纳米薄膜热学性能的应变温度依赖性与机理研究

When working in high or alternating temperatures, the MEMS devices incline to thermomechanical failures, which have become a bottleneck for the further development of the MEMS devices. The basic reason is that in the study of thermomechanical properties of the MEMS devices, there is a lack of the proper thermodynamic performance coupling relationship of the thin film materials when the change of the temperature leads to the coexistence of the stress and temperature fields. In this project, the nano thin-films widely used in the MEMS devices are served as the object of study, and we will investigate the dependence of the thermal properties of nano thin-films on the strain/ temperature and reveal the interior mechanisms. Based on the analysis of microstructure and phase of the thin-films, Boltzmann equation theory is applied to derive the relationships among the thermal expansion coefficient, thermal conductance and strain/ temperature. The different types of nano thin-films are modeled, simulated and analyzed by the MD (Molecular Dynamics) method, respectively, in order to reveal the change law of the thermal properties of nano thin-film materials and the microstructure evolution under the effects of strain/ temperature. A new measurement method of the thermal mechanical performance parameters of the nano thin-films and the factors affecting the accuracy will be studied based on the micro sample. Combining with the theory and the simulation results, the mathmatical model can be established, which can accurately describe how thermodynamic properties of the nano thin-films depend on the strain/ temprature. Finally, it is possible for us to give a new method for designing the MEMS devices on the basis of our conclusions about the dependences of thermal properties of the nano thin-films on the strain / temperature.

在MEMS器件服役中由于高温及交变温度场作用而导致的热机械失效问题，成为MEMS器件进一步发展的瓶颈。其根本原因是，在MEMS器件的热机械特性研究中，缺乏由于温度变化而导致的应力、温度场并存时薄膜材料正确的热力学性能耦合关系。项目以MEMS器件中广泛应用的纳米薄膜材料为研究对象，针对纳米薄膜热学性能参数的应变温度依赖性规律及内在机理展开研究。纳米薄膜微观结构和物相分析基础上，结合玻尔兹曼方程理论开展热膨胀系数、热导率与应变温度关系的理论研究；对不同类型纳米薄膜材料分别采用分子动力建模、仿真与分析，揭示在应变和温度作用下的纳米薄膜材料热力学性能变化规律及其微观结构演化方式；研究基于微试件的新型纳米薄膜热力学性能参数的测试方法和精度影响因素，结合理论与仿真结果，建立能够准确描述纳米薄膜热力学性能与应变、温度依赖性的数学模型；探索基于纳米薄膜热学性能应变温度依赖性的MEMS器件可靠性设计方法

以MEMS薄膜器件中广泛应用的纳米薄膜材料为研究对象，项目针对纳米薄膜热学性能参数的应变温度依赖规律及内在机理展开系统研究。对不同类型纳米薄膜材料采用分子动力学建模、仿真与分析，研究薄膜热学性能的随温度应变的变化规律。数值仿真研究了非晶SiO2薄膜、非晶硅/晶体硅超晶格、非晶SiO2/晶体Si异质结，首次建立了这三种结构的纳米介质薄膜的热学性能随应变温度的依赖关系。计算得到了异质结构应变温度场下界面热阻的变化规律，为多层薄膜热学性能失配分析提供了理论依据。基于声子态密度与界面态密度重合系数的分析，揭示了应变温度场下纳米薄膜热传导性能随温度应变变化的内在机理。针对孔状悬膜结构受力形式，提出了一种研究应变对薄膜热导率影响的测试方法。创新性地提出薄膜样品新型等应变施加装置，结合3-ω薄膜热导率测试方法研究了应变对附着在基底上的介质薄膜热导率影响方式。在分析薄膜样品的非均匀应变分布特征基础上，首次建立薄膜施加应变、装置尺寸和加载位移之间的数学模型。基于应变装置和数学模型，构建了专用的薄膜热力学性能测试系统，并分析了非真空环境下空气对3-ω法测量结果的影响。同时，针对MEMS悬臂梁薄膜特征结构，首创一种应变对薄膜热导率影响的测试方案。基于四点弯曲原理，发明一种对薄膜施加单轴拉伸应变的机械装置，并将该装置与3-ω法相结合，建立了一种简便准确的薄膜热导率测试系统。在该系统上，通过加载重量改变可对样品施加不同的负载，并通过力传感器测量对应的准确的薄膜应变。研究了多种应变形式对介质薄膜热导率的影响规律。将项目的理论和实验成果，在MEMS气体传感器、微色谱芯片等器件的研发中进行了应用，有效提升了器件的性能。 . 项目为准确描述纳米薄膜热力学性能与应变、温度依赖关系提供了研究范式和例证，为基于纳米薄膜热学性能应变温度依赖性的MEMS 器件设计和应用提供理论基础。