微型滚珠轴承系统中的磨损机制
Brendan Hanrahan a，b，Saswat Misra c，C. Mike Waits d，Reza Ghodssi c，n
a前材料科学与工程系，马里兰大学，学院公园，医学博士20704，美国
目前橡树岭联合大学奖学金计划，美国陆军研究实验室，美国陆军研究实验室，粉末路2800号，美国马里兰州艾德菲20783
马里兰大学系统研究所电气与计算机工程系，2173 A.V. Williams Building，College Park，MD 20704，USA dU.S. 陆军研究实验室，美国马里兰州阿德菲粉末路2800号，邮编20783
文章历史：2014年9月3日收到修订后的2014年12月20日收到2014年12月22日收到2014年12月31日在线提供
关键词：滚动摩擦、微磨损、拉毛、轴承、表面分析
概要：
微型滚珠轴承已经在许多微系统中得到了成功的应用，尽管对它们的摩擦学性能的完整理解仍然难以捉摸。 本文研究了一种微加工滚珠轴承平台的磨损机制，该平台包括硅和薄膜涂层硅滚道/钢球材料系统。 被发现是主要磨损机制的球材料的粘附性普遍存在于所有测试材料系统中。 在4times;10 4和4times;10 5 mm 3 / mN rev之间观察到体积粘合剂磨损率。 用拉曼光谱观察，压力诱导的相变发生在裸硅轨道的接触区域。 了解微型滚珠轴承内的磨损机制将有助于优化运行参数和材料系统的长期可靠性。
1.介绍
滚动轴承广泛应用于宏观机械中，为快速移动的负载组件提供低摩擦和磨损接触。最近，在高性能线性和旋转微机械的演示中，滚动轴承技术已经扩展到微机电系统（MEMS）领域。微型滚动轴承与两种材料系统中的宏轴承不同，这是因为使用硅基微细加工技术与钢材加工相结合，尺寸规格与特征尺寸相差数百微米至厘米至数米。对滚动轴承微系统材料和几何形状特有的磨损机制的理解最终将使高性能微机械的长期使用成为可能。
微型滚珠轴承系统提供长行程，小摩擦和磨损，以及良好的机械稳定性。线性和旋转式微型机器对于微型泵[1]，微型发电机[2]和微型发动机[3-5]等功率，传感和致动应用具有吸引力。微球轴承内的摩擦已经在[6]中建模，并在[7-12]中进行了实验研究。
微制造系统中存在的磨损机制与宏观尺寸系统存在显着差异，因此需要特别加以解决。这种差异是由于（1）由缩放特征到缩短的长度尺度获得的表面体积比增加，增强了影响附着;和（2）用于集成电路微加工技术的特定材料系统，这些技术往往不适合机械/摩擦学应用。 MEMS领域中的磨损研究通常分为两个实验类别[13]：原位测试[11,14,15]，其中磨损通过观察定性描述或以多个周期或器件寿命为特征[10];和基于摩擦计的研究[16-18]，其中使用MEMS材料的针盘式方法开始接触。 Meh-regany等人进行了微机械硅结构原位磨损测试的一个经典实例，其中作者制作了侧驱动多晶硅摆动电机[19]。电机转速是转子和定子之间间隙的函数，随着接触轴承的磨损逐渐变化。作者确定，这种设备主要有三种操作模式：老化期，反应离子蚀刻对轴承产生大的凹凸不平;磨合期，电动机的速度从平滑表面粗糙度逐渐增加;和转子滑动区域，其中转子速度由于打滑而离开激励电压。 Tambe等人发表了一项研究，该研究强调了摩擦学现象的尺度和材料依赖性，这种现象使用微型摩擦计测量微尺度部分和修改原子力显微镜（AFM）进行纳米尺度研究[20]。在这项研究中，接触材料之间的粘附力显示出对停留时间，湿度和温度的强烈依赖，这可能与接触点和基底之间产生的水蒸气衍生的弯月面力有关。另外，对于多种材料系统，发现了摩擦力的速度依赖性，进一步加强了摩擦学现象严重依赖于尺度的观点。 Ku等人通过制造硅推力接触轴承几何形状来充当盘上销钉方法的销钉，从而弥补了原位测试与摩擦计之间的差距[21]。作者发现，测量的摩擦系数和磨损率对表面状态有很大的依赖性。这个结果是通过氧等离子体清洗后立即测试的样品与“室内空气”中放置15小时的样品的比较推断的。这些研究中的大多数都集中在微米到纳米长度尺度上的滑动磨损机制，很少关注微尺度滚动接触的独特领域。
由于摩擦和磨损现象通常在接触体表面或接近表面处开始，因此薄膜涂层能够极大地影响系统的摩擦学性能。在摩擦系统中使用固体薄膜存在两种制度：那些充当润滑和磨损以减少摩擦的方式，如石墨[22]或二硫化钼[23];和那些保持完好并降低接触表面的化学亲和力或增强表面的机械性能的那些。固体膜润滑剂通常用于难以保持流体膜边界层的情况下，例如高负荷或高速运转。硬薄膜用于不能容忍碎片产生的应用。在目前的微球轴承示范中，硬膜涂层被用来改变表面的机械和化学性质，试图增强整个系统的摩擦学。碳化硅（SiC）薄膜涂层通过在裸硅滚道上将摩擦系数（COF）从0.002降低至0.0006而提高了微型滚珠轴承的性能[8]。在高载荷（10-500 mN）下，观察到类似的碳化硅涂层滚道的断裂，而超纳米晶金刚石（UNCD）薄膜在同样的载荷范围内几乎没有磨损[9]。 Bandorf等人使用许多碳基薄膜来减少磨损和摩擦系数。这项工作发现，基材的力学性能的影响在减少胶带磨损测试中的磨损深度方面发挥了重要作用，增加胶带长度（使用寿命）以获得给定的磨损深度几乎一个数量级通过使用聚合物衬底与硅[24]。还发现膜硬度的增加改善了体系的摩擦学性能。总之，上述大多数微观磨损研究都强调了基体和薄膜材料的磨损性能的重要性。
这项工作探讨了指示微型涡轮机平台内微型封装球轴承的性能的磨损机制。 解剖磨损的滚道，并使用拉曼光谱和电子散射X射线光谱（EDS）结合扫描电子显微镜（SEM）和光学轮廓术来研究磨损机制。 指示磨损的摩擦转矩通过连续磨合磨损水平的减速减速来评估。 这些测试和分析方法是在裸硅滚道上进行的，以及用SiC和氮化钛（TiN）硬薄膜涂覆的滚道。 某些负载和材料组合将导致特定的磨损机制。 对这种机制的理解将使工程系统的设计具有最小的磨损和最长的使用寿命。
2.材料和方法
2.1.微型燃气轮机平台
选择硅微型涡轮机作为本研究的实验平台。这个装置已经在许多出版物中被描述[11,25]。具有100个285毫米直径的440C不锈钢球的微摩擦学装置（MTD）的示意图如图1所示。
选择MTD是因为它可以执行正常负载分解的摩擦测试，并且在赛道内具有高制造良率和一致的表面质量。如[3]所示，封装轴承可以集成到集成电路制造流程中，以创建未来的电机，发电机和传感器。
MTD包装允许独立的涡轮机和推力流动，同时通过蚀刻的等径向跟踪标记上的光学位移传感器（ODS），涡轮机输入压力和流量以及推力增压压力来测量速度。由设备和包装之间的O形密封腔形成的推力增压室允许不同速度的变化的正常负载作用在转子上。
MTD转子采用两个包含浅而深刻蚀半径的硅片制造，以实现偏移轴承 - 接合界面，第三个晶片包含空气歧管层（图1）。偏移键合界面用于防止键合晶圆角落处的球接触。为了同时获得偏移界面和对准凹坑，采用非对称蚀刻方案，在[26]中有详细描述。完整轴承的尺寸如图2所示。
轴承表面的特点是确保测试设备之间的一致性。 滚道的粗糙度为RMS 5 nm。 滚道底部有一个小的半径，这是蚀刻工艺的一个典型产品。 对于接触力学的第一次近似，假设跑道是平坦的。 在深反应离子刻蚀（DRIE）工艺中，侧壁粗糙度是蚀刻与沉积时间之比的函数，发现其为160nm扇贝。 理想情况下，球体不会接触侧壁，因为摩擦力会将它们保持在位。 实际上，由于蚀刻过程中滚道的波动，滚珠并不全部承受相同的载荷; 因此，与侧壁间歇性地接触。 侧壁磨损的特征如下。
2.2. 磨损测试
七台微型涡轮机用于确定微型滚珠轴承系统中的磨损机理：五个带有裸硅滚道的涡轮机和两个带硬膜涂层的涡轮机。 测试条件和最终失效机制在表1中概括。
硅滚道的磨损是通过一系列加速磨损试验引起的。 为了执行这些测试，使用压缩气体将10-400mN的正常负载施加在转子上，同时通过透过涡轮机致动结构的气流以6000-12,000rpm的速度致动装置。 这些速度被选择用于磨损测试，以最小化球的向心加速度的影响，从而解决理想地作为推力轴承（垂直于转子旋转轴线的旋转球的旋转轴）操作的涡轮机的磨损率对负载依赖性的影响。 在连续操作循环之后，通过绘制速度与输入功率的关系来评估微型涡轮机性能，如下面部分所述（图3）。 将设备以不同的间隔拆卸，并使用光学轮廓仪（Veeco WYKO NT 1100）以几何方式测量磨损，并用SEM和光学显微镜目测磨损。
2.3. 硬膜涂层
TiN和SiC薄膜的选择是因为它们具有高硬度和与微细加工技术的兼容性。 在连续的O2等离子体和Ar等离子体清洁步骤之后，将SiC和TiN膜溅射到裸硅衬底上。 在AJA ATV 1800-V溅射工具中，在氩气氛中从SiC靶溅射SiC膜至250nm的厚度。 腔室压力保持在2.5mTorr，DC溅射源以1kW运行，没有任何外部基板加热。 假设这些条件产生了非晶膜，在[27]中得到了支持。
在CVC 610溅射工具中以反应溅射工艺沉积TiN膜。 首先，在氩气环境中以5mTorr和1kW沉积薄Ti粘附层。 接下来，在预溅射30分钟之后，在2-5mTorr和1kW的N2等离子体中从Ti靶溅射TiN，氮化靶的表面。 反应溅射TiN通常是化学计量的，并具有柱状晶粒结构[28]。 Ti / TiN叠层的总膜厚度为250nm。 这些薄膜的力学性能已通过纳米压痕法进行了探索，并总结在表2中
3.结果与讨论
3.1.微型燃气轮机性能
微型燃气轮机性能用于测量涡轮机的总体效率，它与滚道状况直接相关。评估涂覆有TiN或SiC薄膜的蚀刻硅赛道和未涂覆的滚道。表2中报道了这两种薄膜的机械性能，硬度和硬度。
减少硬度增加引起的机械变形可以通过两种机制减少摩擦和磨损：减少塑性变形损失的能量，并减少球和滚道之间的接触面积。使用上述速度对输入功率性能测试方法完成MTD内涂层跑道的初始表征。在此测试过程中，由于涡轮机压力泄漏通过轴承，因此转子受到推力腔加压的法向力可达12 mN。这种相对较低的负载证明足以快速磨损SiC膜，而TiN涂层和裸Si跑道几乎完全相同。初始性能表征的结果，包括SiC薄膜的磨损，可以在图3中间接观察到高输入功率下获得的低速。下一节将讨论SiC膜的加速磨损。
为了更好地理解长期磨损机制，对裸露硅轮机进行了性能评估，并进行了不超过5500万转（M rev。）的清洗。 图4突出了长期涡轮机性能的两个方面。
最初测量MTD性能，然后在清洁前测得的累计磨损量高达205M rev。 插图将清洁前后的性能与典型磨损级别的初始性能进行比较。 在性能表征之间，设备以100mN的正常负载运行，以加速磨损过程。
MTD的性能表现出在55M和205M rev之间降低。 测试，因为达到给定涡轮速度需要多达75％的功率。 观察到的性能下降很可能是由于在操作期间随机喷射和侧壁材料从球侧壁冲击造成的。 图4（插图）显示了100 M rev时的性能曲线。 水平直接在测试（预清洁）和清洁程序之后，揭示在清洁之后涡轮机性能提高。 图5比较了2 M rev后原始和测试设备的侧壁。
在跨越5M rev的测试中，在管道晶圆上观察到喷射磨损碎片。或者更多。图6（a）示出了45M rev后从MTD封装中移除的管道晶片。操作。在涡轮机出口周围可以观察到涡轮叶片布置之后的磨损碎片晕。图6（b）和（c）显示了磨损碎片和随后的EDS化学分析的SEM显微照片，清楚地显示磨屑主要由铁组成，因此来源于微球。
图图5和图6展示了长期涡轮机运行期间的两种碎片产生机制。这种碎片可以通过超声波清洗装置来清除，如图4（插图）所示，装置在清洁过程后恢复到原始性能值。效果侧壁（硅）与球（钢）碎片的比例未知，尽管测试后钢渣显着更多。
旋转摩擦测试与涡轮机性能测试结合使用，以比较TiN和裸硅滚道摩擦。降速测试程序在[10]中描述。 TiN滚道经过与裸露硅轮机（10 mN / 2M rev。）相同的转子负载/转速测试。 TiN和Si跑道的动摩擦转矩（DFT）的初始值是相似的，如图7a所示。
尽管具有较高的硬度，但在初始测试中没有观察到摩擦减少。这可能是由于表面特性对体积特性的影响增强，正如系统几何尺寸减小的情况。
在初始测试之后，TiN涂层和Si MTD以10mN转子法向载荷运行1M转。然后重新测试。这个过程重复了两次。图7b比较了2M rev后Si和TiN涂层滚道的DFT值。穿。可以观察到，Si滚道保持一致的性能，而涂覆TiN的滚道变得越来越不稳定。 DFT测试不超过2M rev。这样可以检查滚道，这是微型涡轮机的破坏性过程。
3.2.磨损机制
3.2.1.压力诱导的硅相变
图8显示了比较两个硅轨道（D1和文献[1]中的微型涡轮机）的磨损和未磨损区域的拉曼光谱。在160cm -1处的宽峰和在470cm -1处的肩峰与对于磨损的区域特定的应力诱导的非晶硅（alpha;-Si）相一致。
先前关于用球形压头表征硅的纳米压痕的研究与在微球轴承中观察到的形貌密切相关。在[29,30]中给出的结果表明，压力诱导的相变发生在接触压力为2GPa至7GPa的数量级，这比测试的微型球轴承的计算接触压力高一个数量级。在我们的装置中，观察到140和500MPa平均球应力下的相变，假设100个球均匀支撑载荷，对于10和500mN的转子载荷，表明涡轮内的峰值应力远高于计算值，或者相变机制是速率相关的。已知计算的峰值应力被认为是低估了实际峰值应力，因为假设所有滚珠均匀地与滚道接触。实际上，一部分滚珠由于滚道波动而支撑转子的法向载荷，因此实际的峰值载荷要高得多。纳米压痕研究还显示压痕后固体中存在其他硅晶相，其量和形态高度依赖于加载过程的动力学[31]。在我们的工作中缺乏替代性的Si相可能是由于加载的周期性和加
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