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概述：MEMS可靠性导论1

1 MEMS材料力学性能评价及评价标准8

1.1简介9

1.2薄膜材料的力学性能与MEMS10

1.2.1弹性性能10

1.2.2内应力11

1.2.3强度12

1.2.4疲劳12

1.3力学性能评价的关键问题13

1.3.1样品13

1.3.2测试方法14

1.3.3标准15

1.4薄膜拉伸测试方法的综合比对15

1.4.1拉伸测试方法16

1.4.2样品设计17

1.4.3材料18

1.4.4样品制备19

1.4.5结果19

1.4.5.1单晶硅与多晶硅20

1.4.5.2镍22

1.4.5.3钛22

1.4.6讨论24

1.5MEMS材料的国际标准24

1.5.1MEMS标准化机构25

1.5.1.1IEC25

1.5.1.2ASTM International25

1.5.1.3SEMI25

1.5.1.4日本微机械中心25

1.5.2薄膜单轴应力测试的国际标准25

1.6结论26

参考文献26

2 匀质材料和涂层-衬底复合材料的弹塑性压入接触力学28

2.1简介29

2.2微纳压痕仪30

2.3压入载荷与压入深度的关系33

2.4圆锥／棱锥形压痕的弹塑性接触变形理论34

2.4.1弹性接触35

2.4.2塑性接触35

2.4.3弹塑性接触36

2.4.4压入接触面积Ac与Oliver-Pharr／Field-Swain近似41

2.4.5压入接触的能量原理44

2.5涂层-衬底复合材料的接触力学45

2.5.1弹性压入接触力学46

2.5.2弹塑性压入接触力学52

2.6结论55

2.7备注56

参考文献58

3 MEMS薄膜材料的鼓胀测试62

3.1简介63

3.2理论65

3.2.1单层膜片的基本定义66

3.2.2平面应变条件下的多层膜片68

3.2.3化简为无量纲形式70

3.2.4薄膜73

3.2.5基本步骤74

3.3载荷-挠度模型74

3.3.1简介74

3.3.1.1直接解74

3.3.1.2变分分析法74

3.3.1.3有限元分析77

3.3.2方形膜片78

3.3.2.1近似载荷-挠度公式79

3.3.2.2方形薄膜80

3.3.3矩形膜片80

3.3.4刚性支撑的长膜片81

3.3.4.1平面应变响应82

3.3.4.2长薄膜84

3.3.4.3泊松比的提取84

3.3.5平面应变条件下弹性支撑的单层长膜片85

3.3.6平面应变条件下弹性支撑的多层长膜片87

3.3.7断裂力学参数的提取89

3.3.8热膨胀91

3.4实验91

3.4.1制备91

3.4.2测量技术93

3.4.3步骤94

3.5结果98

3.5.1氮化硅98

3.5.2氧化硅101

3.5.3多晶硅104

3.5.4金属、聚合物和其他材料105

3.6结论107

参考文献108

4 MEMS材料的轴向拉伸测试113

4.1简介114

4.2薄膜样品单轴拉伸测试中的技术问题114

4.2.1样品夹持116

4.2.2应变测量119

4.2.3纳米尺度结构的拉伸测试122

4.3MEMS材料力学特性的评价方法123

4.3.1脆性材料123

4.3.2金属材料127

4.3.3聚合物膜131

4.3.4形状记忆合金膜136

4.4薄膜样品的疲劳测试141

4.5结论143

参考文献144

5 MEMS的在片测试146

5.1MEMS在片力学测试的简介147

5.2杨氏模量测量147

5.2.1横向谐振结构148

5.2.2悬臂梁结构149

5.3残余应力测量150

5.3.1被动应力测试器件150

5.3.2应力梯度150

5.4粘附和摩擦151

5.5磨损152

5.6断裂韧度和断裂强度152

5.6.1断裂韧度、断裂强度和静态应力腐蚀的被动测量153

5.6.2断裂韧度、断裂强度的主动测量154

5.7疲劳测量157

5.7.1变平均应力与变幅疲劳158

参考文献160

6 电容式压力传感器的可靠性163

6.1简介164

6.2结构和原理164

6.3有限元分析165

6.4制备工艺168

6.5基本特性170

6.6机械可靠性171

6.6.1粘附171

6.6.2灰尘172

6.7湿度特性175

6.8隔膜的谐振175

6.9浪涌（静电）176

6.10结论176

参考文献177

7 惯性传感器的可靠性178

7.1简介178

7.2电容式三轴加速度传感器181

7.2.1加速度检测原理181

7.2.2结构、材料和工艺183

7.3电感式陀螺传感器185

7.3.1工作原理186

7.3.2谐振器设计187

7.3.3工艺和材料187

7.4电容式陀螺传感器190

7.5系统192

7.6结论192

7.7感谢192

参考文献192

8 高精度、高可靠MEMS加速度传感器194

8.1简介195

8.2加速度传感器芯片195

8.2.1传感器芯片的结构以及检测原理195

8.2.2干扰应力的控制问题196

8.2.3减小传感器芯片初始翘曲197

8.2.4减小干扰应力198

8.2.5实验结果199

8.3数字修调IC200

8.3.1概览200

8.3.2读出电路的问题201

8.3.3改进型读出电路特性201

8.3.3.1PROM增益修调201

8.3.3.2斩波放大器202

8.3.3.3二阶补偿202

8.4实验结果202

8.4.1器件结构202

8.4.2测量结果202

8.5结论204

参考文献204

9 MEMS可变光衰减器的可靠性205

9.1简介205

9.2MEMS VOA的设计和制备207

9.3光机械性能211

9.4关于可靠性的探讨214

9.4.1机械强度214

9.4.2低电压工作和振动容限215

9.4.3温度特性218

9.4.4静电漂移221

9.4.5工艺残留224

9.4.6HF蒸汽释放工艺224

9.4.7防止使用中粘附的机械方法226

9.4.8防止使用中粘附的化学方法227

9.4.9密封228

参考文献229

10 扫描MEMS谐振微镜的可靠性230

10.1简介231

10.2特点232

10.3工作原理232

10.3.1一维扫描微镜233

10.3.2二维扫描微镜233

10.4制造工艺233

10.4.1一维扫描微镜233

10.4.2二维扫描微镜234

10.5工作特性235

10.6光学微镜材料240

10.7可靠性240

10.7.1静态强度240

10.7.1.1腐蚀损伤240

10.7.1.2凹口部分的强度表征241

10.7.2疲劳寿命242

10.7.2.1疲劳寿命的设计242

10.7.2.2疲劳寿命测试结果242

10.8应用举例243

10.8.1空气中飘浮粒子的可视化243

10.8.2物体形状的测量244

10.8.3阻塞型场地传感器244

10.8.4车载激光雷达244

10.8.5激光打印机245

10.8.6条形码读出器245

10.8.7测距传感器245

10.8.8激光显示245

参考文献247