MEMS典型的失效机理

MEMS典型的失效机理

引言

微机电系统(MEMS：Micro-Electro-mechanical System)是基于微电子技术和超精密机械加工技术而发展起来的，将传感器、执行器、机械机构、信息处理和控制电路等集成于一体的集成微型器件或系统，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。与传统的器件相比，其具有可大批量生产、成本低、功耗少和集成化程度高等显著的特点。常用的MEMS器件包括加速度、压力、化学、流体传感器，以及微镜、陀螺仪等，广泛地应用于消费电子、通信、航空、汽车、生物医疗、家电和环境等领域。然而，随着应用领域的日益广泛，MEMS 器件需在各种恶劣的环境下完成传感、执行等功能，因此其可靠性问题变得越来越突出，已经成为了制约MEMS产业进一步发展的重要因素。

MEMS典型的失效机理

通用的MEMS器件中的部件主要有结构梁、结构薄膜、平层、铰链、空腔和齿轮装置等。虽然MEMS器件的应用非常广泛，但在特定的环境条件下，其部件经常会经历相同的退化或失效模式。本文详细地讨论了MEMS器件中常见的失效模式及其失效机理，主要包括粘附、磨损、金属蠕变、脆性断裂、分层和碎屑污染。

1. 粘附

粘附失效是MEMS中最常见且无法避免的问题之一。MEMS的尺寸微小，其可动结构部件由微米级的薄膜加工而成，比表面积大大地增加。根据比例定律，当表面力占主导作用时，会使得结构部件表面在接触时很容易发生粘附而导致器件失效(如图1所示)。MEMS 中主要的表面力是毛细力、分子范德华力和静电力。

图1 梳齿驱动器的粘附失效SEM图

在湿度环境中，封装后的MEMS器件若因封装密封性不好使其悬臂梁暴露在空气中，水汽会因毛细凝聚作用自发地凝聚在表面微小的空隙或空洞中，形成水弯月面。由于分子范德华力的作用，梁上下表面出现应力差，导致悬臂梁发生弯曲。当梁面与其他表面接触时，