微机械陀螺振动失效机理及可靠性设计研究

何春华,赵前程,杨振川,张大成,闫桂珍

(1.北京大学微电子学研究院微米/纳米加工技术国家级重点实验室,北京 100871; 2.美的集团,广东 佛山 528311)

工业级应用通常要求陀螺耐受0～2 kHz、总均方根为6gn～20gn的加速度振动,而军用领域可能要求陀螺耐受0～10 kHz、总均方根为30gn的加速度振动,而较大的振动应力可能会引发粘附、机械疲劳、结构断裂、性能退化、引线断裂等问题[1-2]。

由于MEMS陀螺一般采用滑膜驱动梳齿,并且设有阻挡结构,因此基本可避免大振动引发的结构吸合和粘附问题。宾夕法尼亚大学曾对MEMS硅谐振器进行高周疲劳测试,结果表明,单晶硅或多晶硅材料均会发生高周疲劳[3-4]、导致谐振频率下降。谐振频率约11 kHz的硅谐振器在经历107次振动循环后,其频率最大变化约为1%[5]。22.5 GPa应力下,1.56×109个振动周期后谐振器结构发生裂纹扩展[6],可见高振动应力下,结构发生材料疲劳,裂纹随着应力施加而不断扩展,进而影响谐振频率,应力越大,疲劳退化时间越短。意大利都灵理工大学也进行了振动试验,结论也类似[7]。为此,奥本大学提出了一个优化设计工具来提高结构的抗振能力[8]。考虑到陀螺也是一个谐振器,当周期变化的静电驱动应力和机械应力长期共同作用在结构上时,可能会加速结构疲劳、最终发生断裂失效。

实际应用环境中往往同时存在热应力和机械应力,机械振动应力的影响在高温或温循环境下会被增强,温度和振动复合应力可加速暴露器件的可靠性问题。加州大学欧文分校曾对MEMS IMU进行力热环境适应性研究[9],结果表明,立方体IMU结构在25 ℃～90 ℃环境变化或10 Hz～20 kHz振动条件下会发生0.2mrad的倾斜。……