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MEMS及微机械加速度计可靠性研究 许建军’，’、孔学东’、李斌’、师谦’ (1华南理工大学物理科学与技术学院微电子研究所，广州，510640; 2信.息产业部电子第五研究所，广州，510610) 摘 要 由于MEMS器件的应用日益频繁，MEMS可靠性研究就显得十分重要.文中介绍 了引起可靠性问题的方面.最后以微机械加速度计为例，指出了微加速度计的可靠性问 题，以及对其可靠性测试研究的内容. 关键字 MEMS、可靠性、微机械加速度计 1. 引言 自从第一个晶体管诞生以来，半导体产业在这50多年的发展有着惊人的速度和成就。与 此同时，半导体产业向其他科研领域的渗透越来越深。微机械的出现即是这种作用的结果。 微机械发展和应用涉及到物理、化学、生物、汽车、航空航天、国防、工业、农业、交通、 信息以及家庭等各种科研领域。由于微机械的使用跟人身安全的联系日益紧密，所以可靠性 问题也就自然提上日程表，并且得到重点关注与研究。 2.MEMS定义与应用 微电子机械系 (MEMS)，也称微系统技术 (MST)或微机械，是集成微器件或系统， 其综合电子、机械、流体动力学、光学、生物、化学等不同学科领域。具有制造工艺与集成 电路 (IC)制造相兼容性。其器件尺寸从微米级到毫米级。微型化的机械系统为科学技术的 发展提供崭新的方向。微机械器件和系统跟传统的器件相比，具有更小、更轻、更快、更精 确的特点。但是，微机械系统的发展对制造技术提出了高要求，如器件能做到更小的尺寸， 更优的精度控制，更好的设计兼容性，更优的可重复性与可靠性，更高的成品率和更低的成 本，先进的MEMS技术将在未来得到更加广泛的应用。 今天，MEMS器件的使用早已不再是军事用途为主，而在人类生活中其找到了更广泛的 应用空间。现有的常用器件包括加速度、压力、化学、流体传感器，以及微镜、陀螺仪、流 体泵和墨水打印头等。目前MEMS器件在电子学和光学上的应用包括射频MEMS开关、光 网络和热传感器。未来侧重领域包括高分辨率显示器、高密度数据存储器等。现有技术将由 毫米向微米过渡。针对不同应用，器件正进一步在从亚微米到纳米尺度发展。新应用领域的 开发、器件尺寸的缩小、与IC电路的集成成为了MEMS发展的重要趋势。 3. 传感器 传感器与执行器是ME MS的两大类主要产品。传感系统用于流程控制与计量仪器。换 能器用于传感系统的输入与输出模块。输入换能器的作用是将从真实世界中采得有关的物理 重点基金项 目资助 248 或化学参量信息等转换为我们善于处理的物理量，如电信号等。所以一般将输入换能器叫做 传感器。由传感器输出的电信号通常都是微弱的，需要放大或信号处理。这由信号处理电路 完成。信号处理电路可以是外部电路，也可以是与MEMS集成一体的电路，后者是MEMS 发展的趋势。 例如，加速度器广泛应用于汽车气囊展开系统。目前这一代的加速度器集成了带有微机 械传感器的电子线路来提供自诊断与数字输出。可以预想下一代器件同样将会集成整个气囊 展开电路，该电路决定是否对气囊充气。随着技术的成熟，气囊充气传感器将会集成为微机 械传感器，形成一个安全微系统，负责驾驶员的安全与交通工具的稳定性。 新功能、更低成本或者两者兼具，更轻的MEMS会有更大的吸引力。太空作业则会受 益于低重量、小体积和低功耗的MEMS器件。并且通常MEMS的制作、安装、操作简单、 便宜。空间作业和航空发射需要极高的可靠性和可信度。在对有限资源 (比如电能)没有大 量需求的情况下，通常可以安装多个MEMS器件来降低可靠性风险。 4. 引起MEMS可靠性问题的方面 4.1设计与制造 众所周知，在集成电路的设计中，由于工艺的容差，会使得实际的产品与预先设计的产 品有一定的出入。这种出入如果较大，超出了一定范围，就会影响产品的功能，使其不能正 常工作，让器件失去使用的价值。随着IC产业中的特征尺寸越来越小，这种由于工艺容差产 生的可靠性问题的几率也就相对上升。 在MEMS的设计中这种情况就更为突出。原因之一是现在的MEMS辅助设计软件的处 理能力跟IC设计的软件处理能力相比就显得较低。MEMS设计中的核心就是设计腐蚀图形。 目前虽然有多种MEMS计算机辅助设计系统，如IBM的OYSTER软件