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概述：MEMS可靠性导论 1

1 MEMS材料力学性能评价及评价标准 8

1.1简介 9

1.2薄膜材料的力学性能与MEMS 10

1.2.1弹性性能 10

1.2.2内应力 11

1.2.3强度 12

1.2.4疲劳 12

1.3力学性能评价的关键问题 13

1.3.1样品 13

1.3.2测试方法 14

1.3.3标准 15

1.4薄膜拉伸测试方法的综合比对 15

1.4.1拉伸测试方法 16

1.4.2样品设计 17

1.4.3材料 18

1.4.4样品制备 19

1.4.5结果 19

1.4.5.1单晶硅与多晶硅 20

1.4.5.2镍 22

1.4.5.3钛 22

1.4.6讨论 24

1.5MEMS材料的国际标准 24

1.5.1MEMS标准化机构 25

1.5.1.1IEC 25

1.5.1.2ASTM International 25

1.5.1.3SEMI 25

1.5.1.4日本微机械中心 25

1.5.2薄膜单轴应力测试的国际标准 25

1.6结论 26

参考文献 26

2 匀质材料和涂层-衬底复合材料的弹塑性压入接触力学 28

2.1简介 29

2.2微纳压痕仪 30

2.3压入载荷与压入深度的关系 33

2.4圆锥／棱锥形压痕的弹塑性接触变形理论 34

2.4.1弹性接触 35

2.4.2塑性接触 35

2.4.3弹塑性接触 36

2.4.4压入接触面积Ac与Oliver-Pharr／Field-Swain近似 41

2.4.5压入接触的能量原理 44

2.5涂层-衬底复合材料的接触力学 45

2.5.1弹性压入接触力学 46

2.5.2弹塑性压入接触力学 52

2.6结论 55

2.7备注 56

参考文献 58

3 MEMS薄膜材料的鼓胀测试 62

3.1简介 63

3.2理论 65

3.2.1单层膜片的基本定义 66

3.2.2平面应变条件下的多层膜片 68

3.2.3化简为无量纲形式 70

3.2.4薄膜 73

3.2.5基本步骤 74

3.3载荷-挠度模型 74

3.3.1简介 74

3.3.1.1直接解 74

3.3.1.2变分分析法 74

3.3.1.3有限元分析 77

3.3.2方形膜片 78

3.3.2.1近似载荷-挠度公式 79

3.3.2.2方形薄膜 80

3.3.3矩形膜片 80

3.3.4刚性支撑的长膜片 81

3.3.4.1平面应变响应 82

3.3.4.2长薄膜 84

3.3.4.3泊松比的提取 84

3.3.5平面应变条件下弹性支撑的单层长膜片 85

3.3.6平面应变条件下弹性支撑的多层长膜片 87

3.3.7断裂力学参数的提取 89

3.3.8热膨胀 91

3.4实验 91

3.4.1制备 91

3.4.2测量技术 93

3.4.3步骤 94

3.5结果 98

3.5.1氮化硅 98

3.5.2氧化硅 101

3.5.3多晶硅 104

3.5.4金属、聚合物和其他材料 105

3.6结论 107

参考文献 108

4 MEMS材料的轴向拉伸测试 113

4.1简介 114

4.2薄膜样品单轴拉伸测试中的技术问题 114

4.2.1样品夹持 116

4.2.2应变测量 119

4.2.3纳米尺度结构的拉伸测试 122

4.3MEMS材料力学特性的评价方法 123

4.3.1脆性材料 123

4.3.2金属材料 127

4.3.3聚合物膜 131

4.3.4形状记忆合金膜 136

4.4薄膜样品的疲劳测试 141

4.5结论 143

参考文献 144

5 MEMS的在片测试 146

5.1MEMS在片力学测试的简介 147

5.2杨氏模量测量 147

5.2.1横向谐振结构 148

5.2.2悬臂梁结构 149

5.3残余应力测量 150

5.3.1被动应力测试器件 150

5.3.2应力梯度 150

5.4粘附和摩擦 151

5.5磨损 152

5.6断裂韧度和断裂强度 152

5.6.1断裂韧度、断裂强度和静态应力腐蚀的被动测量 153

5.6.2断裂韧度、断裂强度的主动测量 154

5.7疲劳测量 157

5.7.1变平均应力与变幅疲劳 158

参考文献 160

6 电容式压力传感器的可靠性 163

6.1简介 164

6.2结构和原理 164

6.3有限元分析 165

6.4制备工艺 168

6.5基本特性 170

6.6机械可靠性 171

6.6.1粘附 171

6.6.2灰尘 172

6.7湿度特性 175

6.8隔膜的谐振 175

6.9浪涌（静电） 176

6.10结论 176

参考文献 177

7 惯性传感器的可靠性 178

7.1简介 178

7.2电容式三轴加速度传感器 181

7.2.1加速度检测原理 181

7.2.2结构、材料和工艺 183

7.3电感式陀螺传感器 185

7.3.1工作原理 186

7.3.2谐振器设计 187

7.3.3工艺和材料 187

7.4电容式陀螺传感器 190

7.5系统 192

7.6结论 192

7.7感谢 192

参考文献 192

8 高精度、高可靠MEMS加速度传感器 194

8.1简介 195

8.2加速度传感器芯片 195

8.2.1传感器芯片的结构以及检测原理 195

8.2.2干扰应力的控制问题 196

8.2.3减小传感器芯片初始翘曲 197

8.2.4减小干扰应力 198

8.2.5实验结果 199

8.3数字修调IC 200

8.3.1概览 200

8.3.2读出电路的问题 201

8.3.3改进型读出电路特性 201

8.3.3.1PROM增益修调 201

8.3.3.2斩波放大器 202

8.3.3.3二阶补偿 202

8.4实验结果 202

8.4.1器件结构 202

8.4.2测量结果 202

8.5结论 204

参考文献 204

9 MEMS可变光衰减器的可靠性 205

9.1简介 205

9.2MEMS VOA的设计和制备 207

9.3光机械性能 211

9.4关于可靠性的探讨 214

9.4.1机械强度 214

9.4.2低电压工作和振动容限 215

9.4.3温度特性 218

9.4.4静电漂移 221

9.4.5工艺残留 224

9.4.6HF蒸汽释放工艺 224

9.4.7防止使用中粘附的机械方法 226

9.4.8防止使用中粘附的化学方法 227

9.4.9密封 228

参考文献 229

10 扫描MEMS谐振微镜的可靠性 230

10.1简介 231

10.2特点 232

10.3工作原理 232

10.3.1一维扫描微镜 233

10.3.2二维扫描微镜 233

10.4制造工艺 233

10.4.1一维扫描微镜 233

10.4.2二维扫描微镜 234

10.5工作特性 235

10.6光学微镜材料 240

10.7可靠性 240

10.7.1静态强度 240

10.7.1.1腐蚀损伤 240

10.7.1.2凹口部分的强度表征 241

10.7.2疲劳寿命 242

10.7.2.1疲劳寿命的设计 242

10.7.2.2疲劳寿命测试结果 242

10.8应用举例 243

10.8.1空气中飘浮粒子的可视化 243

10.8.2物体形状的测量 244

10.8.3阻塞型场地传感器 244

10.8.4车载激光雷达 244

10.8.5激光打印机 245

10.8.6条形码读出器 245

10.8.7测距传感器 245

10.8.8激光显示 245

参考文献 247