关于mems可靠性的一些探析

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1、关于MEMS可靠性的一些探析摘要：随着MEMS技术的快速发展，其可靠性已成为迫切需要解决的关键问题。综述了国内外关于MEMS可靠性研究的现状和方法，并分析了MEMS器件所出现的主要失效模式及其失效机理，研究了环境应力与失效模式之间的关系。在此基础上，提出了目前MEMS可靠性研究中所存在的一些问题。关键词：MEMS；可靠性；失效模式；失效机理0引言20世纪70年代末兴起的微电子机械系统（Micro-electro-mechanicalsystem,MEMS），是集执行器和传感器等微型装置、微型机构、微尺度驱动、控制与处理集成电路为一体

2、的微型系统[1]。伴随着MEMS器件设计和制备的快速发展，MEMS研究中的可靠性问题，作为MEMS产品商品化过程中的必然要求，引起了越来越多的重视和研究兴趣，同时它的研究也是不可避免的[2]。其原因在于：一，多数已经进入应用领域的MEMS产品和正在研制的其它微机械器件将在其所应用的系统中占据着非常重要的角色，它们的失效造成的损失将是非常的巨大；二，作为一门全新的技术，对于MEMS失效机制的透彻、深刻的了解还不够；三，当前的MEMS技术仍处于飞速发展的阶段，不同的可靠性问题之间的相对作用将会不断发生变化；四，对于MEMS器件的设计和制

3、备，必须考虑可靠性影响因素，以保证减小消耗、提高合格率。1MEMS可靠性分析1.1MEMS可靠性研究的现状及方法对于MEMS器件来说，可靠性的研究还处于探索阶段，目前尚未形成有效、规范的分析方法和实验步骤。可靠性工作的核心在于确定失效模式和失效机制，这对于MEMS是十分重要的。图1给出了美国Sandia国家实验室关于MEMS可靠性的研究方法。首先设计测试结构进行可靠性试验，对出现的结果及现象进行统计、分析与总结以确定失效模式，在通过对这些失效模式科学理解的基础上提出可靠性预测模型。图1Sandia国家实验室关于可靠性研究方法框图Sa

4、ndia国家试验室是研究MEMS可靠性的先驱。为对MEMS器件的可靠性进行全面、系统的分析研究，该实验室自行研制了一套MEMS器件可靠性测试系统ShiMMeR。该系统能对测试环境进行控制，一次可试验256个MEMS器件，每个MEMS器件都连着电缆，通过电缆发出的信号可启动器件，用高效能的光学显微镜和视频照相机观察和记录MEMS器件的状态，由此发现MEMS失效的原因和失效发生的时间及位置。在1997~1999为期三年的可靠性研究工作中，Sandia实验室对微发动机系统装置的失效模式，特别是在不同环境条件（温度、湿度、冲击、振动和贮存）

5、下的失效模式做了许多试验，并开发出了微机械摩擦表面磨损的可靠性预测模型。该模型公式考虑了强度、粘着磨损、临界体积、引脚半径、施加力、共振频率和质量因素，用这一模型推导出的结果与物理试验得出的实际结果很相近[3]。另外，美国喷气推进实验室（JPL）1999年发布了《MEMS空间应用的可靠性保障指南》（MEMSReliabilityAssuranceGuidelinesforSpaceApplication），以便使工程师理解MEMS的可靠性知识并将之应用于MEMS的设计和制造过程中去。在该指南中，阐述了MEMS常用材料的性质及常见的失

6、效模型及机理，MEMS在各种条件下的有限元仿真等[4]。日本的O.Tabata等人于2008年出版了《RELIBILITYOFMEMS》一书，主要论述了MEMS可靠性和机械特性之间的关系，并通过综述高可靠的MEMS商用产品，揭示了在产品研发阶段可靠性认证的重要性[5]。在国内，随着MEMS技术的快速发展，其可靠性在近年来也引起了相关单位的重视。东南大学、天津大学、上海交大等单位对MEMS结构在机械环境下的可靠性进行了分析，并建立了相关的可靠性预测模型[6][7]。北京航空航天大学对MEMS器件的可靠性试验方法进行了一定的研究，其它单

7、位如13所、电子产品可靠性与环境试验研究所等单位则对某些MEMS器件进行了相关的可靠性试验[8][9]。1.2MEMS的失效模式及失效机理分析失效模式及其失效机理研究是MEMS可靠性研究的核心内容，下面对MEMS器件中常见的失效模式及其机理进行分析[10]。（1）断裂和屈服构件在载荷作用下，没有明显的破坏前兆而发生的突然破坏的现象称为断裂失效。当应力超过材料的强度极限时，结构将发生断裂或屈服失效，脆性材料硅、多晶硅制成的MEMS器件在冲击或振动作用下往往可能发生断裂失效。此外，疲劳也将导致结构断裂，构件在交变应力的作用下，即使其应力

8、小于断裂强度，在经过一定次数的交变应力之后也会发生脆性断裂。对于塑性材料，随着载荷的增加，应力增大到某一数值时，应变有着非常明显的增加，而应力围绕该数值上下微小波动。这种应力基本不变而应变显著增加的现象称为屈服。（2）蠕变对于金属ME