硅基mems器件的液体润滑及纳米磁性液体磁控润滑分析-analysis of liquid lubrication and nano-magnetic liquid magnetic control lubrication for silicon-based mems devices.docx

论文审阅认定书研究生 吴 健 在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同， 论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论 文送专家评审。导师签字：年 月 日致 谢本论文是在导师刘同冈教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、研究内 容和方案的确定到论文的撰写、修改和定稿，都得到了导师悉心细致的教诲。 自我从 2008 年攻读硕士研究生开始，就一直在他的指导下从事相关的研究工作， 这七年来，无论是在学业上还是在生活中刘老师都给与了我极大的支持和帮助， 如果没有刘老师的指导和鼓励，本论文不可能顺利完成。感谢刘老师将我领进 这一科学领域并给我提供这么好的研究条件，这将是我一生永恒的财富。再次 感谢刘老师见证了我这七年的成长。感谢实验室刘书进老师、高宏老师和李浩平老师在方案实施过程中给予的 建议和帮助，同时还要感谢赵广杰老师和张友谊老师的大力支持。感谢陪伴我研究生生涯的各位师弟师妹们，感谢你们在论文的准备和实施 阶段给予了的帮助，正是有你们的陪伴才使得我的学术生涯充满了乐趣。他们 有：夏聪硕士、王松硕士、邹学壮硕士、王晴硕士、李菲菲硕士、孙远洋硕士、 张亮硕士、田育阳硕士、刘帅硕士、尹浩硕士、赵志强硕士、郭岩硕士、费菲 硕士、吴旭东硕士、程干硕士和龚德明硕士等。感谢我的家人这些年来对我的支持和鼓励，没有他们默默的付出，我是坚 持不到最后的。感谢江苏省自然基金对本研究的资助。 感谢本文引用文献的各位作者所提供的学术信息。 最后，衷心感谢各位专家能在百忙之中抽时间评阅本文。II摘 要微机电系统（MEMS）器件的工作间隙尺度常处于纳米级，受尺寸效应的 影响，作用在表面上的摩擦力和粘着力等相对于体积力而言要大很多，同时由 于其运转速度高，因此相对于传统机械而言，摩擦问题显得更加突出。由于担 心液体润滑剂本身的粘滞力会给 MEMS 器件的运行带来额外的阻力，目前对微 机械表面的润滑主要采用薄膜润滑技术。为了研究液体润滑剂对硅基 MEMS 器件表面的润滑性能，本文设计了一种新型的微观摩擦磨损试验装置，并对硅 基 MEMS 器件的液体润滑和纳米磁性液体磁控润滑进行了研究。为了实验研究硅基 MEMS 器件表面的微观摩擦特性，设计了一种基于销盘式摩擦副的微摩擦磨损试验测试装置，详细介绍了该装置的组成、工作原理及 关键部件的设计。其中，利用 MEMS 平面弹簧实现微牛量级载荷的施加和测量， 利用 MEMS 旋转弹性元件实现微牛米量级摩擦扭矩的测量，通过设计摩擦试件 自适应结构使摩擦副的表面始终良好接触，借助润滑油池和润滑液自动补充装 置保证摩擦副的良好供液，采用 LabVIEW 上位机软件实现了测试数据的采集 及处理。实验标定结果表明，该微观摩擦磨损试验台动态性能良好，载荷分辨 率为 0.08mN，摩擦力分辨率为 0.024mN，能够满足 MEMS 器件微摩擦磨损的 实验测试要求。根据摩檫学理论中 Stribeck 曲线三种润滑阶段的变化规律，确定了试验参 数，利用上述微观摩擦磨损试验装置测试了液体润滑剂对硅基 MEMS 器件微观 表面的润滑性能。实验研究了不同载荷条件，去离子水、十六烷、硅油和角鲨 烷等不同粘度液体对硅基 MEMS 微观表面润滑性能的影响，通过测量不同相对 滑动速度条件下的摩擦系数和两摩擦副表面间的油膜厚度，讨论了硅基 MEMS 器件表面的摩擦机理以及液体润滑特性。同时，基于表面织构技术在摩擦试件 表面加工出不同表面纹理，结合实验测试和模拟仿真分析，讨论了表面纹理对 MEMS 器件微观表面液体润滑的影响。利用 SEM 表征了 MEMS 器件表面在混 合摩擦阶段的微观磨损形貌，分析了液体润滑对 MEMS 器件的减摩特性。在理论分析纳米磁性液体粘磁特性的基础上，测试了外加磁场作用下纳米 磁性液体的粘度变化规律。通过在微观摩擦磨损试验台上改造加装磁场装置， 测试了不同磁场条件下纳米磁性液体对 MEMS 微观表面的润滑性能，利用 SEM 和 XPS 等表征手段分析了纳米磁性液体作为润滑剂时的润滑机理，探讨了纳米 磁性液体对 MEMS 器件表面的磁控润滑性能。该论文有图 120 幅，表 6 个，参考文献 175 篇。关键词：MEMS 器件；微观摩擦磨损实验装置；摩擦行为；液体润滑；纳米磁 性液体；磁控润滑 PAGE PAGE IIIAbstractMEMS device, characterized by nano-sized clearance between parts in operation, is required to work under the condition of high relative spee