MEMS传感器是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。
1、传感
传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来感受转换电信号的器件和系统。它包括速度、压力、湿度、加速度、气体、磁、光、声、生物、化学等各种传感器，按种类分主要有:面阵触觉传感器、谐振力敏感传感器、微型加速度传感器、真空微电子传感器等。传感器的发展方向是阵列化、集成化、智能化。由于传感器是人类探索自然界的触角，是各种自动化装置的神经元，且应用领域广泛，未来将备受世界各国的重视。
2、生物
生物MEMS技术是用MEMS技术制造的化学/生物微型分析和检测芯片或仪器，有一种在衬底上制造出的微型驱动泵、微控制阀、通道网络、样品处理器、混合池、计量、增扩器、反应器、分离器以及检测器等元器件并集成为多功能芯片。可以实现样品的进样、稀释、加试剂、混合、增扩、反应、分离、检测和后处理等分析全过程。它把传统的分析实验室功能微缩在一个芯片上。生物MEMS系统具有微型化、集成化、智能化、成本低的特点。功能上有获取信息量大、分析效率高、系统与外部连接少、实时通信、连续检测的特点。国际上生物MEMS的研究已成为热点，不久将为生物、化学分析系统带来一场重大的革新。
3、光学
随着信息技术、光通信技术的迅猛发展，MEMS发展的又一领域是与光学相结合，即综合微电子、微机械、光电子技术等基础技术，开发新型光器件，称为微光机电系统(MOEMS)。它能把各种MEMS结构件与微光学器件、光波导器件、半导体激光器件、光电检测器件等完整地集成在一起。形成一种全新的功能系统。MOEMS具有体积小、成本低、可批量生产、可精确驱动和控制等特点。较成功的应用科学研究主要集中在两个方面:一是基于MOEMS的新型显示、投影设备，主要研究如何通过反射面的物理运动来进行光的空间调制，典型代表为数字微镜阵列芯片和光栅光阀；二是通信系统，主要研究通过微镜的物理运动来控制光路发生预期的改变，较成功的有光开关调制器、光滤波器及复用器等光通信器件。MOEMS是综合性和学科交叉性很强的高新技术，开展这个领域的科学技术研究，可以带动大量的新概念的功能器件开发。
4、射频
射频MEMS技术传统上分为固定的和可动的两类。固定的MEMS器件包括本体微机械加工传输线、滤波器和耦合器，可动的MEMS器件包括开关、调谐器和可变电容。按技术层面又分为由微机械开关、可变电容器和电感谐振器组成的基本器件层面；由移相器、滤波器和VCO等组成的组件层面；由单片接收机、变波束雷达、相控阵雷达天线组成的应用系统层面。
1、医疗
MEMS传感器应用于无创胎心检测，检测胎儿心率是一项技术性很强的工作，由于胎儿心率很快，在每分钟l20～160次之间，用传统的听诊器甚至只有放大作用的超声多普勒仪，用人工计数很难测量准确。而具有数字显示功能的超声多普勒胎心监护仪，价格昂贵，仅为少数大医院使用，在中、小型医院及广大的农村地区无法普及。此外，超声振动波作用于胎儿，会对胎儿产生很大的不利作用。尽管检测剂量很低，也属于有损探测范畴，不适于经常性、重复性的检查及家庭使用。
基于VTI公司的MEMS加速度传感器，提出一种无创胎心检测方法，研制出一种简单易学、直观准确的介于胎心听诊器和多普勒胎儿监护仪之间的临床诊断和孕妇自检的医疗辅助仪器。通过加速度传感器将胎儿心率转换成模拟电压信号，经前置放大用的仪器放大器实现差值放大。然后进行滤波等一系列中间信号处理，用A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号。通过光隔离器件输入到单片机进行分析处理，最后输出处理结果。
基于MEMS加速度传感器设计的胎儿心率检测仪在适当改进后能够以此为终端，做一个远程胎心监护系统。医院端的中央信号采集分析监护主机给出自动分析结果，医生对该结果进行诊断，如果有问题及时通知孕妇到医院来。该技术有利于孕妇随时检查胎儿的状况，有利于胎儿和孕妇的健康。
2、汽车
MEMS压力传感器主要应用在测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力及轮胎压力。这种传感器用单晶硅作材料，以采用MEMS技术在材料中间制作成力敏膜片，然后在膜片上扩散杂质形成四只应变电阻，再以惠斯顿电桥方式将应变电阻连接成电路，来获得高灵敏度。车用MEMS压力传感器有电容式、压阻式、差动变压器式、声表面波式等几种常见的形式。
而MEMS加速度计的原理是基于牛顿的经典力学定律，通常由悬挂系统和检测质量组成，通过微硅质量块的偏移实现对加速度的检测，主要用于汽车安全气囊系统、防滑系统、汽车导航系统和防盗系统等，除了有电容式、压阻式以外，MEMS加速度计还有压电式、隧道电流型、谐振式和热电偶式等形式。其中，电容式MEMS加速度计具有灵敏度高、受温度影响极小等特点，是MEMS微加速度计中的主流产品。
微陀螺仪是一种角速率传感器，主要用于汽车导航的GPS信号补偿和汽车底盘控制系统，主要有振动式、转子式等几种。应用最多的属于振动陀螺仪，它利用单晶硅或多晶硅的振动质量块在被基座带动旋转时产生的哥氏效应来感测角速度。例如汽车在转弯时，系统通过陀螺仪测量角速度来指示方向盘的转动是否到位，主动在内侧或者外侧车轮上加上适当的制动以防止汽车脱离车道，通常，它与低加速度计一起构成主动控制系统。

3、运动追踪
在运动员的日常训练中，MEMS传感器可以用来进行3D人体运动测量，对每一个动作进行记录，教练们对结果分析，反复比较，以便提高运动员的成绩。随着MEMS技术的进一步发展，MEMS传感器的价格也会随着降低，这在大众健身房中也可以广泛应用。
在滑雪方面，3D运动追踪中的压力传感器、加速度传感器、陀螺仪以及GPS可以让使用者获得极精确的观察能力，除了可提供滑雪板的移动数据外，还可以记录使用者的位置和距离。在冲浪方面也是如此，安装在冲浪板上的3D运动追踪，可以记录海浪高度、速度、冲浪时间、浆板距离、水温以及消耗的热量等信息。
4、手机拍照
在MEMS Drive出现之前，手机摄像头主要由音圈马达移动镜头组的方式实现防抖(简称镜头防抖技术)，受到很大的局限。而另一个在市场上较高端的防抖技术：多轴防抖，则是利用移动图像传感器(Image Sensor)补偿抖动，但由于这个技术体积庞大、耗电量超出手机载荷，一直无法在手机上应用。
凭着微机电在体积和功耗上的突破，最新技术MEMS Drive类似一张贴在图像传感器背面的平面马达，带动图像传感器在三个旋转轴移动。MEMS Drive 的防抖技术是透过陀螺仪感知拍照过程中的瞬间抖动，依靠精密算法，计算出马达应做的移动幅度并做出快速补偿。这一系列动作都要在百分之一秒内做完，你得到的图像才不会因为抖动模糊掉。
目前，全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作，已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品，其中MEMS传感器占相当大的比例。MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。
随着时间的推移和技术的逐步发展，MEMS所包含的内容正在不断增加，并变得更加丰富。MEMS内容归纳为集成传感器、微执行器和微系统。人们还把微机械、微结构、灵巧传感器和智能传感器归入MEMS范畴。制作MEMS的技术包括微电子技术和微加工技术两大部分。微电子技术的主要内容有:氧化层生长、光刻掩膜制作、光刻选择掺杂(屏蔽扩散、离子注入)、薄膜(层)生长、连线制作等。
微加工技术的主要内容有硅表面微加工和硅体微加工(各向异性腐蚀、牺牲层)技术、晶片键合技术、制作高深宽比结构的LIGA技术等。利用微电子技术可制造集成电路和许多传感器。微加工技术很适合于制作某些压力传感器、加速度传感器、微泵、微阀、微沟槽、微反应室、微执行器、微机械等，这就能充分发挥微电子技术的优势，利用MEMS技术大批量、低成本地制造高可靠性的微小卫星。
MEMS技术主要属于微米技术范畴，MEMS技术大都基于现有技术，用由大到小的技术途径制作出来的，发展了一批新的集成器件，大大提高了器件的功能和效率，已显示出了巨大的生命力。MEMS技术的发展有可能会像微电子一样，对科学技术和人类生活产生革命性的影响，尤其对微小卫星的发展影响更加深远，必将为大批量生产低成本高可靠性的微小卫星打开大门。

加速度计和陀螺仪是最常见的MEMS惯性传感器                 

MEMS技术拥有非常广阔的市场前景，特别是进入物联网时代，由于应用场景种类繁多，再加上产品生产技术的多样化，为企业带来了巨大的发展机遇。从我国MEMS各产品市场占比来看，MEMS惯性传感器占有超过30%的份额。

惯性传感器是针对物理运动做出反应的器件，如线性位移或角度旋转，并将这种反应转换成电信号，通过电子电路进行放大和处理。其中，加速度计和陀螺仪是最常见的MEMS惯性传感器，加速度计是敏感轴向加速度并转换成可用输出信号的传感器；陀螺仪则是能够测量敏感运动体相对于惯性空间的运动角速度的传感器。此外，MEMS惯性组合测量单元由于可以实现组合导航、减少误差，也广泛应用于需要运动控制的设备上。MEMS惯性传感器在1990年代开始规模应用在汽车工业和国防工业，20世纪初开始应用于手机等消费电子领域，物联网有望引领下一波增长浪潮。

图：MEMS惯性传感器发展浪潮
来源：投中网
简言之，MEMS惯性传感器的研究成果对于物体的制导、导航，各类型交通工具的自动驾驶以及各种智能穿戴设备的应用具有重要意义。

MEMS加速度计
加速度计是MEMS领域最早开始研究的传感器之一。经过多年的发展，MEMS加速度计的设计和加工技术已经日趋成熟。根据敏感机理不同，MEMS加速度计可以分为压阻式、热流式、谐振式和电容式等。其中，压阻式MEMS加速度计容易受到压阻材料影响，温度效应严重、灵敏度低，横向灵敏度大，精度不高；热流式加速度计由于受传热介质本身的特性限制，器件频率响应慢、线性度差、容易受外界温度影响。因此，这两种加速度计主要用于对精度要求相对较低的民用领域或军事领域中的高g值测量。而谐振式微加速度计理论上可以达到导航级的精度，但目前技术状态还达不到实用化的要求。
此外，电容式硅微加速度计由于精度较高、技术成熟、且环境适应性强，是目前技术最为成熟、应用最为广泛的MEMS加速度计。随着MEMS加工能力提升和ASIC电路检测能力提高，电容式MEMS加速度计的精度也在不断提升。目前，硅微加速度计大部分采用集成化封装，并在此基础上不断朝着高精度、数字化和高可靠性的方向发展。
根据美国Draper实验室对加速度计的预测，微机电MEMS加速度计将取代石英挠性和液浮加速度计；高精度机电加速度计仍保持原有应用领域，部分领域会被微机电MEMS加速度计取代。

图：2020年加速度计技术应用预测
来源：美国Draper实验室

MEMS陀螺仪
自20世纪80年代以来，对角速率敏感的MEMS陀螺仪受到越来越多的关注。根据性能指标，MEMS陀螺仪通常可分为速率级、战术级和惯性级。其中，速率级陀螺仪可用于消费类电子产品、手机、数码相机、游戏机和无线鼠标；战术级陀螺仪适用于工业控制、智能汽车、火车、汽船等领域；惯性级陀螺仪则可用于卫星、航空航天的导航、制导和控制等参数要求严苛的场景。
据美国Draper实验室对2020年陀螺仪的分析和预测，2020年，石英/硅微机电MEMS陀螺将占领中低精度应用领域，即消费级应用。基本功能是测量物体的直线加速度、倾斜角度、转动速度、振动频率和力度等，这些基本的物理信号通过应用程序的开发，可以衍生出各种各样的功能。

图：2020年陀螺仪技术应用预测
来源：美国Draper实验室

MEMS惯性测量组合单元
这是是基于MEMS技术的新型惯性测量器件，用来测量物体的角速度和加速度信息，是实现微小型无人机、交通工具等导航制导的核心部件。目前，MIMU 正朝着高精度、小体积、集成化、实用化、高可靠的方向发展，在系统中的应用也越来越普遍。特别是在对成本和体积敏感的应用领域，MEMS惯性测量组合单元必将取代体积大、成本高的传统惯性测量单元。
从目前的行业应用来看，消费类市场仍是惯性MEMS器件最大的细分市场，但是价格压力巨大，竞争激烈。随着智能汽车产业的发展，其在汽车领域的应用市场将会逐步打开，并有望超越消费电子行业的需求。根据赛迪智库数据显示，2016-2021年我国MEMS惯性传感器年复合增长率预计为15%，2020年将突破110亿元。

图：2016-2021年我国MEMS惯性传感器市场规模
来源：赛迪智库
从国内外竞争状况来看，目前国际大厂已经能够实现系统级九轴惯性传感器封装，并且在逐步向 “九+”方向演进，如九轴惯性传感器与气体、温湿度传感器集成产品，相比之下，国内产品目前多数仅为六轴产品，且封装尺寸较国际产品还存在不小差距。
近几年来，MEMS惯性传感器发展迅速，精度不断提高。虽然相比光纤陀螺、激光陀螺仍有较大差距，但是其价格低、体积小、重量轻，使得MEMS惯性导航系统在惯性导航系统中发挥了重要作用。未来随着MEMS材料工艺与制造工艺不断发展，MEMS惯性导航系统精度必将不断提高，其成本也将不断降低。
产品技术水平的提高会刺激需求的增长，需求的推动也同样会加速技术的进步。导航、自动驾驶和个人穿戴设备等对惯性传感器的精度需求逐渐提高，精细化测量需求和智能化的发展也对传感器的精度也提出了越来越高的要求。再加上产品装备小体积、低功耗、多功能的需求，未来MEMS传感器将朝着微型化、高集成度的方向发展。并且，随着MEMS惯性传感器的应用范围越来越广泛，工作环境越来越复杂，通过采用新工艺、新机理（如光学陀螺与原子陀螺结合MEMS 工艺制造的MEMS陀螺，以及利用SiC、SiN、聚合物等材料制作的微机械谐振式加速度计等），产品耐高温、耐高压、耐冲击等应对复杂环境的水平也将会越来越高。

MEMS陀螺仪工作原理                                 
陀螺仪是用来测量角速率的器件，在加速度功能基础上，可以进一步发展，构建陀螺仪。

陀螺仪的内部原理是这样的：对固定指施加电压，并交替改变电压，让一个质量块做振荡式来回运动，当旋转时，会产生科里奥利加速度，此时就可以对其进行测量；这有点类似于加速度计，解码方法大致相同，都会用到放大器。
角速率由科氏加速度测量结果决定
- 科氏加速度 = 2 × (w × 质量块速度)
- w是施加的角速率(w = 2 πf)
通过14 kHz共振结构施加的速度（周期性运动）快速耦合到加速度计框架
- 科氏加速度与谐振器具有相同的频率和相位，因此可以抵消低速外部振动
该机械系统的结构与加速度计相似（微加工多晶硅）
信号调理（电压转换偏移）采用与加速度计类似的技术
施加变化的电压来回移动器件，此时器件只有水平运动没有垂直运动。如果施加旋转，可以看到器件会上下移动，外部指将感知该运动，从而就能拾取到与旋转相关的信号。

上面的动画，只是抽象展示了陀螺仪的工作原理，而真实的陀螺仪内部构造是下面这个样子，别不小心误会了哦~


PS：陀螺仪可以三个一起设计，分别对应于所谓滚动、俯仰和偏航。任何了解航空器的人都知道，俯仰是指航空器的上下方向，偏航是指左右方向，滚动是指向左或向右翻滚。要正确控制任何类型的航空器或导弹，都需要知道这三个参数，这就会用到陀螺仪。它们还常常用于汽车导航，当汽车进入隧道而失去GPS信号时，这些器件会记录您的行踪。
无人机在飞行作业时，获取的无人机影像通常会携带配套的POS数据。从而在处理中可以更加方便的处理影像。而POS数据主要包括GPS数据和IMU数据，即倾斜摄影测量中的外方位元素：（纬度、经度、高程、航向角（Phi）、俯仰角（Omega）及翻滚角（Kappa））。
GPS数据一般用X、Y、Z表示，代表了飞机在飞行中曝光点时刻的地理位置。
飞控是由主控MCU和惯性测量模块（IMU，Inertial Measurement Unit）组成。IMU提供飞行器在空间姿态的传感器原始数据，一般由陀螺仪传感器/加速度传感器/电子罗盘提供飞行器9DOF数据。
IMU中的传感器用来感知飞行器在空中的姿态和运动状态，这有个专有名词叫做运动感测追踪，英文Motion Tracking。运动感测技术主要有四种基础运动传感器，下面分别说明其进行运动感测追踪的原理。
微机电系统（MEMS）
IMU中使用的传感器基本上都是微机电系统（MEMS），是半导体工业中非常重要的一个分支。
微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）是一种先进的制造技术平台。微机电系统是微米大小的机械系统，是以半导体制造技术为基础发展起来的。
我们的四轴飞行器上用到的加速度陀螺仪MPU6050，电子罗盘HMC5883L都是微机电系统，属于传感MEMS分支。传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来感受转换电信号的器件和系统。
加速器（G-sensors）
加速器可用来感测线性加速度与倾斜角度，单一或多轴加速器可感应结合线性与重力加速度的幅度与方向。含加速器的产品，可提供有限的运动感测功能。
加速度计的低频特性好，可以测量低速的静态加速度。在我们的飞行器上，就是对重力加速度g（也就是前面说的静态加速度）的测量和分析，其它瞬间加速度可以忽略。记住这一点对姿态解算融合理解非常重要。
当我们把加速度计拿在手上随意转动时，我们看的是重力加速度在三个轴上的分量值。加速度计在自由落体时，其输出为0。为什么会这样呢？这里涉及到加速度计的设计原理：加速度计测量加速度是通过比力来测量，而不是通过加速度。
陀螺仪（Gyros）
陀螺仪是利用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。
陀螺仪可感测一轴或多轴的旋转角速度，可精准感测自由空间中的复杂移动动作，因此，陀螺仪成为追踪物体移动方位与旋转动作的必要运动传感器。不像加速器与电子罗盘，陀螺仪不须借助任何如重力或磁场等的外在力量，能够自主性的发挥其功能。所以，从理论上讲只用陀螺仪是可以完成姿态导航的任务的。
陀螺仪的特性就是高频特性好，可以测量高速的旋转运动。缺点是存在零点漂移，容易受温度/加速度等的影响。
电子罗盘（E-Compasses）
电子罗盘也叫数字指南针，磁力计，是利用地磁场来定北极的一种方法。现在一般有用磁阻传感器和磁通门加工而成的电子罗盘。
电子罗盘可由地球的磁场来感测方向。运用电子罗盘的消费性电子产品应用，包含在手机的地图应用程序显示正确方向，或为导航应用程序提供前进方向数据。然而，电子设备或建筑材料的磁场干扰，比地球磁场来得强，导致电子罗盘传感器的输出值，较容易受到各种环境因素的影响，尤其在室内更是如此，因此，电子罗盘须要透过频繁的校正，才能维持前进方向数据的准确度。
压力传感器（Barometers）
压力传感器又叫做气压计，会藉由气压的变化来感测物体的相对与绝对高度，常被运用于与运动、健身、方位推测等应用有关的消费性产品中，例如，可感测使用者的移动层楼，调整地图信息。
IMU数据主要包含了：航向角（Phi）、俯仰角（Omega）及翻滚角（Kappa）三个数据。
1、航向角（Phi）
航向角英文缩写是：Phi。定义为：飞机和航天飞机的纵轴与地球北极之间的夹角。
示意图如下图所示：

2、俯仰角（Omega）
俯仰角英文缩写是：Omega。定义为：平行于机身轴线并指向飞行器前方的向量与地面的夹角。
示意图如下：

3、翻滚角（Kappa）
翻滚角又叫侧滚角，英文缩写是Kappa。定义为：光轴与十周之间的夹角。
示意图如下图所示：


MEMS惯性器件的主要失效模式和失效机理研究

摘要：针对微机电系统（MEMS）器件的可靠性问题，通过大量的历史资料调研和失效信息收集等方法，针对微机电系统（MEMS）器件的可靠性问题，对冲击、振动、湿度、温变、辐照和静电放电（ESD）等不同环境应力条件下的MEMS惯性器件典型失效模式及失效机理进行了深入分析和总结，研究结果有利于指导未来MEMS惯性器件的失效分析和可靠性设计。
关键词：微机电系统（MEMS）惯性器件；可靠性；失效模式；失效机理
0 引言
微电子机械系统（micro-electro-mechanicalsystems，MEMS）是集成的微型系统，它结合了电子、机械或其他（磁、液体和热等）元件，通常采用传统的半导体批量工艺技术来制造。MEMS惯性器件是指敏感结构采用微加工手段加工的微机械陀螺和微加速度计，其中陀螺用于测量运动体的角速度，加速度计用于测量运动体的加速度，它们可单独使用，也可组合使用。
MEMS惯性器件具有体积小、重量轻、功耗低、可大批量生产、成本低、抗过载能力强等一系列优点，因此被广泛应用于生物与医药行业、汽车工业、机器人、消费类电子、航空航天、导弹制导等领域中。MEMS惯性器件不可避免地应用在各种恶劣的工作环境中，由此引发的可靠性问题非常突出，近年来受到了高度重视。
在制造、安装、运输或使用过程中，MEMS惯性器件会遭到剧烈冲击或振动应力的影响。而在航天航空等领域，MEMS惯性器件通常工作在高低温剧烈变化的环境中，如卫星运行时会周期性进入向阳面和背阳面，造成惯性器件的工作环境温度发生周期性的极端变化，同时在太空中工作也会受到各种射线辐射的影响。大气下工作的MEMS惯性器件还可能受到空气中水蒸气或其他腐蚀气体的影响。这些恶劣环境应力导致MEMS惯性器件的一些特性发生变化，所引发的典型失效模式包括断裂、分层、粘附、疲劳、腐蚀、微粒污染等。
本文通过大量的历史资料调研和失效信息收集等方法，针对不同环境应力条件下的MEMS惯性器件典型失效模式及失效机理进行了深入探讨和分析。
1 典型失效模式与失效机理
1.1 冲击应力下的失效模式与失效机理
冲击应力下引起的MEMS惯性器件典型失效模式包括断裂、粘附、微粒污染及分层等。
断裂是冲击应力下最常见的失效模式。惯性器件的悬臂梁、梳齿等部件对应力非常敏感，在冲击环境下最容易发生断裂。
Yang Chunhua和Liu Qin等人通过对MEMS加速度计的冲击试验，发现悬臂梁、梳齿的受力集中点均在根部，即连接点处。当冲击应力引起的悬臂梁变形大于材料的屈服强度时，悬臂梁发生断裂失效，这种情况在脆性材料硅基MEMS惯性器件中最为显著。
Li J和Broas M等人对MEMS陀螺仪进行了多次冲击试验，结果如图1所示，该冲击试验引起的主要失效模式包括：梳状驱动器的梳齿、梳臂断裂，梳齿的破损，微粒阻塞梳状结构的运动。其主要失效机理为冲击应力导致内部结构之间发生剧烈碰撞，所引起的应力远大于其断裂强度。
微粒污染是冲击应力下常见的失效模式。MEMS惯性器件中的微粒可由多种途径引入或产生，包括制造过程中的表面清理、金属沉积、刻蚀、退火、以及封装过程引入的微粒，还包括MEMS器件材料的晶粒生长等。冲击引起的结构断裂面附着的微粒在持续冲击下还会发生移动，从而带来潜在的可靠性问题。如图1(e)所示的微粒卡在MEMS惯性器件运动部件与固定部件之间，阻碍了器件的正常运动，从而引发功能失效。
Tanner D M等人在他们对MEMS器件的冲击试验中发现，除了断裂失效，在冲击应力下，梳齿之间、或者梳齿与和基底之间可能会直接接触，从而造成短路失效，如图2所示。此外，微粒分布在梳齿和梳齿、或者梳齿和接地基底之间也会导致电学短路失效，如图3所示。
冲击应力下引发的失效模式还包括分层。MEMS惯性器件包含可动结构，其结构与衬底之间往往通过阳极键合工艺加工在一起，而高g值冲击应力下可能会导致键合断裂，从而引起分层失效。
上述研究虽然是基于微引擎的，但由于MEMS惯性器件同样具有梳齿结构，而且加工工艺类似，所以，在高g值冲击应力下它们的失效模式和失效机理是相似的。
对基于表面微加工工艺的MEMS惯性器件，其表面积和体积之比相对较大，当器件内部的两个部件表面距离较近时容易产生粘附失效。MEMS惯性器件梁与衬底间距仅为零点几个微米，在使用过程中结构材料的刚度退化降低，在冲击力作用下梁容易变形，向衬底弯曲并发生粘附。当弹性力小于粘附力时，梁与衬底无法分离，从而使器件发生永久性的粘附失效。图4为微悬臂梁粘附的两种模式，一种为S型，一种为弓型。
1.2 振动应力下的失效模式与失效机理
振动是影响MEMS惯性器件可靠性的重要因素之一。振动环境下MEMS惯性器件的主要失效模式包括断裂、微粒污染、粘附、疲劳、以及金属键合引线的脱落等。
断裂同样是振动应力下MEMS惯性器件常见的失效模式。当振动应力超过材料断裂强度时，就会引起断裂失效。
不同于冲击环境，振动环境下的断裂失效可能是由于长期振动下的材料疲劳引起的，这种情况下振动应力即使低于材料的断裂强度，也可能引发断裂失效。疲劳是指材料受到交变应力重复作用后材料强度下降。MEMS惯性器件通常工作在谐振状态，结构在工作过程中常以拉伸、压缩、弯曲、振动，热膨胀和热收缩等形式产生循环的机械运动。交变应力会使疲劳损伤逐渐累积，从而导致结构特性发生改变、器件性能发生变化。据美国Sandia实验室有关研究报道，材料的平均杨氏模量随着循环次数的增加下降的范围在疲劳失效前可达15%。也就是说当循环运动达到一定次数后，器件会因为疲劳而发生失效。
De Pasquale G和Somà A对MEMS器件的弹性梁在不同交变应力和循环次数下进行了疲劳测试，结果如图5所示。实验中σ a 表示交变应力的振幅，σ m 表示平均应力的振幅，N f 表示疲劳失效的循环次数。实验中结果表明，σ m = 60 MPa，σ a = 32.7 MPa，Nf = 6.6 × 10 6 时，梁上表面晶界处开始出现裂缝，随着应力振幅的增长和循环次数的增加，裂缝尖端处位错的进一步运动使得裂缝生长，高密度的位错积聚使材料表面出现局部屈服，如图5(d)和(e)所示。在σ m = 65 MPa，σ a = 10 MPa时，弹性梁断裂，如图5(f)所示。由于MEMS惯性器件的微梁结构在振动交变应力作用下的受力情况也与上述梁结构近似，因此出现的失效模式及失效机理也类似。
MEMS惯性器件在振动过程中，由于悬臂梁太接近衬底而引起粘附力快速增长，当力接近或超过梁的最大承受载荷和梁的弹性恢复力时会造成梁与衬底接触，当梁的弹性势能不足以抵消表面能时，就会与衬底产生粘附失效。
在振动应力的作用下也会出现MEMS惯性器件短路失效的问题。引发该失效模式的原因主要有两个方面，一是振动应力下不同电极部件的直接接触，二是微粒散落在不同电势部件之间形成通路进而造成短路失效。这两种情况与冲击应力下的失效模式及失效机理类似。微粒污染也是振动下的失效模式之一，带来的影响主要包括造成机械阻塞和短路失效两种，其失效机理也与冲击应力下提到的类似。
1.3 湿度环境下的失效模式与失效机理
湿度也是影响MEMS惯性器件可靠性的重要因素之一。在湿度条件下，水汽会渗入器件的微裂缝和微孔中。MEMS惯性器件梁结构的粘附失效受湿度的影响也相对较大，封装失效可能会导致水汽侵入，从而引起分布电容、电阻阻值等电参数的变化，并可能造成粘附、分层、电化学腐蚀、腐蚀疲劳等。
粘附是湿度环境下主要的失效模式之一。引起粘附的原因和前面提到的类似，主要是由于MEMS惯性器件结构存在亲水表面，当两个部件表面间距很小时，表面力如毛细黏性力、范德瓦尔斯力、静电力和氢键产生的作用力等会造成结构粘附。前面分析了在冲击和振动应力下的粘附失效机理，而在高湿度环境下更容易引起惯性器件的部件粘附。宋运康、赵坤帅等人在不同湿度下对MEMS加速度计进行测试证实，相对湿度与粘附比例成正比，当相对湿度大于55%时，粘附比例明显上升。
Van Spengen W M等人的研究表明，毛细黏性力和范德瓦尔斯力是影响MEMS器件内部结构粘连的主要原因。图6为高湿度下MEMS器件的几种粘附情况，主要为梳齿间的侧面粘附以及梳齿与基底粘附。
电化学腐蚀是MEMS惯性器件在湿度环境下的另一失效模式。空气中的水汽是引起MEMS惯性器件电极发生电化学腐蚀的主要原因。当器件直接暴露在空气中时，一些封装气密性不好的MEMS器件可能会发生水汽渗入并附着在硅结构表面上，在电场作用下会发生化学反应，造成电化学腐蚀。
Hon M等人在高电场和高湿度对MEMS器件进行试验发现，附着在MEMS 器件中的表面水汽作为反应的电解质溶液，加速了电化学反应的进程，仅2 h电极板就开始发生膨胀和分层、悬臂梁向上弯曲，结构严重变形等，如图7所示。
硅在潮湿环境下易形成氧化物，容易产生腐蚀应力。氧化物积聚在硅表面，在周期应力作用下容易产生裂纹，裂纹生长最终引起器件疲劳失效。对此，Pierron O N等人提出一种硅疲劳失效模式—反应层疲劳，如图9所示。他们认为，硅的疲劳是由反应层的疲劳引起的。首先，在循环应力最大的点上，释放后的氧化物变厚; 接着，在湿气的辅助下，该氧化物产生裂纹，引起亚临界的裂纹生长。一旦暴露在裂缝尖端，在氧化作用下硅结构会膨胀，进而导致了裂纹在每一次循环应力下生长。
1.4 温变环境下的失效模式与失效机理
温度对MEMS惯性器件的影响不容忽视。MEMS惯性器件经常工作在高低温环境下，例如MEMS加速度计等传感器在汽车的车厢中需承受-40 ~ 85 ℃的工作温度，在引擎舱中将达到125 ℃的高温。温变对MEMS惯性器件带来的失效模式主要包括疲劳、分层和断裂和电路失效等。
疲劳是热应力下MEMS惯性器件常出现的失效模式之一。MEMS器件在热循环应力下，可能会引起材料的疲劳损伤，而疲劳损伤的积聚将导致器件失效。在热冲击的作用下，材料的杨氏模量将发生改变，硅表面的氧化物薄膜将产生裂纹，并逐渐扩散到结构内部，最终造成器件材料的疲劳失效。
Chen B等人做了一个热冲击试验。他们先将器件加热到125 ℃，直到表面薄膜鼓起至半球状，然后迅速通入液氮降温，使其经历一个300 K的急剧温变。在这样的热冲击之下，表面凸起部分的中心处出现裂纹，并且裂纹的宽度随着冷却时间的增长而变宽，如图10所示。
虽然他们的试验不是针对MEMS惯性器件来进行的，但由于MEMS惯性器件中经常用到薄膜工艺，因此，在热冲击下薄膜裂纹萌生机理与该试验呈现的结果类似。热冲击下的疲劳裂纹生长最终也将导致MEMS器件内部结构的断裂。
MEMS惯性器件常用硅-玻璃键合、或硅-硅键合工艺制作而成，在温度循环下，由于不同材料之间热膨胀系数失配，热应力下不同材料的膨胀程度不同，从而引起结构形变、甚至分层失效。
刘加凯等人的研究指出，多层结构在受到温度应力时，层间界面处会产生拉、压应力，如图11所示。当温度变化时，双层结构的界面上会同时产生正应力和剪应力。尽管作用在界面上的应力小于界面的结合强度，但当高温和低温的交变应力循环作用在界面时，界面会由于疲劳而产生裂纹并沿着界面进行疲劳裂纹扩展，最终导致界面分层失效。
温变环境下的失效还包括MEMS惯性器件的性能温漂。刘凤丽等人在对梳状微加速度计的研究中指出，硅基微加速度计中广泛存在热敏材料，环境温度的变化会使加速度计结构形变，从而导致电极极板间的间距或重叠面积发生改变，引起电容检测误差。
1.5 辐照应力下的失效模式与失效机理
MEMS惯性器件在航空领域应用时，难免受到辐射的影响。因此，辐照环境下MEMS惯性器件的失效模式及其失效机理也是值得重视的，辐照环境下的失效模式主要是疲劳和电路失效。
Shea H R的研究中指出了辐照对MEMS器件影响，在辐照环境下，高能光子和粒子将能量转移到它们所穿透的材料中进而造成材料的损伤，损伤的类型主要为原子位移和电离两种。长期被辐射的器件容易发生材料脆化，在交变应力作用下结构容易出现疲劳失效。
Wang L等人对MEMS器件进行了伽马射线辐射，发现多晶硅电阻增大。主要原因是辐照在多晶硅晶粒中造成的位移损伤产生的点缺陷会造成多晶硅晶粒电阻的提高，从而使基于压阻原理的MEMS器件性能发生改变。
此外，辐照对MEMS器件的检测电路影响较大，特别是数字电路，高能粒子会造成电路发生单粒子翻转、改变存储器的数据，从而引起性能漂移、甚至失效。Knudson A R等人对ADI公司的商用加速度计进行的辐照试验表明，加速度计对电介质中的静电荷非常敏感，辐照引起的输出电压漂移是由于检测质量下面的电介质充电引起的。介电层中的电荷堆积引起了加速度计检测电容周围电场的变化，从而改变了输出电压。
1.6 静电放电应力下的失效模式与失效机理
静电放电（ESD）是指两个物体之间电荷的迅速转移，这样的事件经常发生在MEMS器件和人或设备之间。例如干燥的冬天操作者的身上可能会带有比较高的静电电荷，操作过程中一旦接触到电子器件的管脚，就会通过器件放电，造成器件损伤。
ESD可能会导致MEMS惯性器件电损伤和机械损伤。电损伤是指器件检测电路的电子元器件或芯片被电击穿而发生失效。机械损伤主要是器件结构粘附失效，如悬臂梁、梳齿粘附等。器件结构电容极板之间可能由于瞬间增大的静电力而相互碰撞，从而引起粘附或者电击穿失效。
Walraven A J A等人的研究发现，较大ESD脉冲引起梳齿的运动，导致其与基底发生粘附失效，同时也造成了短路失效。此外，在梳齿的尖端还发现了熔化或者“点焊”现象。
2 结论
本文综述了MEMS惯性器件在冲击、振动、湿度、温变、辐照和静电放电等环境应力下的主要失效模式，并剖析了它们的主要失效机理。可见单一应力可能造成多种失效模式，而复合应力作用下失效模式将交叉融合出现，失效机理也将更加复杂。
随着MEMS惯性器件的广泛应用，其可靠性问题越来越突出，成为制约应用拓展和国防安全的关键。因此，本文对MEMS惯性器件在典型应用环境下的主要失效模式和失效机理进行分析和总结，有利于指导未来MEMS惯性器件的失效分析和可靠性设计，具有较高的参考价值。


来源：半导体产业基金整理，本文内容转载自《传感器与微系统》