薄膜熱電偶感測器製作於石墨碳刷與磨耗特性研究

©2007 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851

摘 要

本研究利用微機電製程技術（MicroElectroMechanical System, MEMS）：沉積、微影蝕刻技術製作熱電 偶感測器。藉由直流射頻濺鍍機沉積銅與鏮銅金屬，於石墨上製作薄膜熱電偶溫度感測器（Thin Film Thermocouples, TFTCs）。探討石墨碳刷與銅盤於低荷載 0.5N、1.0N、3.0N 與高轉速 1000rpm (v= 8.37 m/s) 條件下的摩擦係數、磨耗率以及表面摩擦溫度的變化。薄膜熱電偶熱電動勢（Thermoelectric power）在 250 ℃時量測分別為52.3μV/℃、59.2μV/℃與 58.2μV/℃。滑移接觸過程，TFTCs 針對真實接處面與閃點溫度量 測。實驗量測數據，於低負荷條件下的摩擦係數都達到0.2 以上；藉由電子顯微鏡（SEM）觀察滑移接觸後， 碳刷表面形貌與磨耗機制。 關鍵詞：薄膜熱電偶、熱電動勢、磨耗

1. 前 言

在科技產業年代，無論傳統機械，精密機械抑或航太、軍事科技中，只要有互相接觸運動之元件，則 摩擦，磨耗及潤滑便為不可忽略的現象。這些現象不但影響其機械之特性，亦限制了機械之使用壽命。 固態潤滑技術最早是應用於軍事工業，接著在一些高科技領域，如人造衛星、航太技術與高科技電子 產品中的應用，解決了一些液體潤滑難以克服的困難問題且固體潤滑材料與技術已成為高科技的快速發展 不可缺少的組成部份。固態潤滑（Solid lubricants）的應用已有很長的歷史，如石墨（Graphite）、二硫化鉬 （MolydiSulfide，MoS2）、聚四氟乙烯（PolyTetraFluoroEthylene，PTFE）等都是典型的固態潤滑劑[1]；固 體潤滑材料是與傳統潤滑材料（潤滑油、潤滑脂）截然不同型的潤滑材料，與傳統潤滑材料在摩擦界面上 形成某種形式的流體或半流體膜而起到有效的潤滑作用相對應，固體潤滑材料則主要是依靠材料本身或其 轉移膜的低剪切特性而具有優良的抗磨和減磨的作用[2]，然而在與對偶材料摩擦時表面粗糙度、負載、溫 度、接觸滑移速度與特殊介質等典型特殊條件下的摩擦磨損問題提供了強有力的技術支援。

石墨為層狀六方晶體結構（Hexagonal Close Packed, HCP），如圖 1.1。由於 c 軸方向鍵結力較弱，所以 剪切強度很小，在摩擦過程，有效的降低摩擦係數與減少滑移接觸面的磨耗，以被廣泛使用在碳刷的材料。 由於碳刷的磨耗效應，其滑動界面接觸溫度，長期受到研究者興趣，當碳刷界面溫度達到臨界值時，碳刷 材料的機械強度將降低[4-8]。因此，研究者嘗試針對滑動接觸溫度量測了解與預測碳刷與轉子間複雜的磨 耗機制。當摩擦面的溫升，以微小的真實接觸點微熱源，即便發生高溫，對於大的溫度梯度，不易測得局 部高溫。若藉由兩接觸材料產生熱電效應，即可測量特定點的溫度[2,3]。

圖1.1 石墨的晶體結構[1]

Liu, Carnes, and Gully[4]在碳刷試片位置 0.36 mm 至 0.51 mm 鑲入 Thermocouples，利用 Thermocouples 監測滑動介面接觸的點溫度，量測到銅的最高溶點溫度。Lu and Bryant[5-7]結合電，熱和熱彈性領域，使用 有限元素法和數值正合解分析，模擬塊狀碳石墨與快速運動導體間彈性接觸應力、熱和磨擦熱的熱腫 （Thermal mound）現象。 利用紅外線（Infrared Radiation，IR）由於接近接觸範圍有高的溫度梯度變化因素，在碳刷界面要量測 正確接觸點的溫度是很困難。大部分碳刷使用中其溫度量測均使用紅外線溫度計作界面溫度量測與監測， 而界面之定義含蓋滑動表面。[8-13]由以上各學者研究分析，部分學者以碳刷通入電流作為實驗，但因通入 電流大小，將影響摩擦率及摩擦係數。另有學者使用紅外線量測溫度，因溫度梯度關係，此一技術只能量 測碳刷邊緣的溫度而無法真正量測到接觸位置溫度。 熱電偶作爲一種測溫傳感元件，被廣泛地應用在工業現場及實驗室。由於熱接點具有一定的熱容量， 熱接點從介質中吸熱量後，加熱自身、使溫度提高到穩定值需要一定的時間；即熱接點的溫度變化，在時 間上總是滯後於被測介質的溫度變化，此熱電偶的這種現象稱爲熱慣性；薄膜式熱電偶因熱慣性小，準確 與反應靈敏，因此對於表面溫升量測更為準確[3]。 本研究擬以碳刷於直流馬達或發電機滑移接觸摩擦時，磨潤性能與摩擦溫度作為研究，藉由微機電製 程技術（MEMS）於石墨表面製作薄膜式熱電偶溫度感測器（TFTCs），對於 TFTCs 製作與磨耗試驗等實驗 並且討論造成問題等因素。

2. 實 驗

2.1 TFTCs 製作 薄膜熱電偶溫度感測器的金屬薄膜是藉由直流射頻濺鍍機，如圖2.1。真空腔體藉由機械幫浦與冷凝幫 浦控制，真空值達10-5~10-6 Torr，表 2.1 是金屬膜的沉積參數。當金屬膜鍍於石墨碳刷後再藉由微影、蝕 刻技術，如圖2.2。銅與鏮銅薄膜的交疊形成 T type 熱電偶感測器，400℃為此熱電偶量測溫度的極限。銅 與鏮銅的薄膜厚度約100 nm，而熱接點（hot junction）區域為 1×1 mm2_{，如圖2.3。} 表2.1 金屬膜沉積參數 供應電源 氬氣流量 功率 預鍍時間 濺鍍時間 工作壓力 銅 DC 10 sccm 150 W 10 mins 30 mins 8 mTorr 鏮銅 DC 10 sccm 150 W 10 mins 30 mins 8 mTorr

圖2.1 濺鍍機系統示意圖 圖2.2 薄膜熱電偶製作過程 圖2.3 銅－鏮銅薄膜熱電偶沉積於石墨 2.2 材料與設備 本研究的磨耗試驗使用block-on-disc 的磨耗試驗機。主要針對石墨碳刷與銅盤（直徑 160mm）的磨耗， 石墨是經過燒結溫度2800℃石墨化所形成的，尺寸為 30mm×30mm×5mm。表 2.2 為石墨的物理特性。實驗 前銅盤需分別藉由800、1000、1200 號砂紙進行表面拋光（Ra= 0.4~0.5μm），然後使用丙銅、酒精清潔。 磨耗實驗參數設定於荷載0.5、1.0、3.0N 與轉數 1000 rpm（v= 8.37 m/s）條件下進行，滑移距離約 242km。 針對溫度、荷重、摩擦係數與磨耗率的量測。數據擷取利用USB-DAQ（National Instruments USB-9162）及 LabVIEW 對類比訊號作資料處理，所有磨耗試驗操作環境於 25±1℃與相對濕度 50~60%。

0 50 100 150 200 250 Temperature (o_C) 0 1E-005 2E-005 3E-005 4E-005 5E-005 6E-005 7E-005 Th er m oc oup le ou tpu t (v)

Equation Y = 2.283771049E-007 * X - 3.901657772E-006 R-squared = 0.960393 0 50 100 150 200 250 300 temperature (0_C) 0 1E-005 2E-005 3E-005 4E-005 5E-005 the rm oel ec tr ic o ut pu t (V ) Y = 1.512421695E-007 * X - 6.486310782E-007 R-squared = 0.985639 0 50 100 150 200 250 temperature (0_C) 0 1E-005 2E-005 3E-005 4E-005 5E-005 6E-005 7E-005 8E-005 the rm ocou pl e ou tput (V) Y = 2.112761397E-007 * X - 2.008144595E-006 R-squared = 0.943226 密度 (g/cm3_{) 1.83} 電阻抗 (μΩcm) 1650 硬度 (HS) 85 抗彎強度 (Mpa) 74 壓縮強度 (Mpa) 180 彈性係數 (Gpa) 14 熱傳導率 (W/mk) 70 熱膨脹係數 (10-6/℃) 5.2 2.3 TFTCs 校正 本研究之薄膜熱電偶溫度感測器校正溫度範圍於 25~250℃，使用加熱平板為加熱源控制溫度，加熱平 板溫度範圍可達500℃。薄膜熱電偶冷接點擷取熱電動勢，藉由 USB-DAQ 擷取卡及 LabVIEW 搭配 T Type 熱電偶進行量測。量測熱電偶迴路電阻值必須小於 70Ω[14]。在校正過程，實驗量測值再藉由最小二乘法 （least square method）運算轉換[15]，如圖 2.4。

(a) (b)

(c)

0 10 20 30 40 50 60 distance (km) 20 40 60 80 100 120 140 te m pa tu re ( 0C) 0 20 40 60 40 80 120 0 20 40 60 40 80 120 -3.0N_1000rpm_TFTCs1 -3.0N_1000rpm_TFTCs2 -3.0N_1000rpm_TFTCs3 0 10 20 30 40 50 60 distance (km) 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 te mp er at ur e ( 0C) 1.0N_1000rpm 0 10 20 30 40 50 60 distance (km) 20 30 40 50 60 70 80 90 100 te m pe ra tu re ( 0C) 3.0N_1000rpm 程造成溫度範圍80~90℃。 (a) (b) (c) 圖3.1 碳刷與銅盤摩擦面溫度量測結果，(a)0.5N_1000rpm (b) 1.0N_1000rpm (c) 3.0N_1000rpm。 3.2 摩擦與磨耗特性 石墨與銅盤不同負荷之摩擦係數研究。摩擦係數(μ)為兩固體表面之間的摩擦力(F)與正向力(N)成正比：

μN

=

F

(1) 在磨耗試驗中，除了摩擦表面的強烈剪切變形及材料間黏著與撕裂；都是會影響摩擦係數，包含摩擦 面溫度的變化也是摩擦係數波動之原因。實驗數據量測結果，於低負荷與高轉速條件下的摩擦係數都達到 0.2 以上，如圖 3.2。然而磨耗過程，初期的不穩定摩擦造成高摩擦係數，但是形成穩態後的趨勢幾乎相同； 摩擦係數高原因可能石墨與銅盤間未形成轉移薄膜。相關研究指出，石墨在銅盤表面若有薄膜層的轉移其 顯示結果摩擦係數大幅下降[16-18]。圖 3.2 (a) 負荷 0.5N 之磨耗初期，石墨與銅盤接觸面為凸起點不穩定 接觸，造成摩擦係數過大其大於1；隨著時間、距離其摩擦過程轉為穩態時摩擦係數亦隨著下降。圖 3.2 (b) (c) 負荷 1.0、3.0N 摩擦係數亦隨距離而逐步緩慢下降。

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 distance (km) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 fr ic ti on coef fici ent 0.5N_1000rpm 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 distance ( km ) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 fr ic ti on coef fi ci ent 1.0N_1000rpm_8hrs 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 distance (km) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 fr ic ti on coef fi ci ent 3.0N_1000rpm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 time (hr) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 di spl acem e ( m m ) (a) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 time (hr) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 disp lacem en t ( m m ) (b) 圖3.2 不同負荷情況下之摩擦係數，(a) 0.5N (b) 1.0N (c) 3.0N。 本研究磨耗試驗過程，擬以發電機或者直流馬達內部碳刷與銅滑移接處之磨耗過程。由於石墨具耐磨 耗的特性；相關磨耗率研究幾乎量測重量損失（weight loss），磨耗率量測磨耗過程必須間隔一段時間終止 實驗量測磨耗損失量，但本研究藉由雷射位移感測器量測磨耗損失位移量。磨耗位移量量測每小時量測記 錄一次，如圖3.3。磨耗初期磨耗損失位移量較大；初期因摩擦所產生熱量，使得接觸點附近的溫度升高， 並因表面受到熱腫關係而向外凸起，過程中成長較快的凸起點分離其他的接觸點，使得負載更形集中，而 造成溫度、應力及熱腫增加，促使磨擦面產生較多的碎硬顆粒陷入滑動面並刮擦表面，因而加速磨耗過程， 使磨耗損失達到最高[19]。 圖3.3 磨耗位移量隨時間變化，(a) 0.5N (b) 1.0N (c) 3.0N。 3.3 表面形貌 實驗經過長時間磨耗過程後，藉由電子顯微鏡（SEM）表面形貌的觀察。摩擦表面磨耗狀況，明顯觀 察黏著磨耗與研磨磨耗情形。表面研磨磨耗由Bryant el at[21]研究指出，當碳刷與銅環之間沒有間隙，則將 使磨損顆粒無法排出，而輕易陷入滑動面造成表面研磨。亦既是硬金屬的粗糙峰崁入軟材料後，在滑動中 推擠產生塑性流動並犁出一條溝槽。圖3.4(a)顯示石墨磨擦表面明顯看出磨耗所造成的犁割與磨屑；然而磨 耗時間越長，形成穩態摩擦時表面局部就越平滑。圖 3.4 (c)表面於高速摩擦時產生石墨表面顆粒脫離，無 法排出摩擦面，且受摩擦高溫影響，導致顆粒附著在表面，附著的顆粒有很強的黏著力，隨著摩擦力作用， 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 time (hr) 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 disp la ce m e ( m m ) (c)

圖3.4 石墨磨擦後表面形貌，(a) 犁割與磨屑 (b) 剝落 (c) 黏著與研磨現象 (d) 裂紋。

4. 結 論

本研究於石墨表面製作薄膜熱電偶與磨耗。實驗結果顯示，成功製作薄膜熱電偶於石墨表面且量測溫 度。熱電偶的靈敏性（sensitivity）取決於薄膜沉積參數[15]。低負荷與高轉速條件下磨耗，其摩擦係數達 到0.2 以上。結果顯示磨耗過程，石墨未在銅盤面上形成轉移膜層，此轉移膜是影響摩擦係數原因之一。本 研究藉由雷射位移感測器量測磨耗損失位移量之可行性。石墨微觀表面觀察，滑移面黏著磨耗（adhesive wear）伴隨研磨磨耗（abrasion wear）等磨耗機制。

參考文獻

[1] 王海斗、徐濱士、劉家浚，”固體潤滑膜層技術與應用”，國防工業出版社，2009。 [2] 蘇品書，“塑性加工摩擦工學”，復漢出版社印行，1889。

[3] J. R. Ho, C. C. Chen and C. H. Wang, “Thin Film Thermal Sensor for Real Time Measurement of Contact Temperature During Ultrasonic Wire Bonding Process,”Sensors and Actuators A: Physical. 2004。

[4] Liu, H. P., Carnes, R. W., and Gully, J. H. (1992), “Measurement and Prediction of Brush Interface Temperature at Sliding Electrical Contacts,” Proceedings of the Thirty-Eighth IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, pp 143-148, IEEE: New York.

[5] Bryant, M. D. and Yune, Y. G. (1989), “Electrically and Frictionally Derived Mound Temperatures in Carbon Graphite Brushes,” IEEE Transactions on Components and Hybrids, 12(2), pp 229-236.

[6] Yune, Y. G. and Bryant, M. D. (1988), “Transient Nonlinear Thermal Runaway Effects in Carbon Graphite Electrical Brushes,” IEEE Transactions on Components and Hybrids, 11(1), pp 91-100.

[7] Lu, C.-T. and Bryant, M. D. (1994), “Thermoelastic Evolution of Contact Area and Mound Temperatures in Carbon Graphite Electrical Brushes,” Wear, 174, pp 137-146.

[8] Lu, C.-T. and Bryant, M. D. (1994), “Simulation of a Carbon Graphite Brush with Distributed Metal Particles,” IEEE Transactions on Components, 17(1), pp 68-77.

[9] Bryant, M. D. (1991), “A Particle Ejection Mechanism for Brushwear,” IEEE Transactions on Components and Hybrids, 14(1), pp 71-78.

[11] Hu, Z. L., Chen, Z. H., and Xia, J. T. (2008), “Study on Surface Film in the Wear of Electrographite Brushes against Copper Commutators for Variable Current and Humidity,c Wear, 264, pp 11-17.

[12] Konchits, V. V. and Kim, C. K. (1999), “Electric Current Passage and Interface Heating,” Wear, 232, pp 31-40.

[13] Zhao, H., Barber, G. C., and Liu, J. (2001), “Friction and Wear in High Speed Sliding with and without Electrical Current,” Wear, 249, pp 409-414.

[14] Yoav Heichal, Sanjeev Chandra, Evgqueni Bordatchev. (2005), “A fast-response thin film thermocouple to rapid surface temperature changes,” Experimental Thermal and Fluid Science, 30,pp153-159.

[15] Lihong Yanga, Yuanshen Zhao, Cenming Feng, Hua Zhou. (2011), “The Influence of Effect on Sensitivity of Cu/CuNi Thin-film Thermocouple,” Physics Procedia, 22, pp95-100.

[16] A.Senouci, J.Frene, H.Zaidi. (1999), “Wear mechanism in Graphite-copper electrical sliding contact,” Wear, 225,pp949-953.

[17] Janko Slavic, Miha Boltezar. (2006), “Measuring the dynamic force to identify friction of a graphite-copper contact for variable temperature and current,” Wear, 260,pp1136-1144.

[18] Da Hai He, Rafael Manory.(2001), “A novel electrical contact material with improved self-lubrication for railway current collector,” Wear, 249,pp626-636.

[19] McNab, I. R. and Johnson, J. L. (1980), “Brush Wear,” Wear Control Handbook, Peterson, M. B. and Winer, W. O., (Eds.), pp 1053-1102,ASME: New York.

[20] Bryant, M. D., Tewari, A., and York, D. (1998), “Effects of Micro(Rocking) Vibrations and Surface Waviness on Wear and Wear Debris,”Wear, 216, pp 60-69.