微機械加速度計在環(huán)境載荷下的可靠性研究.pdf

1、THESTUDYoNRELIABILITYoFMICRoMECHANICALACCELERoMETERUNDERENVIRoNMENTALLoADADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYLuChaoSupervisedbyProfTangJieyingandLecturerSongJing一一Departm

2、entofElectronicEngineeringSoutheastUniversityApril2010摘要隨著人們對MEMS產品的深入研究和開發(fā)，越來越多的MEMS產品將走進我們的日常生活中。而MEMS可靠性問題將是MEMS市場化的巨大瓶頸，它直接關系到產品的開發(fā)效率、成本和商業(yè)化進程。目前國內研究MEMS器件可靠性的理論并不多，國外理論可借鑒的又較少，所以非常有必要從實驗中分析總結MEMS可靠性理論并建立數學模型，為MEMS的可

3、靠性設計提供參考。2007年，配置了三軸微機械加速度計的iPhone手機的上市讓基于MEMS技術的加速度計大放異彩。國外對微機械加速度計的研究從上世紀80年代末就開始了，90年代初已有成熟的微加速度計產品，但國內從近幾年才開始研制微機械加速度計，可靠性方面的理論和經驗比較缺乏。對目前國內研制的微機械加速度計產品調查顯示，這些產品很多都存在一些可靠性問題，如開機后輸出不穩(wěn)定、振動或沖擊下器件失效、長期工作或存放后輸出漂移等，嚴重影響了產品

4、的實際使用，阻礙了其市場化進程。本文針對國內研制的微機械加速度計存在的前兩個問題著重從實驗角度來發(fā)現和總結其原因，并用理論來分析實驗結果，建立簡單的數學模型。首先，本文介紹了微機械加速度計常見的一些失效模式和機理，了解了一些研究失效的方法和理論知識，為后面的研究奠定了基礎；其次，為了更好的對微機械加速度計的可靠性進行研究，需要對MEMS基礎結構可靠性有一定的了解，因此我們對微梁在沖擊下的可靠性進行了實驗分析，并得到了幾點結論：(1)梁根

5、部所受應力最大；(2)相同寬度的梁，短梁比長梁沖擊可靠性高；(3)相同長度的梁，寬梁比細梁沖擊可靠性高；(4)梁長度對粘附可靠性影響大；(5)沖擊對C型粘附解粘附作用明顯，對S型則不明顯，同時沖擊也會造成微梁粘附。同時本文提出了一些改進微梁在沖擊下可靠性的建議；最后，先用MEMSCAP公司流片的梳齒結構進行加速度計開機輸出不穩(wěn)定現象的實驗研究，實驗包括靜態(tài)上電后電容變化、翻轉后電容變化、施加靜電力后電容變化、電容一溫度相關性實驗，通過對

6、實驗結果分析我們得到兩點結論：(1)機械結構自身不會造成開機后輸出不穩(wěn)定；(2)機械結構電容隨溫度變化而變化。然后用梳齒結構和購買的ADI公司的ADXLl05微機械加速度計進行沖擊下的可靠性實驗，發(fā)現在沖擊載荷下梳齒結構首要的失效模式是粘附失效，而斷裂可靠性則較高。本文基于實驗結果建立了簡單的梳齒結構粘附可靠性模型，并進行了理論分析和計算，為微機械加速度計的可靠性設計提供了一定的參考依據。關鍵詞：MEMS，可靠性，微機械加速度計，微懸臂