高沖擊環境下MEMS大量程加速度傳感器結構的失效分析*

唐 軍 ，趙 銳，石云波，劉 俊

(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051；2.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051)

MEMS大量程加速度傳感器是沖擊、爆破、侵徹等大過載環境測試中的核心部件之一，目前主要應用于軍事、航空航天領域。隨著近年來侵徹武器的發展和對沖擊爆炸現象的深入研究，對MEMS大量程加速度傳感器的需求和要求也逐漸提高［1－5］。目前，現有文獻對MEMS大量程加速度傳感器可靠性的研究大多停留在模擬仿真環節，而對其在大過載沖擊下的可靠性分析較少［6－8］。因此需要進一步研究MEMS傳感器在大過載沖擊下的響應，為其可靠性設計提供具體依據。

本研究首先對設計的大量程加速度傳感器進行了芯片結構和封裝描述，其后利用Hopkinson桿測試裝置測試了傳感器在100 000gn以上載荷下的輸出信號，系統地分析了傳感器抗大過載能力，測試結果表明該傳感器在232 119.4gn下可以測試到有效輸出信號。據此在分析了傳感器可靠性的同時，對測試中失效傳感器進行了分析，總結出大量程加速度傳感器在大過載測試環境下的失效可總結為封裝失效和結構失效兩種，為深入研究大量程加速度傳感器可靠性技術提供了依據。

1 傳感器沖擊測試

1.1 結構設計

傳感器結構如圖1(a)所示，其量程為150 000gn，抗過載200 000gn，采用四端全固支梁－島型結構，梁與框架連接一端布置有壓敏電阻，可以很好地抑制非對稱性結構引起加速度傳感器的橫向效應［9］。梁的根部和端部布置有倒角結構，以分散傳感器結構受到的應力。該方法有效避免了梁根部和端部處應力集中且尖銳的問題，進而提高加速度傳感器的抗過載能力。完成加工的傳感器結構及倒角如圖1(b)所示。

圖1 大量程加速度傳感器結構和倒角圖

該傳感器芯片采用LCC－20陶瓷管殼封裝，傳感器芯片通過貼片膠粘合方式固定到管殼底部，通過鍵合引線將輸出信號引出，如圖2(a)所示。整個管殼充滿氮氣進行氣密性封裝，采用平行縫焊法封冒，傳感器整體封裝結構如圖2(b)所示。

圖2 傳感器封裝結構示意圖

1.2 Hopkinson桿沖擊測試

利用Hopkinson桿測試裝置對大量程加速度傳感器進行抗高過載能力測試，測試裝置如圖3所示。該測試裝置主要由Hopkinson桿、多普勒差動激光測速儀、動態信號分析儀組成。Hopkinson桿用于在校準端面獲得波形良好、橫向運動小的沖擊過程。多普勒差動激光測速儀用于檢測由光柵運動產生的多普勒頻移信號。動態信號分析儀用來采集多普勒信號和記錄被校加速度計輸出信號。

圖3 Hopkinson桿校準系統

該測試系統測試方法是:將被測傳感器安裝在校準桿端部，由壓縮空氣發射彈體，同軸撞擊校準桿的起始端，產生沖擊加速度，同時作用于光柵和被校加速度傳感器。通過測量Hopkinson桿端部光柵的速度－時間關系曲線，微分得到加速度－時間關系曲線，以此作為加速度傳感器的激勵，進而獲取加速度傳感器輸出電壓信號。

在沖擊測試實驗中，通過使用Hopkinson桿測試裝置對5只同一批工藝制造，采用相同封裝工藝的傳感器進行100 000gn以上的大沖擊載荷測試，得到傳感器在高沖擊下的輸出數據，并進行抗大過載能力分析。在測試過程中，傳感器采用5 V供電，其輸出的差分信號采用AD623進行差分放大(放大倍數約為11倍)，隨后通過動態信號分析儀采集傳感器輸出信號。其中一只傳感器的測試結果如表1所示，表中所示傳感器輸出電壓值均為傳感器實際輸出電壓值。圖4為實驗中測得加速度峰值約為230 000gn時多普勒信號以及傳感器輸出電壓信號。

表1 結構參數定義

通過表1中測試結果和圖4測試信號可知，傳感器在受到沖擊時間約為3.4 μs、沖擊加速度峰值約為230 000gn的加速度載荷作用下仍然能夠正常工作，且傳感器結構完好，說明該加速度傳感器抗過大載能力可達到230 000gn，符合抗大過載能力在200 000gn的設計指標。分析加速度傳感器的輸出信號，可知傳感器的靈敏度為0.957 μV/gn，擬合結果如圖5所示。

圖4 加速度峰值約為230 000 gn時實驗測得信號

圖5 Hopkinson桿沖擊校準靈敏度測試擬合曲線

2 傳感器測試結果與失效分析

2.1 傳感器測試結果與失效模式

經過Hopkinson桿沖擊校準測試后，其中部分加速度傳感器沒有輸出信號或者輸出信號異常，對測試過程中失效的傳感器進行分析，利用光學顯微鏡及SEM觀察失效的傳感器，研究導致傳感器失效的原因，傳感器的失效情況如圖6所示。

圖6 傳感器失效圖片

試驗結果表明，沖擊在100 000gn～150 000gn時，5只加速度傳感器信號輸出均正常；在150 000gn～200 000gn沖擊載荷下，有4只傳感器可以正常輸出信號，1只傳感器懸臂梁根部斷裂，如圖6(c)、圖6(d)所示；在200 000gn～220 000gn沖擊載荷下，只有1只傳感器可以正常輸出信號，其余3只傳感器失效，3只傳感器的失效模式分別如圖6(b)、6(e)、6(f)所示；當沖擊信號達到240 000gn以上時，最后的1只傳感器發生管殼失效，如圖6(g)所示。

2.2 傳感器失效分析

失效模式指微器件失效的形式和現象，它只表示微器件是怎樣失效的，而不涉及微器件為什么會失效。可靠性分析技術可用于解決微器件的組成、結構和狀態問題，為失效分析提供有力的參考依據。

MEMS傳感器芯片結構的基本厚度一般在幾十微米到幾百微米之間，其長度和寬度一般不超過毫米量級［10］。基底厚度通常在1 mm內，長度、寬度都在厘米量級。因此基底的尺寸和質量都遠大于MEMS結構。假定基底對MEMS結構的影響呈單向性，且理論上認為傳感器在封裝時僅基底與封裝管殼接觸，而微結構與外界環境沒有直接的力學接觸，如圖7(a)所示。傳感器芯片封裝后，其所受沖擊首先作用在封裝管殼上，隨后通過基底作用到MEMS結構上。假設在理想狀態下，外界沖擊沒有損耗地作用在MEMS結構上。在此基礎上，MEMS結構在沖擊下的響應由以下3個時間常數及其相互關系來決定［11］，即應力波渡越時間τA(應力波從基底傳到MEMS結構自由端的時間)、MEMS本征振動周期T以及沖擊持續時間τ。當τ大于T和τA時，需要用準靜態理論分析MEMS結構在沖擊下的響應；當τ和T相等時，MEMS器件將發生振動；當τ＜τA時，可以用應力波理論分析MEMS器件響應，如圖7(b)所示。則有

式(1)中，L為沖擊作用點到器件自由端最大距離，通常情況下L＜1 mm，v為應力波傳播速度

式(2)中，E為楊氏模量，ρ為材料密度。對于硅材料，其楊氏模量E為170 GPa，密度ρ為2 330 kg/m3，則可知v為8 541.7 m/s，由此可知τA?0.1 μs。Hopkinson桿沖擊校準試驗的波形是近似的半正弦波(如圖4(a)所示)，沖擊持續時間在10 μs～103μs量級上，因此試驗中MEMS器件在沖擊下的響應為準靜態響應。

結合沖擊測試中準靜態響應理論，將失效傳感器照片與圖6(a)中加速度傳感器完整封裝結構相比，可得出以下結論:

圖6(b)中傳感器失效模式是鍵合引線的脫落，主要原因是由于加速度傳感器上的微電路是通過濺射鋁形成的，而在鍵合工藝中采用金引線進行鍵合。但是金鋁鍵合系統會不可避免地形成金－鋁金屬間化合物和Kirkendall空洞［12］。伴隨著金屬間化合物的產生，鍵合接觸電阻變大，降低接觸區域的電學性能，甚至造成鍵合點開路而失效；

圖7 傳感器失效機理模型結構示意圖

圖6(c)和圖6(d)中，傳感器芯片結構的懸臂梁發生斷裂，并且由于大沖擊作用，結構梁根部有破碎現象出現，分別屬于斷裂失效和破碎失效。同時，通過理論計算發現，當傳感器受到200 000gn的沖擊載荷時，其懸臂梁根部的應力值為44.47 MPa。對于單晶硅，取其楊氏模量E=170 GPa，則其極限強度σp=E/100=1.7 GPa，綜合考慮傳感器結構可靠性、工作條件、壽命等工程因素，取安全系數為6，則結構最大許用應力［σ］=σp/6=283 MPa。因此，當傳感器受到200 000gn沖擊載荷作用時，其梁根部的應力并沒有超過傳感器結構的最大許用應力，且遠遠小于單晶硅材料的屈服強度值7 GPa。因此可說明多次重復高沖擊測試加速了傳感器硅材料的疲勞損傷，降低了硅材料的斷裂強度；

圖6(e)中傳感器芯片結構并未發生損壞，而是直接與封裝管殼脫落，通過分析認為是由于封合膠的粘性問題而導致在沖擊測試中傳感器芯片與封裝基座脫落，在測試中輸出信號異常；

通過圖6(f)和圖6(g)觀測到，封裝管殼完全變形，傳感器芯片整體結構破碎。通過計算，當沖擊載荷達到240 000gn以上時，沖擊應力峰值已經超過管殼封裝結構的極限應力，導致管殼結構發生完全變形，進而使傳感器芯片完全破碎。

上述結果表明，在高沖擊環境下傳感器的主要失效模式是鍵合引線的脫落、微梁的斷裂、梁根部的破碎、芯片與封裝基座的脫落及結構的整體破壞。因此，在高沖擊測試下大量程加速度傳感器的在高沖擊環境下的失效模式主要為鍵合引線的脫落、微梁的斷裂和封裝失效。

3 結論

本文利用Hopkinson桿測試裝置對一種四端全固支結構的大量程傳感器進行高過載沖擊測試校準，測試傳感器在100 000gn以上載荷下的輸出信號，分析了傳感器的抗大過載能力及其可靠性，測試結果表明該傳感器在232 119.4gn下可以測試到有效輸出信號。同時，對測試中失效傳感器進行了分析，通過沖擊試驗得出:大量程加速度傳感器的在高沖擊環境下的失效主要為鍵合引線的脫落、微梁的斷裂和封裝失效。主要原因是，加速度傳感器上的微電路是通過濺射鋁形成的，而在鍵合工藝中采用金引線進行鍵合。但是金鋁鍵合系統會不可避免地形成金－鋁金屬間化合物和Kirkendall空洞。伴隨著金屬間化合物的產生，鍵合接觸電阻變大，降低接觸區域的電學性能，甚至造成鍵合點開路而失效；若采用摻雜Pb的Au引線或者鋁引線將有效提高鍵合強度和可靠性；重復的高沖擊測試試驗加速了硅材料的疲勞損傷，降低了硅材料的斷裂強度；當沖擊應力峰值超過管殼封裝結構的極限應力時，將導致管殼結構發生完全變形，進而使傳感器芯片完全破碎。

［1］Shi Y，Qi X，Liu J，et al，Fabrication and Test of Micro High Overloading Acceleration Sensor［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2008，9(44):200－203.

［2］董培濤，周偉，李昕欣，等.三梁－質量塊敏感結構高性能壓阻式碰撞加速度計［J］.傳感技術學報，2007，20(8):1752－1756.

［3］O’Reilly R，Tang H，Chen W，High-gTesting of MEMS Devices，and Why［C］//IEEE Sensors 2008 Conference.2008，148－151.

［4］趙銳，石云波，唐軍，等.MEMS面內大量程加速度傳感器設計與分析［J］.傳感技術學報，2011，24(8):1118－1121.

［5］Shi Y，Zhu Z，Liu X，et al，Dynamic Property Test of a Novel High g Microaccelerometer［C］//ASICON’09.IEEE 8th International Conference.2009，633－635.

［6］Bazu M，Galatcanu L，Ilian V，et al，Quantitative Accelerated Life Testing of MEMS Accelerometers［J］.Sensors，2007，(7):2846－2859.

［7］Merlijin van Spengen W.MEMS Reliahiliy from a Failure Mechanisms Perspective［J］.Microelectronics Reliability，2003，43，1049－1060.

［8］Walraven J A.Failure Mechanisms in MEMS［C］//International Test Conference.2003.828－833.

［9］祁曉瑾.MEMS高G值加速度傳感器研究［D］.碩士學位論文.太原:中北大學，2007.

［10］阮勇，賀學鋒，張大成，等.微米尺度下鍵合強度的評價方法和測試結構［J］.微電子學與計算機，2005，22(8):110－113.

［11］Srikar V T，Senturia S D.The Reliability of Microelectromechanical Systems(MEMS)in Shock Environments［J］.Journal of Microelectromechanical Systems，2002，11，206－214.

［12］Nakajima H.The Discovery and Acceptance of the Kirkendall Effect:The Result of a Short Research Career［J］.Journal of the Minerals，Metals ＆ Materials Society，1997，49(6):15－19.