12、微机电系统（MEMS）故障分析技术与挑战

微机电系统（MEMS）故障分析技术与挑战

1. 引言

微机电系统（MEMS）作为一种新兴技术，在医疗、工业、消费、军事、汽车和仪表产品等众多领域展现出巨大的应用潜力。然而，随着MEMS器件的批量生产，故障分析（FA）对于这项新技术的成功设计、制造、性能分析和可靠性保证变得至关重要。本文将详细探讨MEMS器件的故障分析技术、故障模式以及相关实例。

2. 表面微加工加速度计概述

• 工作原理 ：加速度计的主要功能是将加速度转换为其他形式的信号，如电压。传统的机械传感器通过弹簧约束滚轮或球，加速度使它们偏移弹簧，从而触发开关闭合。而体微加工加速度计通常通过蚀刻硅直到留下薄的柔性结构，该结构在加速度作用下发生偏转，通过压阻元件测量偏转量来确定加速度。
• 表面微加工优势 ：表面微加工具有明显的优势，其基本制造步骤（沉积、图案化、蚀刻）为许多工厂所熟悉。由于它是基于光刻技术，特征控制更精确，特征尺寸可以更小。此外，在表面微加工过程中更容易实现电路集成。

3. 摩托罗拉MMAS40G加速度计结构

• g - cell结构 ：MMAS40G加速度计的传感元件g - cell是一种表面微加工的Z轴电容式传感器，由三层多晶硅组成。Poly 1层形成电容器的底部极板（Cbottom），是固定极板；Poly 2层是可移动极板（Cmiddle）；Poly 3层是顶部极板（Ctop）。
• 封装与控制 ：芯片切割后放置在带有CMOS控制芯片的引线框架上。控制芯片将电容转换为电压，并进行增益和滤波处理。自测试电路通过向自测试极板（Cself - test）施加电压，产生中间极板的静电偏转。控制芯片还包含EPROM电路，可在封装后对器件进行微调。

4. 测试方法

测试类型	具体方法	作用
“翻转”测试	利用地球重力，分别测量传感器顶部朝上和朝下时的输出，提供2g的差异	简单测量加速度计性能
正弦加速度测试	施加正弦加速度力，测量设备的峰 - 峰电压输出，并与参考加速度计的峰 - 峰加速度相除，得到设备的灵敏度	更全面测试加速度计性能
频谱分析	分析输出信号的频谱	检测输出的非线性
频率扫描	对g - cell和相关电路进行频率扫描	获取带宽信息
脉冲加速度测试	提供高g值的脉冲式加速度，揭示机械冲击响应	检测间歇性故障

5. 测试注意事项

• 电容测量 ：g - cell中的电容小于1皮法，需要高精度的电容计和特殊的探测设置，以最小化寄生电容。同时，直流偏置电压有助于模拟加速度，检测颗粒和电荷等问题。
• 泄漏电流 ：设计对泄漏电流敏感，需要使用高度隔离的有源探头。在电路微探测时，低泄漏、低电容的探头（如Picoprobe 18B）通常足够。

6. 检查方法

• 红外和激光扫描显微镜 ：许多微机械器件采用硅帽进行气密密封，这使得可以通过红外光源对器件进行正面和背面检查。由于现代微加工技术的特征尺寸较小，需要使用共聚焦激光扫描显微镜来获得所需的分辨率。共聚焦显微镜还可以提供Z轴信息，有助于检测异常的垂直位移。

graph LR
    A[器件] --> B[硅帽密封]
    B --> C[红外光源检查]
    C --> D[共聚焦激光扫描显微镜]
    D --> E[获取高分辨率图像和Z轴信息]

• 其他检查技术 ：还可以使用光学检查、扫描电子显微镜（SEM）、聚焦离子束（FIB）技术、原子力显微镜（AFM）、光发射（LE）显微镜、声学显微镜和声学发射分析等技术进行检查。

7. 去处理方法

• 解封装 ：对于玻璃熔块密封的芯片，通常可靠的解封装方法是将芯片加热到玻璃熔点并移除盖子，但需要注意避免高温对器件造成显著影响。
• 移除极板 ：在MMAS40G中，由于玻璃熔块顶部高于传感器，可以使用带有双面胶带的玻璃载玻片直接放在传感器芯片上，通过镊子或操纵器下压载玻片，当胶带与极板接触后，迅速垂直提起载玻片，成功移除单个极板。

通过以上对表面微加工加速度计的详细介绍，我们可以看到在MEMS器件的故障分析中，需要综合考虑多种因素，采用合适的技术和方法来解决问题。在下半部分，我们将继续探讨微发动机的故障分析技术和故障模式。

微机电系统（MEMS）故障分析技术与挑战

8. 微发动机结构与工作原理

• 结构组成 ：微发动机是一种MEMS器件，由两个正交的静电梳齿驱动器驱动，每个轴具有双向驱动能力。梳齿驱动器的梭子连接到连杆，连杆再通过销钉关节连接到齿轮。齿轮直径为80μm，在带凸缘的轮毂上转动。齿轮底部有三个凹坑，可减少倾斜和粘连。
• 工作原理 ：向适当的固定梳齿施加60 - 90V的信号，吸引接地的可动梳齿，使梭子运动，从而导致齿轮旋转。弹簧元件用于平衡驱动力和使齿轮回到平衡位置。

9. 故障分析技术

技术名称	作用	具体应用
光学显微镜	提供初始故障验证和大量信息	观察碎片、纹理、断裂元件等
扫描激光显微镜（SLM）	获得共聚焦图像，识别异常垂直位移	检测平面外粘连的梳齿
扫描电子显微镜（SEM）	高倍成像缺陷，确定电气连续性	识别与基板接触的弹簧元件、磨损痕迹等
电压对比（被动和主动）	识别电位不同的结构	检测静电夹紧、电气短路等问题
聚焦离子束（FIB）	成像结构、截面切割和分离元件	区分卡住和自由的销钉关节，检查轴承表面
原子力显微镜（AFM）	提供详细的地形图像和表面痕迹	研究磨损痕迹的表面粗糙度
红外显微镜	构建热图像，检测热点	定位微发动机中的热点
光发射分析	检测梳齿处的电弧	未在微发动机中检测到发射光
声学显微镜	尝试解决卡住的齿轮和连杆与基板的接触问题	未成功将声学信号转化为粘连证据
声学发射分析	监听微发动机运行时的声学事件	未检测到可分辨的信号

10. 故障模式

• 颗粒污染 ：外部或内部产生的颗粒可能会影响微发动机的性能，特别是在需要小间隙和严格公差的情况下。
• 融合组件 ：过度驱动导致结构和电气部件的意外接触，可能会产生电弧和类似焊接的连接。
• 粘连 ：即使是未通电的元件也可能发生粘连，理论上归因于静电吸引和水分吸附。
• 间歇性故障 ：微发动机的性能下降可能表现为间歇性响应，可能是由于瞬间或可逆的粘连引起的。
• 静电夹紧 ：齿轮和连杆的静电充电可能导致静电夹紧，影响微发动机的正常运行。

11. 静电夹紧的证据

• FIB照射实验 ：在FIB照射下，卡住的齿轮在启用电荷中和时突然恢复到静止位置。
• 电压对比观察 ：在SEM和FIB中，观察到齿轮和连杆的充电/放电行为与微发动机循环中的特定位置一致。
• FIB照明操作 ：在FIB照明下，关闭电荷中和时，柔性关节发动机运行几圈后会被夹紧，重新启用电荷中和或增加操作电压可恢复运行。

graph LR
    A[微发动机故障] --> B[颗粒污染]
    A --> C[融合组件]
    A --> D[粘连]
    A --> E[间歇性故障]
    A --> F[静电夹紧]
    B --> G[影响小间隙和公差]
    C --> H[产生电弧和连接]
    D --> I[归因于静电和水分]
    E --> J[瞬间或可逆粘连]
    F --> K[导致齿轮夹紧]

12. 总结与展望

通过对表面微加工加速度计和微发动机的故障分析，我们发现现有的微电子故障分析技术在MEMS领域具有一定的应用价值。然而，MEMS器件的独特性质也带来了一些挑战，如难以观察到高倍放大下的磨损、部分故障模式难以检测等。未来，需要开发新的技术和工具，以完善MEMS的故障分析，提高MEMS器件的性能和可靠性。