微加速度计冲击可靠性及防护

　　随着MEMS技术的发展, 越来越多的MEMS产品进入实用阶段, 然而MEMS器件的可靠性问题日益突出, 目前已成为产品实用化前的最大瓶颈。为了解决MEMS器件的可靠性问题, 使之产品化和商业化, 目前十分必要开展对微器件失效模式及机理的研究, 根据具体的失效机理进行相应的防护, 增强和提高MEMS器件整体系统的可靠性。

　　实验和研究表明, 目前已知的MEMS 失效模式主要有过载失效、粘附、强度、疲劳、离子污染以及外界环境影响导致的器件失效等[ 1- 2] 。其中, 冲击过载失效在实际应用中更为常见, MEMS 器件在运输和使用过程中可能会发生不同程度的冲击和碰撞,承受恶劣的强冲击环境。鉴于此, 在微加速度计设计过程中一般会对器件抗冲击性能进行分析和实验验证[ 3] , 然而针对冲击失效模式和机理的分析目前较少。文献[ 4]对八梁结构加速度计悬臂梁应力分布做了比较详尽的理论分析, 文献[ 5- 8]的工作则主要集中在通过实验测试产品在冲击下是否失效来判断器件的可靠性, 相对来讲对MEMS 器件在大冲击下的防护研究则更加少有涉及[ 9] 。本文以落锤式冲击设备为手段, 测试分析了梳齿结构电容式微加速度计在大冲击下的失效模式, 通过实验对比验证了微结构本身防护措施的有效性, 验证了金属橡胶这一新型材料在大冲击下的缓冲效果, 为后续微加速度计在高过载大冲击条件下的应用奠定了基础。

　　1 基本分析

　　1. 1 器件结构及分析

　　实验用MEMS器件为北京大学开发的梳齿式电容微加速度计, 器件结构如图1所示, 敏感轴方向为图1所示箭头方向, 离面方向垂直于图1 所示结构平面。

　　该加速度计敏感结构可以简化为图2所示的双端固支梁结构, 当加速度作用于质量块m 时, 质量块产生的惯性力施加在弹性梁上, 使梁产生变形。根据材料力学理论[ 10], 梁上距固支点距离为x 的点上的应力为

　　式( 1)中b 为梁的宽度, h 为梁的厚度, l为梁的长度, E 为硅的弹性模量, a 为冲击加速度, m 为质量块的质量。根据上式可以看出, 固支点和质量块边缘点应力最大, 且等值反向, 即

　　式( 2)给出了弹性梁上最大应力与冲击加速度的关系。

　　1. 2 冲击响应

　　Srikar和Senturia分析指出, MEMS微结构在冲击下的响应由下面的三个时间常数及其关系来决定[ 11]: 即应力波的渡越时问tA, 结构的本征振动周期T和脉冲的持续时间t。当t< tA 时, 需要用应力波理论来分析器件的响应; t和T数值相当时, 器件将发生振动; t大于tA 和T时, 可以用准静态理论来分析MEMS 结构在冲击下的响应。应力波渡越时间tA 为应力波从衬底传到器件自由端的时间