壓頭曲率半徑對(duì)單晶硅和氮化碳薄膜徑向納動(dòng)損傷的影響.pdf

1、單晶硅是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的主要結(jié)構(gòu)材料，氮化碳薄膜(α-CNx)和DLC薄膜具有良好的機(jī)械性能，作為防護(hù)層薄膜已被廣泛用于微機(jī)電系統(tǒng)。徑向納動(dòng)廣泛存在于MEMS中，對(duì)MEMS器件的運(yùn)行可靠性有重要影響。因此，研究單晶硅的徑向納動(dòng)損傷及防護(hù)不僅可以豐富納米摩擦學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，而且對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)的抗納動(dòng)損傷設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。
　　 本文首先利用納米壓痕儀和2μm球形壓頭，簡(jiǎn)要討論了氮化碳薄膜和單晶硅納動(dòng)損傷形式的不同，以及薄

2、膜對(duì)基體的保護(hù)作用；而后，采用壓痕儀和三種典型的不同形狀和曲率半徑的金剛石壓頭，研究了壓頭曲率半徑對(duì)單晶硅和氮化碳薄膜徑向納動(dòng)損傷的影響，并結(jié)合SEM的損傷形貌觀察，分析其接觸剛度隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。最后，利用納米劃痕儀討論了劃痕實(shí)驗(yàn)設(shè)定的參數(shù)變化對(duì)單晶硅和氮化碳薄膜摩擦力和劃痕損傷形貌的影響。本文獲得的主要結(jié)論如下：
　　 1.120nm厚α-CNx薄膜比單晶硅基體軟，徑向納動(dòng)過程中，α-CNx軟膜良好的塑性變形能力，對(duì)壓頭

3、的壓入產(chǎn)生了一定的緩沖作用，降低了單晶硅基體的損傷，很好的保護(hù)了基體。隨著循環(huán)次數(shù)和載荷的增大，單晶硅的損傷形式主要表現(xiàn)為徑向裂紋的擴(kuò)展和剝落，而氮化碳薄膜的損傷依次表現(xiàn)為薄膜彎曲變形、環(huán)狀裂紋產(chǎn)生和徑向裂紋萌生三個(gè)階段。
　　 2.納動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，相對(duì)于尖端曲率半徑，壓頭在一定壓入深度下的等效曲率半徑是決定材料納動(dòng)損傷程度的更有效參數(shù)。當(dāng)壓入深度小于臨界壓入深度時(shí)，Berkovich壓頭等效曲率半徑最小，對(duì)單晶硅和氮化碳薄膜的徑向

4、納動(dòng)損傷最嚴(yán)重；當(dāng)壓入深度大于臨界壓入深度以后，2μm球形壓頭等效曲率半徑最小，對(duì)單晶硅和氮化碳薄膜的徑向納動(dòng)損傷最嚴(yán)重。在納動(dòng)循環(huán)初期，2μm球形壓頭和Berkovich壓頭在硅表面的接觸剛度升高較快，單晶硅表面的加工硬化現(xiàn)象明顯，而20μm球形壓頭基本不引起硅的加工硬化。
　　 3.在單晶硅和氮化碳薄膜的劃痕實(shí)驗(yàn)中，劃痕速率是影響摩擦力和劃痕損傷的主要因素，而加載速率和劃痕長(zhǎng)度對(duì)摩擦力基本沒有影響。
　　 4.實(shí)驗(yàn)所