DLC涂层是一种由碳元素组成的物质,性质与钻石相似,具有石墨原子组成的结构。DLC涂层是一种非晶体薄膜,由于其硬度高、弹性模量大、摩擦因数低、耐磨性好、真空摩擦特性好,非常适合作为耐磨涂层,因此引起了摩擦学界的关注。
一、DLC涂层的低表面可用作MEMS表面材料。随着装置零件尺寸的减小,表面现象变得越来越重要。随着表面现象的范德华力,毛细管吸附和粘性引起的局部剪切力在微观条件下变得非常重要。MEMS的典型装置具有从几十微米到几毫米的尺寸范围,单个部件的尺寸在亚微米到几微米之间。MEMS装置的性能是由表面附着力和摩擦力决定的。低附着力会降低产品合格率,组装过程中产品质量参差不齐。高摩擦磨损会提前损坏产品,降低产品的使用寿命。DLC涂层具有低表面能和大接触角,可以减少独立元件粘附在基体上的倾向,显著提高产品的合格率、可靠性和使用寿命。
二、利用DLC涂层的低摩擦系数作为MEMS固体润滑剂。微型机械驱动器具有微型发动机、齿轮、轴承等运动部件,在运行过程中会经历表面的紧密连接。粘性剪切力在微尺度下特别高,因此液体润滑剂不再是减少摩擦的有效途径。基于Si的微型电机和发动机只能正常运行几分钟,然后会因为摩擦而崩溃。DLC涂层摩擦系数低,磨损率低,成为MEMS设备理想的固体润滑剂。在实验阶段,线性电机的滑动部件表面覆盖了5-15nm厚的DLC层,将部件的使用寿命延长到(15-80)×106个周期。虽然大多数MEMS电机不应用于腐蚀性空气环境,但它们仍然会通过物理吸附接触外部腐蚀环境,这将使材料的摩擦和耐磨性产生相当大的波动。四面体非晶碳膜(ta-C)在这方面的性能优于含氢非晶碳膜(a-C:H)。它们的摩擦系数在真空和干燥环境中很高,但在相当大的范围内非常稳定,即使在湿度增加的环境中也没有显著增加。
三、利用DLC涂层的各种性能作为MEMS结构材料。DLC涂层作为MEMS的结构材料,具有杨氏模量高、硬度高、导热性高、热膨胀系数低的特点。由于谐振频率高,金刚石和DLC涂层已成功应用于悬臂梁和梳状驱动器作为结构材料;由于热膨胀系数低,用于双压电晶片结构;它们广泛应用于MEMS封装,因为它们可以在很大程度上散热;它们用于微齿轮和线性电机,摩擦系数低,耐磨性高。基于DLC涂层的MEMS设备包括传感器和驱动器。
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