MEMS微悬臂梁在冲击下的粘附失效预测

　　悬臂梁是MEMS 器件中常见的可动结构, 广泛应用于RF 开关、光开关、谐振器、传感器等. 由于MEMS 器件中的悬臂梁尺寸很小, 梁与衬底间距仅为零点几至几个微米, 而且长度远大于厚度, 在使用过程中结构刚度降低, 在外界力的作用下很容易使梁变形向衬底弯曲, 当外界作用力消失以后, 他们仍然粘连在一起不能分离, 导致器件粘附失效. 粘附现象通常发生在湿法腐蚀中释放器件结构的过程中,同时器件在工作中也会发生粘附现象. 关于释放中的粘附现象, 已经有了大量的研究[ 1-3] , 这里考虑器件在工作中发生粘附失效的现象. Ro bert W Jo hnstone和M Par amesw ar an 指出悬臂梁在工作中可能存在的外界作用力主要有加速力、Casimir 原子力和静电力[ 4] . MEMS 器件在运输、使用过程中可能会受到不同程度的冲击和碰撞引起粘附, 因此加速力是影响器件工作失效机制的一个重要因素. 由于悬臂梁的粘附现象受到器件尺寸、工艺条件、表面形貌以及湿度、温度环境等诸多因素的影响, 因此对于粘附失效的分析, 计算可能发生粘附失效的概率即失效可靠度是必要的.

　　本文对梁的粘附失效机制进行了简单分析, 重点讨论表面加工技术制成的多晶硅微悬臂梁在工作中的粘附失效问题, 并尝试将宏观机械的可靠性分析方法扩展到MEMS 器件中, 建立微悬臂梁结构在使用过程及外界环境下的粘附失效预测模型.

　　1 冲击下梁的形变

　　悬臂梁的粘附失效包括两个过程: 一是梁受到外界作用力发生弯曲变形与衬底接触, 二是外界作用力消失后, 梁与衬底间的粘附力大于梁的回复力.研究表明, 发生粘附现象时, 梁的形变有两种, 一种是S 形, 另一种为弓形[ 5] , 如图1 所示.

　　悬臂梁在冲击下受到加速力作用, 加速力作用可等效为梁受到均匀分布载荷[ 4] :

　　但是当悬臂梁的位移y 大于梁与衬底之间的距离h 时, 将与衬底之间存在相互作用. 忽略了梁与衬底之间的相互作用而得到的位移存在一定误差.如果考虑当梁的位移大于g 时, 将与衬底之间发生相互作用, 这时理论分析将变得非常困难, 可以通过ANSYS 进行分析. 以l = 250 um, w = 4 um, t =1 um 的悬臂梁为例, 在不同冲击下计算出的位移和ANSYS 模拟值之间的关系如图2 所示. 在用ANSYS 分析时考虑到了梁与衬底相互作用, 即梁受到的衬底对它的反作用力, 所以分离部分的长度s 比没有考虑这种作用的模型计算出来的结果大,即ANSYS 模拟的粘结在一起的部分d 小于理论模型计算值. 在a= 50 000 时, 理论模型计算出来的s约为ANSYS 的94%, 如图所示. 可见理论计算可粗略估计梁在冲击下的形变.