微加速度计在温度、湿度、振动三综合环境下的失效机理分析

文章摘要：1 引言 长期以来，人们对产品进行环境模拟试脸时，大多采用单项环境的试验方法，即在某一时间内只对一种产品施加一项环境条件，如单项湿度试验、单项冲击试验等，很少在某一时间内同时对一种产品施加两项以上环境条件。实践表明，单项环境试验方法不能在研制和生产阶段有效的筛选出有各类潜在缺陷的产品，也就是说，通过单项环境试验可靠性很高的产品，在使用中仍然不断出现故障，其实际可靠性很低，前者与后者之比可达到20:1[1]。最近十余年来，国外致力研究新的环境试验方法以提高产品的可靠性。在国内，在可靠性强化试验的理念上，拓展了国外关于可靠性强化试验仅能在气动式试验设备上进行的狭义概念，提出可借鉴强

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1 引言

        长期以来，人们对产品进行环境模拟试脸时，大多采用单项环境的试验方法，即在某一时间内只对一种产品施加一项环境条件，如单项湿度试验、单项冲击试验等，很少在某一时间内同时对一种产品施加两项以上环境条件。实践表明，单项环境试验方法不能在研制和生产阶段有效的筛选出有各类潜在缺陷的产品，也就是说，通过单项环境试验可靠性很高的产品，在使用中仍然不断出现故障，其实际可靠性很低，前者与后者之比可达到20:1[1]。最近十余年来，国外致力研究新的环境试验方法以提高产品的可靠性。在国内，在可靠性强化试验的理念上，拓展了国外关于可靠性强化试验仅能在气动式试验设备上进行的狭义概念，提出可借鉴强化试验的激发理念采用常规试验设备实施可靠性强化试验。图1是在环境应力筛选中各种应力对缺陷激发能力的比较图，是对10种应力的筛选效果进行有限调查统计得出的，有一定的代表性。它说明温度循环和随机振动是最有效的激励应力。温度、湿度、振动三者关系比较密切，另一方面是这三种环境应力作用时间长，引起的破坏比较多。例如一份研究报告指出，在总的破坏中，温度占40%，振动占27%，潮湿占19%[2]。可见它们在设备元部件破坏总数中占了很大比例。

        因此，把温度循环、湿度和随机振动作为最为有效的激发应力进行可靠性试验，来真正高效地激发微加速度计的潜在缺陷。
 

图1 环境应力筛选中对各种应力激发能力的比较

2 微加速度计在温、湿、振三综合环境下失效机理

        通过进行三综合试验发现微加速度计在温、湿、振三综合环境下的主要的失效模式是梁的断裂、粘附。

2.1 温度对微加速度计失效的影响

        一个完整的压阻式硅微加速度传感器多数是由不同的材料构成，有金或铝、硅和玻璃等。这些材料的热膨胀系数不相同，一旦温度发生变化，就会在不同的材料的交界面产生压缩或拉伸应力，这个压缩或拉伸应力属于微加速度计的内部应力。由于外界温度环境条件的影响使得加速度计的内部应力增加了。

        本论文研究的压阻式微加速度计是通过体硅工艺加工制造的。主要工艺包括光刻、薄膜淀积、离子注入和干湿法等。由于加工工艺的影响，致使加工好的微加速度计不可避免的会有残余应力。残余应力根据方向的不同可将其分为拉应力和压应力，如图2所示。显然残余应力也属于加速度计器件的内部应力。

 

图2 不同方向的残余应力

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图6 相对湿度对表面互作用能的影响

        粘附引起器件失效的现象普遍存在。它是指两个光滑表面相接触时，在表面力的作用下彼此粘连在一起的现象。这里所指的表面力可以是范德华瓦尔斯力、表面张力、毛细管力、静电吸附力等。研究表明，对于疏水表面，起主导作用的粘附力是范德华瓦尔斯力。范德华瓦尔斯力引起的粘附发生于两接近的平面，而非接触的表面，并随着间距平方的变化急剧变化。而在腐蚀释放结构后的烘干工艺过程中，毛细管力起着主要作用。

        在MEMS的加工和工作过程中，微悬臂梁等机械可动件因相对运动使器件中的间隙处于微米/纳米量级时，就会产生粘附问题。粘附一般可分为释放有关粘附和使用中粘附。

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