好的耐磨性能 1 3 8 lo 图1 - 8 马氏体相变随温度的变化曲线 影响n i t i 合金摩擦磨损性能的原因很多，国际上通过对其1 0 多年的深 入研究，得到了很多结果。c l a y t o n 3 9 】通过对n i t i 合金滑动磨损和抗冲蚀磨 损的研究，发现其优良的抗摩擦磨损性能主要是由于滑动和冲蚀过程中n i t i 合金的加工硬化作用。r i c h m a n 等人l 删发现在磨损过程中，具有母相结构的 n i t i 合金的变形主要以应力诱发马氏体相变及逆相变方式进行，而马氏体结 构的n i t i 合金的变形主要通过孪晶界的移动方式进行，这就表明了n i t i 合 金的超弹性对提高其抗摩擦磨损性能有重要的作用。u 等【4 1 l 通过对3 0 4 钢和 n i t i 合金的对比实验发现，n i t i 合金的摩擦磨损性能优于3 0 4 钢，通过研究 认为可恢复的变形能力和超弹性是n i t i 合金具有优良摩擦磨损性能的重要 因素。 在国内，金嘉陵等人是最早对n i t i 合金耐磨性进行研究的。他们【4 2 j 研究 了几种近等原子比的n i t i 合金与c 0 4 5 以及3 8 c r m o a i a ( 氮化) 等合金的干 摩擦磨损性能和高温性能，结果表明：尽管n i t i 合金的硬度较低，但其减摩 和抗磨性能优异，认为可恢复的变形能力和超弹性是主要原因。饶光斌等人 1 4 3 j 研究了n i t i 合金中应力诱发马氏体相变及逆相变对疲劳行为的影响，并与 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 普通金属的疲劳行为进行了对比，研究发现n i t i 合金在受力时首先发生的是 应力诱发马氏体相变而不是滑移，而这种应力诱发马氏体相变的行为提高了 其抗疲劳的性能。钱林茂等人【5 1 ，对超弹和形状记忆n i t i 合金的微动磨损 行为以及马氏体相变对形状记忆合金的微动磨损性能的影响做了比较细致的 实验分析研究。研究表明：由于合金较低的相变应力及较大的可恢复相变应 变，使其在微动磨损时产生的摩擦力相对较小。与g c r l 5 相比，尽管n i t i 合金的硬度不大，但具有超弹性能的n i t i 合金却拥有比g c r l 5 更加优越的 微动性能。另一方面，n i t i 合金独特的温度相关的相变特性在其微动行为中 起着关键的作用。应力诱发相变产生的大量可恢复变形不仅大大地提高了合 金的弹性变形协调能力，而且通过相变的屏蔽效应也极大地提高了合金的抗 微动磨损性能。 1 6 研究意义及内容 1 6 1 论文研究意义 目前，信息、生物、先进制造等高新技术领域的微型化趋势极大地促进 了微机电系统的发剧州7 】。然而，表面和尺寸效应导致微机电系统产生了严 重的粘着、摩擦与磨损问题【刖。单晶硅基于其优良的物理、机械性能，已经 作为典型的结构材料被广泛地应用于微机电系统中。n i t i 合金具有形状记忆 和超弹特性，是研制微机电系统传感器和驱动器的理想材料。有关于它们微 观摩擦学研究己成为摩擦学领域的重要课题i 铝1 。与宏观磨损不同，它们的微 观磨损有其自身特剧4 引。在以往对单晶硅划痕损伤的大量研究中，人们更多 地关注的是单晶硅在高载划痕下的材料去除过程，而忽略了其在低载下的划 痕损伤【3 1 - ”】。实际上，单晶硅在大多数服役条件下为轻载接触工况。对其轻 载划痕损伤的研究，有助于完善我们对单晶硅划痕损伤过程的系统认识。对 于n i t i 合金划痕损伤的研究，主要集中在对n i t i 合金和其它金属材料表面 的摩擦系数等实验参数进行对比分析等较为基础的研究【矧，而对于n i t i 合金 摩擦磨损机理缺乏分析。而只有对摩擦磨损机理有了一定的认识，才能为实 际微机电系统的运行提供参考，进而减少或避免因摩擦磨损而造成的失效问 题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 为此，本文拟利用纳米压戊0 痕仪和原子力显微镜，通过对单晶硅和n i t i 合金的划痕损伤实验，观察其划痕损伤行为，分析其损伤机理，试图提出有 效的防护措施和手段，为高可靠性和长寿命微机电系统的研制提供相关的理 论指导。 1 6 2 论文主要研究内容 1 利用纳米压划痕仪和两种不同曲率半径的球形金刚石针尖，在单晶硅 ( 1 0 0 ) 、( 1 1 1 ) 表面进行不同载荷下的划痕实验，观察了单晶硅划痕损 伤随载荷变化的整个过程，对比了单晶硅( 1 0 0 ) 与单晶硅( 1 1 1 ) 划痕 损伤的异同，并讨论了针尖曲率半径对单晶硅划痕损伤的影响。 2 利用原子力显微镜，在s m en i t i 合金上进行了不同循环次数的往复划痕 实验，观察了s m en i t i 合金划痕损伤随划痕循环次数的变化过程，表征 了升温到1 0 0o c 后划痕损伤的恢复情况，讨论了界面摩擦力与犁沟摩擦 力的变化与竞争关系，分析了n i t i 合金往复划痕下的微观摩擦机理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第2 章试验材料和方法 2 1 试验装置 2 1 1 纳米压划痕仪 圈2 1 纳米压删癀仪系统全貌 本论文单晶硅划痕损伤研究中的划痕实验均在如图2 - 1 所示的纳米压痕 划痕仪( n a n o - h a r d n e s s s c r a t c h t e s t e r ，c s m i n s t r u m e n t s ，瑞士) 上进行。$ m e n i t i 合金及单晶硅纳米压痕硬度与弹性模量也通过其测量得到。 该装置只需要通过更换不同针尖，控制不同软件便可以进行纳米压痕或 者纳米划痕实验。 纳米压痕部分主要由三部分组成：压头、载荷控制线圈、位移的传感器。 图2 - 2 示出了该装置的纳米压痕部分的组成图。它是由电磁加载马达、差动 位移传感器、支撑弹簧、刚性压杆、参考环及固定在刚性杆上的压头组成。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 传