压头曲率半径对单晶硅和氮化碳薄膜径向纳动损伤的影响

论文摘要

单晶硅是微机电系统（MEMS）的主要结构材料,氮化碳薄膜（α-CNx）和DLC薄膜具有良好的机械性能,作为防护层薄膜已被广泛用于微机电系统。径向纳动广泛存在于MEMS中,对MEMS器件的运行可靠性有重要影响。因此,研究单晶硅的径向纳动损伤及防护不仅可以丰富纳米摩擦学的基础知识,而且对微机电系统的抗纳动损伤设计具有重要的参考价值。本文首先利用纳米压痕仪和2μm球形压头,简要讨论了氮化碳薄膜和单晶硅纳动损伤形式的不同,以及薄膜对基体的保护作用；而后,采用压痕仪和三种典型的不同形状和曲率半径的金刚石压头,研究了压头曲率半径对单晶硅和氮化碳薄膜径向纳动损伤的影响,并结合SEM的损伤形貌观察,分析其接触刚度随循环次数的变化规律。最后,利用纳米划痕仪讨论了划痕实验设定的参数变化对单晶硅和氮化碳薄膜摩擦力和划痕损伤形貌的影响。本文获得的主要结论如下：1.120nm厚α-CNx薄膜比单晶硅基体软,径向纳动过程中,α-CNx软膜良好的塑性变形能力,对压头的压入产生了一定的缓冲作用,降低了单晶硅基体的损伤,很好的保护了基体。随着循环次数和载荷的增大,单晶硅的损伤形式主要表现为径向裂纹的扩展和剥落,而氮化碳薄膜的损伤依次表现为薄膜弯曲变形、环状裂纹产生和径向裂纹萌生三个阶段。2.纳动实验中,相对于尖端曲率半径,压头在一定压入深度下的等效曲率半径是决定材料纳动损伤程度的更有效参数。当压入深度小于临界压入深度时,Berkovich压头等效曲率半径最小,对单晶硅和氮化碳薄膜的径向纳动损伤最严重;当压入深度大于临界压入深度以后,2μm球形压头等效曲率半径最小,对单晶硅和氮化碳薄膜的径向纳动损伤最严重。在纳动循环初期,2μm球形压头和Berkovich压头在硅表面的接触刚度升高较快,单晶硅表面的加工硬化现象明显,而20μm球形压头基本不引起硅的加工硬化。3.在单晶硅和氮化碳薄膜的划痕实验中,划痕速率是影响摩擦力和划痕损伤的主要因素,而加载速率和划痕长度对摩擦力基本没有影响。4.实验所用DLC薄膜比单晶硅硬度大。薄膜划痕损伤经历三个阶段：薄膜弹性变形、产生鱼骨状裂纹、脆性剥落,分别对应摩擦力曲线的直线段、低斜率上升和急剧增加。同种载荷下,50nm厚薄膜比20nm厚薄膜摩擦力小,损伤小,抗划性能好；同种厚度的CN、薄膜比DLC薄膜抗划性能好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 微机电系统及其摩擦学问题
• 1.1.1 微机电系统概述
• 1.1.2 微机电系统摩擦学问题
• 1.1.3 微观摩擦学的研究手段
• 1.1.4 MEMS材料的应用
• 1.2 纳动
• 1.2.1 单晶硅的纳动损伤研究
• 1.2.2 薄膜的纳动损伤研究
• 1.3 划痕损伤研究
• 1.4 论文研究意义及内容
• 1.4.1 论文的研究意义
• 1.4.2 论文的研究内容
• 第2章 实验材料和方法
• 2.1 实验装置
• 2.2 材料选择、实验参数及分析方法
• 2.2.1 材料选择
• 2.2.2 实验参数
• 2.2.3 材料分析手段
• 2.3 实验分析方法
• 2.3.1 压痕实验理论分析方法
• 2.3.2 划痕实验理论分析方法
• 第3章 单晶硅和氮化碳薄膜的径向纳动行为研究
• 3.1 实验材料与方法
• 3.1.1 实验材料
• 3.1.2 实验方法
• 3.2 实验结果与讨论
• 3.2.1 单次压痕实验结果
• 3.2.2 纳动行为研究
• 3.3 本章小结
• 第4章 压头曲率半径对单晶硅和氮化碳薄膜径向纳动损伤的影响
• 4.1 实验材料与方法
• 4.1.1 实验材料
• 4.1.2 实验方法
• 4.2 单晶硅实验结果与讨论
• 4.2.1 纳动曲线
• 4.2.2 纳动损伤
• 4.2.3 结果讨论
• 4.3 氮化碳薄膜实验结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 划痕速率对单晶硅和氮化碳薄膜划痕损伤的影响
• 5.1 实验材料与方法
• 5.1.1 实验材料
• 5.1.2 实验方法
• 5.2 单晶硅实验结果与讨论
• 5.2.1 变载结果
• 5.2.2 恒载结果
• 5.2.3 划痕损伤及讨论
• 5.3 氮化碳薄膜实验结果
• 5.4 本章小结
• 第6章 不同膜厚DLC薄膜对单晶硅的保护作用
• 6.1 实验材料和方法
• 6.1.1 实验材料
• 6.1.2 实验方法
• 6.2 实验结果与讨论
• 6.2.1 压痕实验结果
• 6.2.2 划痕实验结果
• 6.3 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目