微加速度计在温度、湿度、振动三综合环境下的失效机理分析

图6 相对湿度对表面互作用能的影响

粘附引起器件失效的现象普遍存在。它是指两个光滑表面相接触时，在表面力的作用下彼此粘连在一起的现象。这里所指的表面力可以是范德华瓦尔斯力、表面张力、毛细管力、静电吸附力等。研究表明，对于疏水表面，起主导作用的粘附力是范德华瓦尔斯力。范德华瓦尔斯力引起的粘附发生于两接近的平面，而非接触的表面，并随着间距平方的变化急剧变化。而在腐蚀释放结构后的烘干工艺过程中，毛细管力起着主要作用。

在MEMS的加工和工作过程中，微悬臂梁等机械可动件因相对运动使器件中的间隙处于微米/纳米量级时，就会产生粘附问题。粘附一般可分为释放有关粘附和使用中粘附。

释放有关粘附是指用氢氟酸腐蚀牺牲层、释放多晶硅微结构、干燥时，由于硅片表面薄层水的表面张力使两片亲水、间隙在微米/纳米数量级的硅片粘合。

在体硅溶片工艺和各种表面工艺中，当水或其他液体烘干挥发时，会因为表面张力的作用使两个相邻的表面有彼此靠近甚至相互接触的趋势。因此，这里的粘附与水有关，器件受湿影响，粘附功随湿度增加而增加。解决释放有关粘附可以采用绝缘薄膜作抗粘合薄膜，同时要采用气密性封装，并且能防潮和防止微粒玷污。但是绝缘膜静电积累有可能引起因静电或分子间引力而粘合。

除了水的表面张力外，硅表面的化学状态对微结构间的粘合程度也有很大影响：表面氧化层厚度大、水接触角小、梁分开长度短、粘合功大，就容易粘合；反之，就不易发生粘附现象。

使用中粘附就是一种因为硅表面的化学状态引起的粘合现象，它发生在器件封装之后，当输入信号过冲（受到外力冲击或致动力）时，由于硅片表面的化学状态使硅片发生粘合。

粘附问题的解决

早期减少粘附的方法是使表面粗糙化，以减少实际的接触面积。具体的方法有：长一层热氧化层，再干法腐蚀。现在，一般采用的方法如下

1） 无黏附设计

在机械元件的底部或边上设计纹膜结构。这样就减少了接触面积与粘附力。

2） 超临界烘干

在结构释放工艺过程中采用超临界烘干可减少粘附的影响。但是这种方法也存在问题：在结构释放、冲击、振动等环境条件下的粘附减少了，但是，在平常工作的条件下，机械元件可能会相互接触并黏附于一起，因此仍然存在失效。

3） 疏水表面单层

表面单层可用于降低表面的粘附力。SAM覆盖膜通过提供一层钝化层来降低表面黏附能量。

3 结论

分析了在温度、湿度、振动应力条件下，微加速度计发生断裂和粘附的失效机理，在这三种应力条件同时施加下使缺陷加速暴露出来，缩短了试验时间。在温度、湿度、振动三种应力下是否还有新的失效模式产生还有待研究。