刘加凯

（武警工程大学装备工程学院，西安710086）

多层薄膜结构中的热应力分析

刘加凯*

（武警工程大学装备工程学院，西安710086）

针对当前无法分析MEMS多层薄膜结构中热应力的现状，通过修正Suhir.E提出的双金属带热应力分布理论，提出了MEMS多层薄膜结构的热应力分布模型，该模型适用于评估MEMS多层结构中热应力分布规律，同时为采取合理措施减小应力提供了理论支持。在温度载荷作用下，多层薄膜结构中将产生正应力、剪应力和剥离应力的作用，应力变化主要集中在界面端处。其中，正应力分布于各层内，随与中心点距离的增大呈指数减小，在端面处急剧减小至最小值；剪应力和剥离应力则主要分布于各层界面上，随与中心点距离的增大呈指数增大，在界面端处达到最大值。最后，开展了由四种材料（玻璃、铬、铜、镍）组成的多层薄膜结构的热力学仿真分析，验证了所建立解析模型的正确性，以及各应力在多层结构中的分布规律。

MEMS；多层薄膜结构；热应力；温度载荷

EEACC:7230doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2016.07.008

利用薄膜工艺制备的多层结构在MEMS器件中有着广泛的应用［1］，环境应力对其可靠性具有重要的影响。其中，外界温度载荷对MEMS器件最显著的影响，是在由不同材料制成的多层结构中由于热膨胀系数失配而引入较高的热应力，引起结构发生翘曲、剥离、龟裂等失效模式［2］，降低MEMS器件的可靠性。

关于多层薄膜结构中热应力的分析，目前被广泛应用的是Stoney公式，它通过测量镀膜前后基片曲率半径的变化量来计算薄膜层中的正应力［3］。……