微加速度计在冲击载荷作用下的失效分析

　　1　引言

　　微电子机械系统(MEMS)在近十年多来取得了飞速的发展。当前对于MEMS器件的设计和制作的工作已经取得了很多进展,但是,就整体而言,MEMS产品的成功商品化尚未实现。各种工况下失效问题是MEMS商品化的一大障碍[1]。MEMS产品在可靠性方面所遇到的挑战是:(1)多数的当前已经进入应用领域的MEMS器件或者正在研制的其他微机械器件将在其所应用的系统中起着非常重要的作用,虽然MEMS器件本身价格便宜,但其失效造成的损失非常巨大,一个明显的例子就是应用于军事上的MEMS器件[2]。(2)MEMS是一门全新的技术,对于其失效物理机制的了解还很少,特别是对尺度效应和表面效应影响的认识还很初步。(3)MEMS技术当前仍然处于飞速发展的阶段,不同的可靠性问题的相对重要性将会不断变化,还缺乏具有可预测性的失效模型。(4)MEMS器件的可靠性的研究可以对其设计产生重要反馈。正确认识MEMS的失效模式是进行可靠性评估的前提条件。当前,对MEMS器件以及系统的失效的研究正逐渐引起人们的极大关注。由于器件尺寸的减小,MEMS器件非常容易受到自身或者外界一些因素的影响。对于MEMS失效的研究,不但包括宏观机械中所面临的一些问题,而且还有一些MEMS所特有的现象,需要进一步研究。

　　可靠性的研究和预测对MEMS的发展是非常重要的一个课题。动态载荷对MEMS器件的工作性能和稳定性都有很大的影响。这种载荷可能发生在装置使用过程中的错误操作,或者由于制造、测试以及运输过程中。在军事上,动态载荷更是经常遇到,例如炮弹发射时的瞬间冲击。在实验中一般使用Hopkinson杆或轻气炮等手段来实现冲击载荷。但是由于微机械结构的体积非常小,这种加载方式难以用于MEMS器件冲击可靠性的实验研究,一种简单且有效的冲击方式就是采用跌落的方法,即让结构在一定的高度自由落下以产生适当的冲击。

　　文中采用这种跌落的方式来检验微加速度计在冲击载荷下的特性,并利用准静态以及数值模拟的方法对冲击作用下微加速度计结构的抗冲击性能进行分析,由此得到可能的失效模式,这对微加速度计结构的进一步优化设计具有一定的指导意义。

　　2　微加速度计的设计和制备

　　目前,多数微加速度计的制备都采用表面加工技术(surface micro-machining technology)。一般来说,利用表面加工工艺得到的微构件的侧向尺寸为10~500μm,厚度方向上为0.1μm到几个μm,与基底之间的间隙一般为0.1~2μm。在这种情况下,要得到高的灵敏度,需要大的质量块以及大的感应电容。表面工艺由于其自身的限制,使得质量块不可能达到很大,并且更重要的一点是感应电容的大小也受到很大的限制。采用体加工(bulk machining)的方法,结构的厚度可以达到10~102μm的量级,这样增大了梳齿之间的交叠面积,有利于形成大电容,会大大提高加速度计的灵敏度。所以,本文采用硅—玻璃键合技术,利用重离子刻蚀,得到厚度方向上可以达到几十微米的结构[3],如图1所示。对于较厚的结构,在垂直于基底方向上有非常大的刚度,会减少结构粘附到基底上的机会,而粘附正是微结构中一种典型的失效模式[1,4]。图2显示了一种微折叠梁结构在冲击作用下粘附到基底上的情形[5]。虽然在体加工的结构中,与基底之间的粘附发生的机会大大减小了,但是一般的结构在其工作平面内的敏感方向上,往往还会发生横向的粘附,而粘附是与接触面上的粗糙情况有直接关系的,在设计中这是应该考虑的一个因素。