MEMS加速度传感器性能退化研究与可靠性分析.pdf

摘要

微电子机械系统(MEMS)是将微敏感器、执行器以及相关的控制电路集成到一

起的微型电子机械系统。随着MEMS的迅猛发展，MEMS的性能不断提升，其可

靠性也越来越受到重视。MEMS器件种类繁多，其结构复杂多样，工作环境极端

恶劣，存在着气密性退化、疲劳、腐蚀等问题，这为其可靠性研究带来了很大挑战，

制约了MEMS的发展。鉴于此，本文以典型MEMS产品—MEMS电容式加速度

传感器作为研究对象，研究MEMS加速度传感器性能退化与可靠性分析方法，为

提高MEMS可靠性、推动MEMS技术发展提供理论支撑。本文主要包括以下研究

内容：

（1）介绍MEMS加速度传感器的结构及工作原理；分析MEMS加速度传感器

的失效模式及失效机理，确定敏感结构裂纹扩展以及封装气密性退化为本文主要

针对的MEMS加速度传感器失效模式；阐述性能退化研究的相关方法及理论，为

MEMS加速度传感器性能退化研究提供理论基础。

（2）基于威布尔型退化量分布模型和有限元分析方法对MEMS加速度传感器

封装气密性退化进行研究。通过分析MEMS加速度传感器的结构及封装原理，将

腔体内水汽含量作为MEMS气密性的性能退化指标；采用COMSOL软件，建立

MEMS加速度传感器的气密性退化仿真模型；基于威布尔型退化量分布模型进行

气密性退化研究，建立传感器气密性退化模型，并进一步对其进行可靠性分析，计

算得到其可靠度。

（3）基于Gamma随机过程和有限元分析方法对MEMS加速度传感器敏感结

构裂纹扩展进行研究。分析硅微薄膜在静态载荷以及动态载荷下MEMS加速度传

感器敏感结构的疲劳裂纹扩展机理，确定疲劳裂纹扩展所导致的MEMS加速度传

感器的两种主要失效模式：折叠梁裂纹扩展断裂和测量误差过大；将硅微结构裂纹

扩展理论引入到MEMS加速度传感器敏感结构裂纹扩展中，并结合COMSOL软

件建立疲劳裂纹扩展仿真模型以及测量误差仿真模型；根据仿真得到的裂纹扩展

以及测量误差数据的特点，采用Gamma过程分别对两种失效模式进行性能退化建

模，进一步推导MEMS加速度传感器可靠度。

（4）基于Copula理论对MEMS加速度传感器进行多失效模式相关下的可靠性

分析。采用二元ClaytonCopula函数，对气密性退化失效、硅微折叠梁裂纹扩展断

裂以及测量误差过大三种失效模式两两之间相关下的MEMS加速度传感器可靠性

进行分析；进一步采用三元ClaytonCopula函数，对这三种失效模式相关下的

MEMS加速度传感器的可靠性进行分析。

关键词：MEMS加速度传感器，气密性退化，裂纹扩展，可靠性分析，Copula

ABSTRACT

Micro-electro-mechanicalsystem(MEMS)thatintegratesmicrosensors,actuators

andrelatedcontrolcircuits.WiththerapiddevelopmentofMEMS,theperformanceof

MEMShasbeencontinuouslyimproved,anditsreliabilityhasbeenpaidmoreandmore

attention.TherearemanykindsofMEMSdevices,theirstructuresarecomplexand

diverse,theworkingenvironmentisextremelybad,andthereareproblemssuchasair

tightnessdegradation,fatigue,corrosionandsoon,whichbringgreatchallengestothe

reliabilityresearchandrestrictthedevelopmentofMEMS.Inviewofthis,thispaper

takesthetypicalMEMSproduct-MEMScapacitiveacceleratio