多晶硅梁疲勞失效的研究與分析.pdf

1、MEMS器件在受到循環(huán)載荷的作用之后發(fā)生失效，這種失效方式即為疲勞失效。例如RF開關(guān)等面外運(yùn)動(dòng)器件，在循環(huán)的振動(dòng)載荷作用后，器件可能會(huì)發(fā)生斷裂、軟化等疲勞失效現(xiàn)象。為了避免MEMS器件在規(guī)定的工作時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效而造成一些不可預(yù)測的后果，需要了解器件的疲勞失效特性，因此MEMS器件的疲勞特性的研究是十分有必要的。 MEMS器件的疲勞可靠性研究受到了越來越多的學(xué)者的關(guān)注，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)多晶硅MEMS器件的疲勞可靠性作了大量的研究

2、工作，選用的結(jié)構(gòu)多為面內(nèi)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。本文首先對(duì)MEMS器件疲勞可靠性的研究成果進(jìn)行綜述分析，但是選取了以表面工藝加工的、面外運(yùn)動(dòng)的多晶硅結(jié)構(gòu)-固支梁與懸臂梁作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，并且從理論角度分析了用來表征雙端固支梁與懸臂梁疲勞特性的三個(gè)參量：吸合電壓、諧振頻率以及電阻；本文以此作為疲勞實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)，并指導(dǎo)著后續(xù)實(shí)驗(yàn)過程的開展。接下來在現(xiàn)階段國內(nèi)外MEMS器件疲勞可靠性的研究成果基礎(chǔ)之上，對(duì)固支梁與懸臂梁結(jié)構(gòu)作了循環(huán)振動(dòng)載荷下的疲勞實(shí)驗(yàn)，分

3、析了器件出現(xiàn)疲勞失效的特性。此外，在疲勞實(shí)驗(yàn)加載的過程中，本文也研究了可能影響疲勞的其它因素，如環(huán)境的溫度、濕度等；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)境的溫、濕度會(huì)對(duì)疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大的影響；為了使測得的數(shù)據(jù)更加可信并且有可比性，因此必須控制器件加載過程中的環(huán)境條件。 本文利用加速實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行疲勞加載，從而使疲勞實(shí)驗(yàn)更加高效。實(shí)驗(yàn)選用諧振頻率來表征樣品性能的改變；對(duì)不同應(yīng)力振動(dòng)載荷作用后的樣品測量發(fā)現(xiàn)，無論固支梁或者懸臂梁，器件的諧振頻率相對(duì)其

4、固有的諧振頻率都發(fā)生了明顯的偏移，并且多組實(shí)驗(yàn)結(jié)果有相似的變化趨勢：固支梁結(jié)構(gòu)諧振頻率明顯增大，其中一組固支梁結(jié)構(gòu)在經(jīng)過1011次振動(dòng)載荷加載后，諧振頻率偏移量達(dá)到15．618KHz，其相對(duì)變化量為9．15％，器件性能嚴(yán)重退化；而懸臂梁結(jié)構(gòu)在循環(huán)振動(dòng)載荷加載之后，器件諧振頻率明顯變小，其中的一組結(jié)構(gòu)在經(jīng)過6．99×1010次循環(huán)加載之后，器件諧振頻率減小量達(dá)到1．544KHz，相對(duì)偏移為1．34％。由此可見，本實(shí)驗(yàn)所用面外運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)在循環(huán)