环境参数对常规MEMS结构粘附失效的影响

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随着材料尺寸和加工尺寸的日趋减小,微观可靠性问题对MEMS产业化十分重要。目前MEMS可靠性研究尚处于起步阶段,国内外对器件的失效模式和机理缺乏足够的认识,可靠性分析和设计工具也十分有限。因此可靠性的研究可以为MEMS器件的设计提供指导和准则。 对于具有悬浮结构的可动MEMS来说,粘附是造成其失效的主要原因之一。当互相接触的表面之间产生的表面力大于器件由于形变产生的回复力时,器件将发生粘附失效。而一系列环境因素包括环境湿度、温度和接触表面粗糙度以及在工艺控制过程中由于温度变化引起的薄膜残余应力都会对微悬臂梁的粘附产生影响。因此研究环境参数对常规MEMS结构粘附失效的影响对产品的开发设计无疑是非常重要的。 本文以表面加工多晶硅微梁结构为例从实验和理论两个方面分析了MEMS双端固支梁在微观领域中特有的粘附失效,并对它建立了释放过程和封装过程中的可靠性模型。在理论分析中,分析了外界环境包括环境湿度、温度和接触表面粗糙度对微梁结构粘附的影响。选取MEMS器件常见的可动结构-双端固支梁为研究对象,分析了在工艺控制过程中由于温度变化引起的残余应力对双端固支梁结构粘附的影响,推导了释放过程中屈曲双端固支梁剥离系数的计算方法。此外,还在理论上分析了热致封装效应对使用过程中双端固支梁结构稳定性的影响。基于双端固支梁在使用中的粘附模型和热致封装效应模型,推导了热致封装效应对微梁结构的特性参数诸如谐振频率、粘附长度的影响,并用实验加以验证。 在实验分析中,提出来在线测量接触部分电阻反推粘附能的新方法。利用多普勒(Doppler)谐振仪,通过测量梁在谐振频率处的振动确定梁的粘附长度,通过探针台测量电阻值,拟合粘附长度-电阻曲线。并在不同的温度、湿度条件下测量梁电阻值的变化,从而反推表面粘附能随温度、湿度的变化情况。实验结果表明,在线测量接触部分电阻反推粘附能的新方法可用于在线测试梁的粘附,为确定梁的粘附特性提供了一种直观可靠的实验方法,为预测MEMS器件的在不同环境下的粘附失效,优化MEMS器件设计,提高可靠性提供了依据。
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