壓頭曲率半徑對單晶硅和氮化碳薄膜徑向納動損傷的影響.pdf

1、單晶硅是微機電系統(tǒng)(MEMS)的主要結構材料，氮化碳薄膜(α-CNx)和DLC薄膜具有良好的機械性能，作為防護層薄膜已被廣泛用于微機電系統(tǒng)。徑向納動廣泛存在于MEMS中，對MEMS器件的運行可靠性有重要影響。因此，研究單晶硅的徑向納動損傷及防護不僅可以豐富納米摩擦學的基礎知識，而且對微機電系統(tǒng)的抗納動損傷設計具有重要的參考價值。
　　 本文首先利用納米壓痕儀和2μm球形壓頭，簡要討論了氮化碳薄膜和單晶硅納動損傷形式的不同，以及薄

2、膜對基體的保護作用；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單晶硅和氮化碳薄膜徑向納動損傷的影響，并結合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驗設定的參數(shù)變化對單晶硅和氮化碳薄膜摩擦力和劃痕損傷形貌的影響。本文獲得的主要結論如下：
　　 1.120nm厚α-CNx薄膜比單晶硅基體軟，徑向納動過程中，α-CNx軟膜良好的塑性變形能力，對壓頭

3、的壓入產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)狀裂紋產生和徑向裂紋萌生三個階段。
　　 2.納動實驗中，相對于尖端曲率半徑，壓頭在一定壓入深度下的等效曲率半徑是決定材料納動損傷程度的更有效參數(shù)。當壓入深度小于臨界壓入深度時，Berkovich壓頭等效曲率半徑最小，對單晶硅和氮化碳薄膜的徑向

4、納動損傷最嚴重；當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，對單晶硅和氮化碳薄膜的徑向納動損傷最嚴重。在納動循環(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驗中，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度對摩擦力基本沒有影響。
　　 4.實驗所