随着MEMS技术的迅速发展,金属微器件获得了广泛的关注与应用。微电铸工艺是制作金属微器件的主要方法之一。在微电铸工艺过程中,不均匀的电结晶现象使铸层内不可避免地会产生残余应力。过大的残余应力会导致铸层出现翘曲、分层甚至脱落等不容忽视的宏观问题,严重影响金属微器件的尺寸精度、制作成品率、机械性能及使用寿命。本文基于微电铸层残余应力仿真和测量方法的研究,提出了三种减小微电铸层残余应力的方法。具体研究工作包括以下五个部分:研究了铸层残余应力的组成形式,建立了微电铸层残余应力的仿真模型。基于等效参考温度法利用虚拟温度载荷模拟铸层残余应力。采用实验测量与仿真计算相结合的方法,研究了铸层残余应力的实际测量值与虚拟温度载荷的数学关系,得到了铸层等效参考温度的取值范围。以常用电铸材料Ni为例,进行了五组不同等效参考温度值的铸层残余应力仿真研究,确定了满足仿真模型精度要求的Ni铸层等效参考温度为235.15 K。该模型适用于特征尺寸为微米量级的电铸金属微结构的残余应力分布仿真研究。为了探索电铸金属微结构的残余应力测量方法,基于Guglielmi复合沉积模型研究了复合沉积过程中铸层内残余应力与固体颗粒受力间的相互关系,采用将具有拉曼活性的固体颗粒与金属基材进行复合电铸的方法,提出了基于微拉曼光谱测量金属微结构残余应力的方法。本文选取拉曼活性较强的β-SiC颗粒为复合相,根据微拉曼光谱法的测量原理、谢乐方程和胡克定律,建立了 β-SiC颗粒的应力计算方法。利用残余应力的XRD测量方法,验证了基于微拉曼光谱测量金属微结构残余应力方法的可靠性。该方法适用于测量特征尺寸为微米量级的金属微结构残余应力。为了改善电结晶的均匀性,从本质上减小残余应力的产生,以微电铸层残余应力仿真模型为基础,提出了预置应力释放因素减小金属微结构残余应力的设计方法。结合UV-LIGA工艺和基于微拉曼光谱测量金属微结构残余应力的方法对仿真结果进行了实验研究。实验结果与仿真结果具有一致性,即预置应力释放因素能够有效地减小残余应力均值、降低应力集中系数,提高应力分布的均匀性。其中,槽形辅助铆钉状应力释放因素的作用效果最佳,能够使微结构残余应力均值减小37%。该方法适用于在保证结构刚度、满足使用功能的前提下,对结构重量和形貌无严格要求的金属微结构的设计。在利用微拉曼光谱法测量金属微结构残余应力研究的基础上,从改善电铸方式的角度,提出了掺杂β-SiC颗粒减小微电铸层残余应力的方法。利用L9(34)正交试验研究了四个复合电铸工艺参数对铸层残余应力的影响。实验研究表明,在本文的实验条件下,使铸层残余应力最小的工艺参数组合为β-SiC颗粒质量浓度20 g/L、电流密度1 A/dm2、磁力搅拌转速600 rpm、电铸液温度50℃。此参数组合能够使铸层残余应力减小42%。通过研究铸层内颗粒嵌入量及晶粒尺寸与残余应力的关系,揭示了掺杂β-SiC颗粒减小微电铸层残余应力的作用机理:掺杂硬质颗粒会促进金属基材形核,细化晶粒,从而减小残余应力。该方法为开展掺杂促进形核颗粒以减小沉积层残余应力的研究提供了思路。基于兆声波改善电沉积过程的研究,从引入外场作用的角度,提出了兆声辅助电铸减小微电铸层残余应力的方法。在本课题组搭建的实验平台上,设计了有、无兆声作用下的微电铸实验。实验研究表明,随着兆声功率密度的增加,残余应力先减小后略有增大。兆声功率密度为2 W/cm2时的作用效果最佳,能够使铸层残余应力减小60%。从位错理论及稳态空化效应角度,揭示了兆声辅助电铸减小微电铸层残余应力的作用机理:在电铸过程中施加兆声振动能够增大铸层内位错密度,促进晶格趋于平衡态生长,使空化泡在铸层表面提供应力释放点,从而减小残余应力。该方法适用于大多数金属微结构的制作,尤其是厚度较高或深宽比较大的金属微结构,具有适用范围广、高效、易操作等优势。