微机械高冲击传感器的一种失效模式研究

　　高冲击微机械传感器是近年来MEMS 领域研究的热点之一, 无论是压阻式、还是电容式, 都提出了一些新的结构[ 1-2] , 在封装及可靠性研究方面也开展了大量的工作. V. T. Sr ikar 和Stephen D. Senturia从微机械结构本身的特点出发, 通过建立理论模型, 揭示微结构在高冲击环境下可能的失效模式[ 3-4] ; 杨志刚和林祖森从实验现象出发, 通过理论分析查找失效原因[ 5] ; 郇勇和张泰华等采用Ho pkinson杆冲击加载研究高量程微加速度计的抗过载能力[ 6] ; 王立森和胡宇群等采用跌落试验对微加速度计在冲击载荷下的失效机理进行分析[ 7] ; DannelleM. T anner 等则通过建立完善的测试手段, 再现微结构可能的失效模式, 以此来深入研究MEMS器件的可靠性和失效机理[ 8] . 这些研究多数都是将焦点集中在微结构的抗冲击能力上. 实际上, 微结构传感器核心器件目前虽然主要是通过微机械加工而成, 特征尺寸可以达到微米量级, 但经过封装后整个产品尺寸往往在10² mm³ 量级, 已经不/ 微0 了. 因此宏观结构的不合理设计也可能导致失效, 这一点,很可能被从事微机械设计的技术人员忽视. 在高冲击微机械传感器测试过程中出现传感器芯片破碎现象, 通过分析, 我们发现失效原因是由于封装壳体在高冲击下形变过大导致传感器芯片结构薄弱部位应力超过破坏强度而发生断裂.

　　1 实验现象

　　试验用传感器主要由芯片和壳体构成. 芯片为梁岛结构, 由硅单晶经微加工而成, 然后通过两边的键合区与硼硅玻璃键合. 壳体由不锈钢加工而成, 腔体为圆柱形. 键合好的芯片采用环氧胶将玻璃与底部不锈钢壳体粘接起来, 然后给壳体加上盖板. 这是一种典型的微机械传感器封装结构, 也有技术人员选用陶瓷材料制作壳体. 不难看出, 梁的根部是应力最集中的区域, 传感器芯片的断裂往往先从该处开始. 该传感器可以进行正向和反向测试, 理论分析表明, 传感器芯片能够承受相当于5 x 105gn ( 1gn =9. 8 m/ s² ) 加速度信号, 即不超过5 x 105gn 加速度信号时应力集中区域的应力不会超过断裂强度. 对该结构传感器分别在Hopkinson 杆和锤击试验机上进行了正向和反向冲击测试. 传感器正向冲击测试安装方式如图1 所示.

　　在正向冲击安装方式下, 传感器经( 1~ 10) x 105gn 多次冲击未见损坏, 芯片工作正常. 反向冲击测试安装方式示意图如图2 所示. 传感器在反向测试中出现问题, 不仅输出异常, 而且往往2. 7 x 104gn 以上的冲击加速度就会导致芯片断裂. 断裂的位置通常在键合区上部与梁的连接处, 远低于此前传感器芯片能够承受5 x 105 gn 高冲击的预期. 为查找传感器失效的原因, 下面采用板弯曲的简化理论模型对壳体在高负载下的变形进行了分析.