基于体硅工艺的MEMS疲劳试验装置设计、分析与制备

论文摘要

近年来,随着MEMS器件在医药、汽车和航空等各个领域的广泛应用,其可靠性问题引起了人们越来越多的重视。疲劳作为MEMS器件的主要失效模式,成为微机电系统可靠性领域的研究热点之一。硅是MEMS器件的主要材料,其疲劳特性将直接影响微机电系统的可靠性。然而,硅的疲劳失效机理至今尚不明确。目前,进行硅微结构疲劳失效的研究主要以试验为基础,而现有试验装置无法研究体硅工艺制造的MEMS器件疲劳特性。因此,针对该问题,本文设计了一种平行板静电驱动的MEMS片上疲劳试验装置,这为硅微结构疲劳失效机理研究提供了硬件支撑和试验手段。主要研究内容如下:1.设计了试验装置的整体结构和工作原理,进行了关键结构梯形梁的力学特性分析和整体结构的模态分析,得到了梯形梁的刚度以及试验装置的固有振型和固有频率。最终根据结构设计理论和加工工艺条件设计了该试验装置的结构尺寸。2.在静力学分析的基础上,分别采用理论推导和机电耦合仿真的方法,对试验装置进行吸合效应分析,得到弯曲模态和扭转模态的吸合电压。再对该试验装置进行压膜阻尼分析,得到阻尼力随空气层厚度变化的规律,据此进行谐响应分析,得到硅微结构的谐振幅值。最后,通过疲劳应力分析证明该试验装置能够达到疲劳试验的要求。3.在理论和仿真分析的基础上,对硅结构和玻璃基板的制作工艺以及键合与封装工艺进行了设计,然后制得64个试验装置,并对实物进行了尺寸测量及误差分析,表明所制得试验装置的误差均在可接受范围内。4.对制得的试验装置进行了电路测试、电容测试和模态测试,去除了不合格品后,得到了7个合格试验装置及其前两阶固有频率。通过以上研究,本文设计了一种能进行硅微结构疲劳试验的特殊装置,为后续的硅微结构疲劳失效机理研究提供了硬件支撑与测试手段,对MEMS的可靠性设计和质量控制有一定的参考意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 硅微结构疲劳失效机理研究现状
• 1.2.2 片上试验装置研究现状
• 1.2.3 片外试验装置研究现状
• 1.3 论文的研究思路与结构安排
• 1.3.1 主要研究内容与思路
• 1.3.2 论文结构安排
• 第二章 MEMS 疲劳试验装置的设计
• 2.1 试验装置的总体结构及工作原理
• 2.1.1 总体结构设计
• 2.1.2 工作原理
• 2.2 梯形梁的力学分析
• 2.2.1 梯形梁的弯曲刚度分析
• 2.2.2 梯形梁的扭转刚度分析
• 2.3 试验装置的模态分析
• 2.4 试验装置的尺寸确定
• 2.5 本章小结
• 第三章 MEMS 疲劳试验装置的力学分析
• 3.1 试验装置的静力学分析
• 3.1.1 试验装置的弯曲模态静力学分析
• 3.1.2 试验装置的扭转模态静力学分析
• 3.2 试验装置的吸合效应分析
• 3.2.1 试验装置的弯曲模态吸合效应分析
• 3.2.2 试验装置的扭转模态吸合效应分析
• 3.3 试验装置的动力学分析
• 3.3.1 试验装置的压膜阻尼分析
• 3.3.2 试验装置的谐响应分析
• 3.3.3 试验装置的疲劳应力分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 MEMS 疲劳试验装置的制备
• 4.1 硅结构的制备工艺
• 4.1.1 硅结构的工艺流程设计
• 4.1.2 硅片厚度修正
• 4.1.3 制作硅结构的掩膜版设计
• 4.2 玻璃基板的制备工艺
• 4.2.1 玻璃基板的工艺流程设计
• 4.2.2 玻璃基板的掩模板设计
• 4.3 试验装置的键合与封装工艺
• 4.4 硅结构与玻璃基板的尺寸测量
• 4.5 本章小结
• 第五章 MEMS 疲劳试验装置的测试
• 5.1 试验装置的电路测试
• 5.2 试验装置的电容测试
• 5.3 试验装置的模态测试
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要研究结论
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学习期间发表的论文