“三明治”式电容微加速度计的环境应力作用建模与可靠性试验仿真

摘要

目前国内外MEMS可靠性研究仍处于起步阶段。本文进行了一定的探索性工作，旨在通过有限元分析软件对微结构进行建模、加载和求解来获得“三明治”式电容微结构随施加载荷变化的响应规律，找出结构中最为薄弱的位置，为进一步可靠性研究提供一定参考。本次研究是国内MEMS微结构的可靠性研究与商业器件结合的首次尝试。最终获得一种适合于各种不同构造的微结构的通用评估技术来指导可靠性研究工作的侧重点。 本文首先对MEMS微结构的失效模式和失效机理进行讨论。明确指出了材料的机械破裂、粘黏和分层是“三明治”式电容微结构类型最易发生的三种失效模式。鉴于该类结构的工作环境特点，选择了机械冲击载荷和温度循环载荷作为考察其可靠性的环境应力。 在Ansys中建立3D实体模型，对该模型进行结构力学中的模态分析和瞬态分析。求解得出3D模型在幅值为1500g的冲击载荷下的结构形变图和应力分布图。微结构在冲击载荷幅值变化情况下的响应规律是：(1)最大位移值随着冲击载荷幅值的增大而增大，始终位于质量块的末端。当幅值为1517g时，质量块与定极板相接触。(2)最大应力值随冲击载荷幅值的增大而增大，并始终位于悬臂梁中。当冲击载荷幅值为4223g时，最大应力值超过硅的屈服强度120MPa，微结构将发生破裂。 建立2D实体模型用于热学稳态分析和瞬态分析。有限元求解得出2D模型在稳态温度-65℃和150℃下的结构形变图和应力分布图。微结构在温度载荷变化情况下的响应规律是：(1)由室温开始，随温度升高，微结构中的最大等效应力值随之增大；(2)由室温开始，随温度降低，微结构中的最大等效应力值也随之增大。无论升温还是降温，微结构中最大等效应力值都出现在微结构定极板层中硅层与二氧化硅层的粘结面处。当温度上升到640℃时，等效应力值超过了硅的屈服强度，结构将发生破裂。 在文中仿真模拟中施加的载荷条件下，该微结构具有高的可靠性。这一结果也得到了相应的可靠性试验的证明。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 MEMS可靠性研究及其意义

1.2 MEMS可靠性研究的迫切性

1.3 MEMS可靠性国内外研究状况

1.4本文的研究路线和各章节内容

第二章MEMS可靠性基础

2.1可靠性、可靠性物理

2.2 MEMS失效模式与机理

2.2.1机械破裂

2.2.2粘黏

2.2.3分层

2.3材料特性与失效规则

2.3.1最大垂直应力规则

2.3.2 Mohr's失效规则

2.4本章小结

第三章“三明治”式电容微加速度计及其结构建模

3.1微加速度计

3.2微加速度计的基本数学模型

3.3电容式微加速度计原理和结构

3.3.1电容式微加速度计原理

3.3.2电容式加速度计的结构

3.4梁的力学分析

3.4.1梁的弯曲振动

3.4.2梁的轴向振动

3.5“三明治”式电容结构建模

3.5.1样品介绍

3.5.2样品结构参数提取

3.5.3建立电容结构模型

3.6本章小结

第四章“三明治”式微结构机械冲击仿真和可靠性试验

4.1机械冲击应力仿真

4.2.1模态分析

4.2.2瞬态分析

4.2.3微结构的冲击极限分析

4.2微结构机械冲击试验

4.2.1机械冲击试验

4.2.2试验样品与条件

4.2.3测试

4.2.4结果与分析

4.4本章小结

第五章“三明治”式微结构温度循环仿真和可靠性试验

5.1温度循环应力仿真

5.1.1稳态分析

5.2.2温度循环

5.2.3微结构温度极限分析

5.2温度应力试验

5.2.1温度循环试验

5.2.2试验样品与条件

5.2.3测试

5.2.4结果与分析

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢