6 薄膜应力
薄膜应力测定研究现状
薄膜应力测定研究现状3张 文 曹兴进摘要 简介薄膜应力的产生原因,根据薄膜应力测定方法研究的现状,对一些主要测定方法的基本原理及各自的特点进行了综述。
关键词:薄膜 应力 测定 原理中图分类号:T H16 文献标识码:A 文章编号:1671—3133(2005)04—0127—04Curren t st a tus of research on m ea surem en t of the stress i n th i n f il mZhang W en,Cao X i n gji nAbstract The cause of the stress in thin fil m is intr oduced si m p ly.And the p ri m ary theories and characteristics of s o me i m por2 tant measurement methods of stress in thin fil m s were su mmarized according t o the current status of the i m p r ovement of the meth2 ods.Key words:Th i n f il m Stress M ea sure m en t Theory 薄膜通常由它附着的基体支承,薄膜与基体之间构成了相互联系,相互作用的统一体。
这种相互作用宏观上以两种力的形式表现出来:表征薄膜与基体接触界面间结合强度的附着力和反映薄膜单位截面所承受的来自解体约束的作用力—薄膜应力(通常是指内应力)。
薄膜应力是由薄膜本身的微观结构所决定的,而不是由外力加负载所引起的,在作用方向上有张应力和压应力之分。
应该指出,薄膜和基体间附着力的存在是薄膜应力产生的前提条件,薄膜应力的存在对附着力又有重要影响。
薄膜应力的产生原因很复杂,但通常可依据薄膜应力产生的根源,可以归结为以下两个方面:其一是由于薄膜和基体的热膨胀不同引起的;其二是归为薄膜生长过程中的非平衡性或薄膜特有的微观结构引起的。
薄膜应力分析及一些测量结果
文章编号:1005—5630(2001)5 6—0084—08薄膜应力分析及一些测量结果Ξ范瑞瑛,范正修(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800) 摘要:论述了薄膜应力在强激光薄膜应用中的重要性,分析了应力的形成原因及沉积参数、老化条件的关系,给出了应力的简单测试方法及部分结果。
关键词:热应力;形变;沉积;老化中图分类号:O 48415 文献标识码:AStress ana lysis of th i n f il m s and so m e testi ng resultsFA N R u i 2y ing ,FA N Z heng 2x iu(Shanghai In stitu te of Op tics and F ine M echan ics ,Ch inese A cadem y of Sciences ,Shanghai 201800,Ch ina ) Abstract :T he seri ou s influence of stress on h igh pow er laser th in fil m s w as discu ssed in th is p ap er .T he o riginati on of stress and the co rrelati on betw een stress and depo siti on p aram eters and aging conditi on s w ere analyzed .A si m p le stress testing m ethod and som e testing resu lts w ere p resen ted in the con tex t .Key words :therm al stress ;defo rm ati on ;depo siti on ;aging1 薄膜应力研究的重要性薄膜应力在薄膜应用中是一个不容忽视的问题。
薄膜应力测试方法
薄膜的残余应力一、薄膜应力分析图一、薄膜应变状态与应力薄膜沉积在基体以后，薄膜处于应变状态，若以薄膜应力造成基体弯曲形变的方向来区分，可将应力分为拉应力(tensile stress)和压应力 (compressive stress)，如图一所示。
拉应力是当膜受力向外伸张，基板向内压缩、膜表面下凹，薄膜因为有拉应力的作用，薄膜本身产生收缩的趋势，如果膜层的拉应力超过薄膜的弹性限度，则薄膜就会破裂甚至剥离基体而翘起。
压应力则呈相反的状况，膜表面产生外凸的现象，在压应力的作用下，薄膜有向表面扩张的趋势。
如果压应力到极限时，则会使薄膜向基板内侧卷曲，导致膜层起泡。
数学上表示方法为拉应力—正号、亚应力—负号。
造成薄膜应力的主要来源有外应力 (external stress)、热应力 (thermal stress) 及內应力 (intrinsic stress)，其中，外应力是由外力作用施加于薄膜所引起的。
热应力是因为基体与膜的热膨胀系数相差太大而引起，此情形发生于制备薄膜時基板的温度，冷卻至室温取出而产生。
內应力则是薄膜本身与基体材料的特性引起的，主要取决于薄膜的微观结构和分子沉积缺陷等因素，所以薄膜彼此的界面及薄膜与基体边界之相互作用就相當重要，這完全控制于制备的参数与技术上，此为应力的主要成因。
二、薄膜应力测量方法测量薄膜内应力的方法大致可分为机械法、干涉法和衍射法三大类。
前两者为测量基体受应力作用后弯曲的程度，称为曲率法；后者为测量薄膜晶格常数的畸变。
（一）曲率法假设薄膜应力均匀，即可以测量薄膜蒸镀前后基体弯曲量的差值，求得实际薄膜应力的估计值，其中膜应力与基体上测量位置的半径平方值、膜厚及泊松比(Poisson's ratio) 成反比；与基体杨氏模量 (Es，Young's modulus)、基体厚度的平方及蒸鍍前后基体曲率（1/R）的相对差值成正比。
利用这些可测量得到的数值，可以求得薄膜残余应力的值。
薄膜力学中的应力分析
薄膜力学中的应力分析薄膜力学是研究薄膜如何受到压力和应力作用的学科，广泛应用于微电子器件、纳米材料制备等领域。
在薄膜力学中，应力分析是一项关键任务，它能够帮助我们理解薄膜的变形和失效行为，为薄膜材料的设计和应用提供重要参考。
一、应力与应变的基本概念在讨论应力分析之前，我们首先需要了解应力与应变的基本概念。
应力是单位面积内的力的作用，通常表示为σ；而应变则是物体在受到应力作用下的变形程度，通常表示为ε。
应力和应变之间存在线性关系，即胡克定律：σ= Eε，其中E为杨氏模量，是材料的一种力学性质。
二、薄膜的应力分布薄膜在受到力的作用下会产生应力分布，而应力的大小和分布规律对薄膜的性能和稳定性有重要影响。
薄膜中的应力分布主要有三种情况：一是等应力分布，即薄膜中各点的应力大小相等；二是线性应力分布，即薄膜中的应力沿某一方向呈线性分布；三是非线性应力分布，即薄膜中的应力随着位置的变化而变化。
三、平面应力与平面应变在薄膜力学中，经常会研究平面应力和平面应变的情况。
平面应力是指只存在于薄膜的一个面内的应力，适用于薄膜边缘自由的情况。
平面应变是指薄膜在受到应力作用下，只发生在一个平面内的应变。
对于平面应力和平面应变的分析，可以采用两个方向的应力与应变分量来描述和计算。
四、常见的应力分析方法在薄膜力学中，常用的应力分析方法有很多，下面介绍几种常见的方法。
1. 基于梁理论的方法：梁理论认为薄膜在受到应力作用下，可以近似看成在各个截面上为梁的模型。
该方法通常基于材料的物理性质和几何形状，通过求解梁方程得到应力分布。
2. 基于薄膜理论的方法：薄膜理论假设薄膜较薄，且沿厚度方向应力分布均匀。
在此基础上，可以建立弹性方程组，并求解得到应力和应变的分布情况。
3. 有限元分析方法：有限元分析是一种非常常用的数值计算方法，可以用来模拟和分析复杂结构的应力分布。
通过将薄膜划分为一系列小的元素，利用数值方法求解得到应力和应变。
五、应力分析的应用薄膜力学中的应力分析在很多领域都有广泛的应用。
薄膜应力测试方法
薄膜的残余应力测试一、薄膜应力分析图一、薄膜应变状态与应力薄膜沉积在基体以后,薄膜处于应变状态,若以薄膜应力造成基体弯曲形变的方向来区分,可将应力分为拉应力(tensile stress)与压应力 (compressive stress),如图一所示。
拉应力就是当膜受力向外伸张,基板向内压缩、膜表面下凹,薄膜因为有拉应力的作用,薄膜本身产生收缩的趋势,如果膜层的拉应力超过薄膜的弹性限度,则薄膜就会破裂甚至剥离基体而翘起。
压应力则呈相反的状况,膜表面产生外凸的现象,在压应力的作用下,薄膜有向表面扩张的趋势。
如果压应力到极限时,则会使薄膜向基板内侧卷曲,导致膜层起泡。
数学上表示方法为拉应力—正号、亚应力—负号。
造成薄膜应力的主要来源有外应力 (external stress)、热应力 (thermal stress) 及內应力 (intrinsic stress),其中,外应力就是由外力作用施加于薄膜所引起的。
热应力就是因为基体与膜的热膨胀系数相差太大而引起,此情形发生于制备薄膜時基板的温度,冷卻至室温取出而产生。
內应力则就是薄膜本身与基体材料的特性引起的,主要取决于薄膜的微观结构与分子沉积缺陷等因素,所以薄膜彼此的界面及薄膜与基体边界之相互作用就相當重要,這完全控制于制备的参数与技术上,此为应力的主要成因。
二、薄膜应力测量方法测量薄膜内应力的方法大致可分为机械法、干涉法与衍射法三大类。
前两者为测量基体受应力作用后弯曲的程度,称为曲率法;后者为测量薄膜晶格常数的畸变。
（一）曲率法假设薄膜应力均匀,即可以测量薄膜蒸镀前后基体弯曲量的差值,求得实际薄膜应力的估计值,其中膜应力与基体上测量位置的半径平方值、膜厚及泊松比(Poisson's ratio) 成反比;与基体杨氏模量 (Es,Young's modulus)、基体厚度的平方及蒸鍍前后基体曲率(1/R)的相对差值成正比。
利用这些可测量得到的数值,可以求得薄膜残余应力的值。
薄膜应力测试方法及标准
薄膜应力测试方法及标准
嘿，朋友们！今天咱来聊聊薄膜应力测试方法及标准。
那这薄膜应力测试到底咋弄呢？一般来说，先得准备好测试样品，要确保它的平整和洁净哦。
然后把样品固定在测试装置上，这一步可得小心谨慎，千万别弄出啥差错。
接下来就是施加外力啦，慢慢增加力度，同时密切观察薄膜的变化。
在这个过程中，可得注意测量的准确性呀，稍有偏差可能结果就大不同啦！而且操作一定要规范，不然得出个不靠谱的结果，那不就白折腾啦！
说到这过程中的安全性和稳定性，那可太重要啦！就像走钢丝一样，稍有不慎就可能出问题。
测试装置必须稳稳当当的，不能有啥晃动或者故障。
而且操作人员也要严格遵守安全规定，保护好自己呀。
只有这样，才能保证测试顺利进行，不出岔子。
那薄膜应力测试都有啥应用场景和优势呢？哇，那可多了去啦！在电子行业，它能确保那些薄薄的元件正常工作。
在材料研发领域，更是能帮助科学家们找到更好的材料呢。
它的优势就是能快速准确地得到薄膜的应力情况呀，就像给薄膜做了一次全面体检，让我们对它了如指掌。
来看看实际案例吧。
之前有个公司研发新的薄膜材料，通过应力测试，发现了一些潜在的问题，及时进行了改进，最后产品大获成功。
这效果，杠杠的！这不就充分说明了薄膜应力测试的重要性嘛。
所以呀，薄膜应力测试方法及标准那可是相当重要的，能帮助我们更好地了解和利用薄膜材料，让它们发挥出最大的作用！。
薄膜应力
薄膜应力通常薄膜由它所附着的基体支承着,薄膜的结构和性能受到基体材料的重要影响。
因此薄膜与基体之间构成相互联系、相互作用的统一体，这种相互作用宏观上以两种力的形式表现出来：其一是表征薄膜与基体接触界面间结合强度的附着力；其二则是反映薄膜单位截面所承受的来自基体约束的作用力—薄膜应力。
薄膜应力在作用方向上有张应力和压应力之分。
若薄膜具有沿膜面收缩的趋势则基体对薄膜产生张应力，反之,薄膜沿膜面的膨胀趋势造成压应力[1-2]。
应该指出,薄膜和基体间附着力的存在是薄膜应力产生的前提条件,薄膜应力的存在对附着力又有重要影响[3]。
图1薄膜中压应力与张应力的示意图[4]1薄膜应力的产生及分类:薄膜中的应力受多方面因素的影响,其中薄膜沉积工艺、热处理工艺以及材料本身的机械特性是主要影响因素。
按照应力的产生根源将薄膜内的应力分为热应力和本征应力,通常所说的残余应力就是这两种应力的综合作用,是一种宏观应力[4]。
本征应力又称内应力,是在薄膜沉积生长环境中产生的(如温度、压力、气流速率等),它的成因比较复杂,目前还没有系统的理论对此进行解释,如晶格失配、杂质介入、晶格重构、相变等均会产生内应力[5]。
本征应力又可分为界面应力和生长应力。
界面应力来源于薄膜与基体在接触界面处的晶格错配或很高的缺陷密度，而生长应力则与薄膜生长过程中各种结构缺陷的运动密切相关。
本征应力与薄膜的制备方法及工艺过程密切相关，且随着薄膜和基体材料的不同而不同[6]。
热应力是由薄膜与基底之间热膨胀系数的差异引起的。
在镀膜的过程中，薄膜和基体的温度都同时升高，而在镀膜后,下降到初始温度时，由于薄膜和基体的热膨胀系数不同，便产生了内应力，一般称之为热应力，这种现象称作双金属效应[7]。
但由这种效应引起的热应力不能认为是本质的论断。
薄膜热应力指的是在变温的情况下，由于受约束的薄膜的热胀冷缩效应而引起的薄膜内应力[6]。
薄膜应力的产生机理:(1)热收缩效应的模型热收缩产生应力的模型最早是由Wilman和Murbach提出来,它是以蒸发沉积时,薄膜最上层温度会达到相当高为前提的。
薄膜压应力张应力
薄膜压应力张应力
【原创版】
目录
1.薄膜压应力张应力的定义和概念
2.薄膜压应力张应力的产生原因
3.薄膜压应力张应力的应用领域
4.薄膜压应力张应力的测量方法
5.薄膜压应力张应力的影响因素
正文
薄膜压应力张应力是指薄膜材料在受到外力作用下，内部产生的一种应力状态。
其中，压应力是指薄膜在受到垂直于表面的外力作用下，薄膜内部产生的一种压力；张应力是指薄膜在受到平行于表面的外力作用下，薄膜内部产生的一种拉力。
薄膜压应力张应力的产生原因主要有两个方面：一是薄膜材料本身的性质，如材料的弹性模量、泊松比等；二是外力作用，包括温度变化、应变、拉伸等。
这些因素共同影响着薄膜内部的应力分布。
薄膜压应力张应力广泛应用于各种领域，如航空航天、汽车制造、电子工业等。
在这些领域中，薄膜的压应力张应力对于提高材料的强度、刚度和耐磨性等方面具有重要意义。
测量薄膜压应力张应力的方法有多种，如光弹应力测量法、电阻应变片测量法、X 射线衍射法等。
这些方法各有优缺点，需要根据实际情况选择合适的测量方法。
影响薄膜压应力张应力的因素主要有：材料性质、应力状态、外力作用、温度等。
了解这些影响因素有助于更好地控制薄膜的应力状态，提高其使用性能。
总之，薄膜压应力张应力作为一种重要的力学现象，在理论研究和实际应用中都具有很高的价值。
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思考题
1. 假设气体钢瓶由于压力过大导致开裂，裂口方向如何？
圆柱形筒体上，环向薄膜应力是经向 薄膜应力的2倍，所以是环向应力导致
开裂，即裂口方向与回转轴方向一致
2. 现要在圆柱形筒体上开一个长圆孔，请问开孔方向如何选择合适？
开孔会导致开孔处纵截面和锥截面的截
面积减小，因为圆柱形筒体环向薄膜应 力较大，故开孔应使得纵截面截面积的
最大压缩应力
1)标准椭球形壳体赤道处的 环向应力σθ
4. 椭球形壳体的薄膜应力分析
椭球形壳体上一点的应力大小与该点的位置和a/b有关
对于标准椭圆形球体(a/b=2) 顶点处
pD 2 pD 2
赤道处
m
pD 2
压缩应力
m
pD 4
第六课 薄膜应力——总结
5. 圆形平板的应力分析——有力矩理论
pD 2
=
2σm经向应力
pD m 4
第六课 薄膜应力——总结
3. 球形壳体的薄膜应力分析
球形壳体上任意一点的薄膜应力： 环向应力σθ = σm经向应力
最大拉伸应力
1)圆柱形筒体的环向应力σθ 2)标准椭球形壳体顶点处的 环向应力σθ和经向应力σm
pD 4
m
pD 4
化工装备与控制
主讲教师：张冀翔
第六课 薄膜应力——总结
1. 压力容器的几何模型
回转曲面：母线、回转轴 回转薄壳：有壁厚δ/R ≤0.1，但无径向应力
两个方向：环向应力σθ、经向应力σm
两个截面：纵截面(σθ )、锥截面(σm)，截面上没有切应力
2. 圆柱形筒体的薄膜应力分析
圆柱形筒体上任意一点的薄膜应力： 环向应力σθ
中心点处最大弯矩和最大弯曲应力，远大于相同直径的圆柱形筒体 或标准椭球形球体上的最大薄膜应力，较少用做压力容器封头
D pD 2 D
m 2K
2K
40 K , K 0.31或0.188
6. 回转壳体的应力分析 薄膜应力：无力矩理论 弯曲应力：有力矩理论 二次应力：由变形受到限制引起 一次应力：由内压载荷引起
减少量尽可能小，所以开孔方向应该是
短轴方向与回转轴方向一致。