微機(jī)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(chǎn)品的深入研究和開發(fā)，越來越多的MEMS產(chǎn)品將走進(jìn)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(guān)系到產(chǎn)品的開發(fā)效率、成本和商業(yè)化進(jìn)程。目前國內(nèi)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(jié)MEMS可靠性理論并建立數(shù)學(xué)模型，為MEMS的可

3、靠性設(shè)計提供參考。2007年，配置了三軸微機(jī)械加速度計的iPhone手機(jī)的上市讓基于MEMS技術(shù)的加速度計大放異彩。國外對微機(jī)械加速度計的研究從上世紀(jì)80年代末就開始了，90年代初已有成熟的微加速度計產(chǎn)品，但國內(nèi)從近幾年才開始研制微機(jī)械加速度計，可靠性方面的理論和經(jīng)驗比較缺乏。對目前國內(nèi)研制的微機(jī)械加速度計產(chǎn)品調(diào)查顯示，這些產(chǎn)品很多都存在一些可靠性問題，如開機(jī)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(yán)重影響了產(chǎn)品

4、的實際使用，阻礙了其市場化進(jìn)程。本文針對國內(nèi)研制的微機(jī)械加速度計存在的前兩個問題著重從實驗角度來發(fā)現(xiàn)和總結(jié)其原因，并用理論來分析實驗結(jié)果，建立簡單的數(shù)學(xué)模型。首先，本文介紹了微機(jī)械加速度計常見的一些失效模式和機(jī)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(chǔ)；其次，為了更好的對微機(jī)械加速度計的可靠性進(jìn)行研究，需要對MEMS基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)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(jìn)行了實驗分析，并得到了幾點結(jié)論：(1)梁根

5、部所受應(yīng)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(xì)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(jìn)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(jié)構(gòu)進(jìn)行加速度計開機(jī)輸出不穩(wěn)定現(xiàn)象的實驗研究，實驗包括靜態(tài)上電后電容變化、翻轉(zhuǎn)后電容變化、施加靜電力后電容變化、電容一溫度相關(guān)性實驗，通過對

6、實驗結(jié)果分析我們得到兩點結(jié)論：(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)自身不會造成開機(jī)后輸出不穩(wěn)定；(2)機(jī)械結(jié)構(gòu)電容隨溫度變化而變化。然后用梳齒結(jié)構(gòu)和購買的ADI公司的ADXLl05微機(jī)械加速度計進(jìn)行沖擊下的可靠性實驗，發(fā)現(xiàn)在沖擊載荷下梳齒結(jié)構(gòu)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(jié)果建立了簡單的梳齒結(jié)構(gòu)粘附可靠性模型，并進(jìn)行了理論分析和計算，為微機(jī)械加速度計的可靠性設(shè)計提供了一定的參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：MEMS，可靠性，微機(jī)械加速度計，微懸臂