多晶硅微悬臂梁断裂失效的可靠性模型建立

摘要

随着人们对MEMS产品的深入研究和开发，越来越多的MEMS产品即将走进日常生活中，而可靠性问题作为MEMS产品商品化过程中的必然要求，引起了越来越多的重视和研究兴趣。但研究MEMS器件可靠性的理论并不多，所以有必要从理论上分析MEMS可靠性并建立数学模型，为MEMS的设计提供参考依据。 MEMS器件在工作的时候会受到静电力或其它的静态载荷，同时器件会处于各种不同的环境中，在运输和使用的过程中将会受到不同程度的冲击和碰撞，另外应用在航空航天及军事系统上的MEMS器件必须能够承受一定强度的冲击，在冲击作用下，MEMS器件可能会发生断裂、分层和粘附等。表面加工微悬臂梁作为MEMS器件的基本结构，可以用于RF开关、光开关、谐振器、传感器等。本文以表面加工多晶硅微悬臂梁为例在静态载荷、动态载荷两种情况下分析了MEMS器件的可靠性，分别对它建立了断裂失效的可靠性模型。 在静态载荷的分析中，考虑MEMS加工工艺的特殊性采用数学模型法建立了威布尔模型；同时利用物理原因法建立了应力．强度干涉模型。在动态载荷的分析中，将微悬臂梁看作一个质量分布参数系统，运用模态叠加法计算出微悬臂梁在冲击下的位移响应和应力分布，根据器件本身、工艺条件和使用环境，确定器件的许用强度。根据应力和强度的不确定性分别给出分布密度函数，运用应力强度干涉理论建立了可靠性模型来定量地计算微悬臂梁在冲击下断裂失效的可靠度。 最后在理论分析的基础上，进行了冲击实验，讨论了实验结果并利用实验数据对理论模型进行了一定的修正。这为微悬臂梁的强度可靠性设计和分析提供了理论依据，可以进一步优化设计。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1 MEMS特点及发展

1.2 MEMS面临的挑战

1.3 MEMS可靠性的重要性及可靠性技术的主要内容

1.4本篇论文的主要工作

第二章MEMS可靠性研究

2.1可靠性基础

2.2宏观机械结构可靠性研究的方法

2.2.1结构可靠性

2.2.2数学模型法

2.2.3物理原因法

2.2.4可靠度

2.3 MEMS器件结构的失效模式及失效机理

2.3.1 MEMS器件的常用结构

2.3.2 MEMS器件常见的失效模式

2.3.3 MEMS器件的失效机理

2.4断裂失效

2.4.1 MEMS器件的断裂失效现象

2.4.2断裂失效机理

2.4.3强度理论

2.5本章小结

第三章微悬臂梁在静态载荷下的强度可靠性分析

3.1微悬臂梁的结构及载荷情况

3.2基于威布尔分布的可靠性模型

3.2.1工艺误差的影响及残余应力的计算

3.2.2威布尔模型的可靠性一般表达

3.2.3拉伸受力与垂直受力下的强度可靠性预测模型

3.3静载荷下应力-强度可靠性分析

3.3.1应力-强度可靠性模型

3.3.2静载荷下的可靠度计算

3.4本章小结

第四章微悬臂梁动态冲击载荷下的强度可靠性分析

4.1结构环境及外加载荷

4.2微悬臂梁在冲击下的响应分析

4.2.1冲击载荷

4.2.2 MEMS微悬臂梁的动态特性

4.2.3微悬臂梁在冲击下的响应及分析

4.3微悬臂梁的强度分析

4.4冲击下可靠性模型的建立

4.4.1可靠度的计算

4.4.2冲击下可靠度的数值计算

4.5本章小结

第五章微悬臂梁在冲击下的实验

5.1实验目的与意义

5.2实验样品制备

5.2.1微悬臂梁结构的工艺流程

5.2.2结构版图的设计

5.3冲击实验方法

5.3.1冲击强度和冲击仪器

5.3.2实验步骤

5.4实验结果

5.4.1梁的断裂失效情况

5.4.2实例分析

5.5结果讨论

5.6本章小结

第六章结束语

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢