微加速度計(jì)在溫度、濕度、振動(dòng)三綜合環(huán)境下的失效機(jī)理分析

圖6 相對(duì)濕度對(duì)表面互作用能的影響

粘附引起器件失效的現(xiàn)象普遍存在。它是指兩個(gè)光滑表面相接觸時(shí)，在表面力的作用下彼此粘連在一起的現(xiàn)象。這里所指的表面力可以是范德華瓦爾斯力、表面張力、毛細(xì)管力、靜電吸附力等。研究表明，對(duì)于疏水表面，起主導(dǎo)作用的粘附力是范德華瓦爾斯力。范德華瓦爾斯力引起的粘附發(fā)生于兩接近的平面，而非接觸的表面，并隨著間距平方的變化急劇變化。而在腐蝕釋放結(jié)構(gòu)后的烘干工藝過程中，毛細(xì)管力起著主要作用。

在MEMS的加工和工作過程中，微懸臂梁等機(jī)械可動(dòng)件因相對(duì)運(yùn)動(dòng)使器件中的間隙處于微米/納米量級(jí)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生粘附問題。粘附一般可分為釋放有關(guān)粘附和使用中粘附。

釋放有關(guān)粘附是指用氫氟酸腐蝕犧牲層、釋放多晶硅微結(jié)構(gòu)、干燥時(shí)，由于硅片表面薄層水的表面張力使兩片親水、間隙在微米/納米數(shù)量級(jí)的硅片粘合。

在體硅溶片工藝和各種表面工藝中，當(dāng)水或其他液體烘干揮發(fā)時(shí)，會(huì)因?yàn)楸砻鎻埩Φ淖饔檬箖蓚€(gè)相鄰的表面有彼此靠近甚至相互接觸的趨勢(shì)。因此，這里的粘附與水有關(guān)，器件受濕影響，粘附功隨濕度增加而增加。解決釋放有關(guān)粘附可以采用絕緣薄膜作抗粘合薄膜，同時(shí)要采用氣密性封裝，并且能防潮和防止微粒玷污。但是絕緣膜靜電積累有可能引起因靜電或分子間引力而粘合。

除了水的表面張力外，硅表面的化學(xué)狀態(tài)對(duì)微結(jié)構(gòu)間的粘合程度也有很大影響：表面氧化層厚度大、水接觸角小、梁分開長(zhǎng)度短、粘合功大，就容易粘合；反之，就不易發(fā)生粘附現(xiàn)象。

使用中粘附就是一種因?yàn)楣璞砻娴幕瘜W(xué)狀態(tài)引起的粘合現(xiàn)象，它發(fā)生在器件封裝之后，當(dāng)輸入信號(hào)過沖（受到外力沖擊或致動(dòng)力）時(shí)，由于硅片表面的化學(xué)狀態(tài)使硅片發(fā)生粘合。

粘附問題的解決

早期減少粘附的方法是使表面粗糙化，以減少實(shí)際的接觸面積。具體的方法有：長(zhǎng)一層熱氧化層，再干法腐蝕?，F(xiàn)在，一般采用的方法如下

1） 無黏附設(shè)計(jì)

在機(jī)械元件的底部或邊上設(shè)計(jì)紋膜結(jié)構(gòu)。這樣就減少了接觸面積與粘附力。

2） 超臨界烘干

在結(jié)構(gòu)釋放工藝過程中采用超臨界烘干可減少粘附的影響。但是這種方法也存在問題：在結(jié)構(gòu)釋放、沖擊、振動(dòng)等環(huán)境條件下的粘附減少了，但是，在平常工作的條件下，機(jī)械元件可能會(huì)相互接觸并黏附于一起，因此仍然存在失效。

3） 疏水表面單層

表面單層可用于降低表面的粘附力。SAM覆蓋膜通過提供一層鈍化層來降低表面黏附能量。

3 結(jié)論

分析了在溫度、濕度、振動(dòng)應(yīng)力條件下，微加速度計(jì)發(fā)生斷裂和粘附的失效機(jī)理，在這三種應(yīng)力條件同時(shí)施加下使缺陷加速暴露出來，縮短了試驗(yàn)時(shí)間。在溫度、濕度、振動(dòng)三種應(yīng)力下是否還有新的失效模式產(chǎn)生還有待研究。