Tribology of carbon based coatings on patterned surfaces in flat-flat micro contact

Minimierte Reibung und Verschleiß sind von besonderem Interesse bei Mikro-Elektro-Mechanischen Systemen (MEMS), insbesondere bei Mikroaktoren mit ihren gegeneinander gleitenden Teilen. Für die verbesserte Lebensdauer und die Funktiosfähigkeit werden dünne diamantenartige Kohlenstoffschichten (DLC) aufgebracht. Neben der Verbesserung im Verschleiß wird auch eine Verbesserung im Reibverhalten realisiert. Dieser Artikel beschäftigt sich mit der Verbesserung der Mikrotribologie unter Benutzung maßgeschneiderter Mikrostrukturen. Hierzu werden 450 nm dicke DLC Schichten auf mikrostrukturiertes Silizium (100) aufgebracht. Diese Mikrostrukturen führen zu reduzierten Reibungskoeffizienten im Vergleich zu unstrukturierten Oberflächen. Zwei Effekte, der Einfluss der Mikrostrukturen und der Einfluss der resuktierenden Flächenpressung werden analysiert. Auf der einen Seite werden die untersuchten Mikrostrukturen jeder mit vergleichbarer resultierender Flächenpressung in der Form variiert, z.B. kreisförmige Pins und Honigwabenstrukturen. Auf der anderen Seite wird die resultierende prozentuale Kontaktfläche bei fester Mikrostruktur variiert. Die resultiende Kontaktfläche wird auf 8.5x8.5mm2 großen Proben im Bereich von 4 bis 40% variiert. Die resultierende Flächenpressung ist im Bereich von 2 bis 500 kPa. Ein oszillerender Reibungs- und Flächenverschleißtester (OFT) mit Vollflächenkontakt wird für die Reibungsuntersuchung verwendet. Verschiedene Anregungsformen der Oszillationsbewegung werden von 1 bis 10 Hz Oszillationsfrequenz untersucht.

Minimized friction and wear are of special interest in Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS), especially for micro actuators with their slidling parts in relative motion to each other. For improved lifetime and reliability thin diamond-like carbon (DLC) coatings are applied. Besides wear improvement also optimization of the friction behaviour was realized. This paper deals with the improvment of microtribology by use of tailored micro structures. Therefore 450 nm thick DLC films were applied on top of the micro structured Silicon (100). These microstructures lead to reduced friction coefficients compared to unstructured surfaces. Two effects, the influcence of the used pattern and the influence of resulting contact pressure were analyzed. On the one hand the investigated microstructures were varied in shape, e.g. circular pins and honeycomb like structures, each with comparable resulting contact area. On the other hand the resulting percentage contact area was varied for fixed pattern type. The resulting contact area was varied in a range from 4 to 40% using 8.5x8.5mm2 small samples. The resulting contact pressures were in the range from 2 to 500 kPa. An oscillating friction and wear tester for flat mirco-parts (OFT) was used for friction testing under full-area contact. Different excitation signals of the oscillating motion were studied from 1 to 10 Hz oscillating frequency.