喬大勇， 史龍飛， 曹蘭玉， 練 彬

(1.西北工業(yè)大學(xué) 空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072；2.西北工業(yè)大學(xué) 陜西省微/納米系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072；3.西北工業(yè)大學(xué) 深圳研究院，廣東 深圳 518057)

MEMS 掃描鏡溫度可靠性測試*

喬大勇1， 史龍飛2， 曹蘭玉2， 練 彬3

(1.西北工業(yè)大學(xué) 空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072；2.西北工業(yè)大學(xué) 陜西省微/納米系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072；3.西北工業(yè)大學(xué) 深圳研究院，廣東 深圳 518057)

溫度是MEMS掃描鏡的一個(gè)重要失效因素。研究溫度對(duì)MEMS掃描鏡振幅的影響，再通過溫度沖擊試驗(yàn)和高低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)測試溫度對(duì)MEMS掃描鏡可靠性的影響，分析掃描鏡在試驗(yàn)中是否失效和失效的原因。試驗(yàn)結(jié)果表明：高溫對(duì)MEMS掃描鏡外框架和鏡面振幅無影響，低溫對(duì)MEMS掃描鏡外框架振幅影響較大，增幅達(dá)12.3 %，對(duì)鏡面振幅無影響；低溫存儲(chǔ)由于水汽凝結(jié)會(huì)導(dǎo)致MEMS掃描鏡失效，高溫存儲(chǔ)對(duì)MEMS掃描鏡可靠性無影響。

MEMS掃描鏡； 可靠性； 高低溫存儲(chǔ)； 溫度沖擊

0 引 言

微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)是集執(zhí)行器和傳感器等微型裝置、微型機(jī)構(gòu)、微尺度驅(qū)動(dòng)和控制與處理集成電路為一體的微型系統(tǒng)[1]。MEMS掃描鏡作為新一代投影技術(shù)，具有體積小、功耗小、便攜性高等優(yōu)點(diǎn)，在全世界受到廣泛關(guān)注和研究。MEMS掃描鏡器件制作工藝已接近成熟，但關(guān)于MEMS掃描鏡的可靠性方面研究甚少。在投影顯示系統(tǒng)中，MEMS掃描鏡的可靠性至關(guān)重要，關(guān)系產(chǎn)品的穩(wěn)定性和壽命。

隨著MEMS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，許多高精度的MEMS傳感器都應(yīng)用在航空領(lǐng)域、汽車電子行業(yè)以及其他工業(yè)領(lǐng)域。諸多其它試驗(yàn)表明,溫度因素對(duì)電子產(chǎn)品的可靠性有很大影響[2]。振幅是掃描鏡的最重要性能參數(shù)，本文首先測試溫度對(duì)掃描鏡振幅的影響，隨后對(duì)掃描鏡進(jìn)行溫度沖擊和高低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)。

1 MEMS掃描鏡概述

MEMS掃描鏡主要應(yīng)用在激光成像、條碼識(shí)別、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、精密圖像產(chǎn)生、顯示和醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域，具有巨大的市場價(jià)值。MEMS掃描鏡驅(qū)動(dòng)形式是靜電驅(qū)動(dòng)，靜電驅(qū)動(dòng)的掃描鏡無需外部額外的材料輔助，且與IC工藝兼容以及易于集成檢測和驅(qū)動(dòng)電路，加之功耗低、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，一直被廣泛應(yīng)用和研究。圖1是MEMS掃描鏡掃描電鏡圖;圖2是經(jīng)過封裝之后的MEMS掃描鏡。MEMS掃描鏡封裝采用陶瓷F14底座、不銹鋼304管帽和K9鍍雙面增透膜玻璃，用Torr seal 密封膠進(jìn)行密封，該封裝操作簡單、成本低。

圖1 MEMS掃描鏡的結(jié)構(gòu)Fig 1 Structure of MEMS scanning mirror

圖2 封裝之后的MEMS掃描鏡Fig 2 MEMS scanning mirror after packaging

2 MEMS掃描鏡溫度可靠性測試

眾多MEMS產(chǎn)品已經(jīng)在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，但是與電子行業(yè),其產(chǎn)量卻十分有限，而造成這種商業(yè)化瓶頸的主要原因是技術(shù)供應(yīng)商在MEMS器件的可靠性等方面解決方案不足[3]。國內(nèi)外很多資料表明,MEMS產(chǎn)品失效的主要原因是環(huán)境因素導(dǎo)致。更突出的是溫度變化因素比單一的高溫因素或低溫因素對(duì)產(chǎn)品的影響大的多。

2.1 MEMS掃描鏡高低環(huán)境下性能測試

MEMS掃描鏡主要應(yīng)用在車內(nèi)HUD投影，根據(jù)GJB 150.4A—2009和汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)國際通用測試標(biāo)準(zhǔn)AEC—Q—100，其所規(guī)定的電子器件工作溫度負(fù)載的高溫為-40～120 ℃[3]。設(shè)置MEMS掃描鏡鏡面工作的頻率是11 450 Hz，外框架工作的頻率為3 220 Hz。隨后改變試驗(yàn)箱內(nèi)溫度，待試驗(yàn)箱內(nèi)溫度穩(wěn)定30 min后并記錄MEMS掃描鏡的振幅。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖3所示。從圖中可以看出，低溫和高溫對(duì)掃描鏡面振幅無響應(yīng)，但低溫對(duì)外框架振幅影響較大，增幅達(dá)12.3 %，高溫對(duì)外框架振幅無影響，這是由于環(huán)境溫度的改變會(huì)導(dǎo)致材料的楊氏模量系數(shù)和空氣阻尼系數(shù)的改變。

圖3 高低溫振幅相對(duì)室溫的變化Fig 3 Change of amplitude at high and low temperature vs room temperature

2.2 溫度沖擊試驗(yàn)

MEMS掃描鏡在使用、存儲(chǔ)和運(yùn)輸過程中會(huì)經(jīng)常遇到各種溫度環(huán)境因素。溫度沖擊一項(xiàng)很重要的可靠性項(xiàng)目，主要測定MEMS掃描鏡在大氣溫度急劇變化的適應(yīng)性。

表1 溫度沖擊試驗(yàn)前后f1， f2， f3差值Tab 1 Difference value between f1, f2 and f3 before and after temperature shock test

2.3 MEMS掃描鏡低溫和高溫存儲(chǔ)

依據(jù)GJB 150.4A—2009和參考汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)國際通用測試標(biāo)準(zhǔn)AEC—Q—100，測試MEMS掃描鏡在低溫下和高溫條件下貯存的適應(yīng)性，其中高溫貯存和低溫貯存溫度分別為85 ℃和-55 ℃[4]。低溫試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)GJB 150.4A—2009最少試驗(yàn)器件數(shù)量為7只，同掃描鏡進(jìn)行溫度沖擊試驗(yàn)使用的儀器一樣，使用MC—3—50—50—H/AC高低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行試驗(yàn)，把試驗(yàn)樣品放進(jìn)試驗(yàn)箱，關(guān)閉試驗(yàn)箱門，設(shè)置高低溫試驗(yàn)箱溫度為-55 ℃,待試驗(yàn)箱內(nèi)溫度穩(wěn)定為-55 ℃，開始計(jì)時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間為48 h。試驗(yàn)結(jié)束后,打開試驗(yàn)箱，MEMS掃描鏡表面凝結(jié)大量的霜。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，其中標(biāo)簽號(hào)為535的掃描鏡的鏡面不能起振，外框架能正常工作。經(jīng)過在烘箱70 ℃加熱1 h之后測試,能正常工作。經(jīng)分析認(rèn)為是MEMS掃描鏡的腔室內(nèi)含有一定量的水汽。在-55 ℃環(huán)境下水汽分子凝結(jié)在梳齒上導(dǎo)致掃描鏡不能起振。為了驗(yàn)證是否是由于水汽凍結(jié)而導(dǎo)致的掃描鏡不能起振，再次對(duì)535號(hào)掃描鏡進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境溫度為-55 ℃，時(shí)間48 h。經(jīng)過試驗(yàn)之后535號(hào)掃描鏡的同一個(gè)軸不能起振。對(duì)其在70 ℃下加熱1 h之后，掃描鏡的外框架能正常起振。試驗(yàn)證明掃描鏡在封裝內(nèi)腔室有微量水汽，在低溫環(huán)境下水汽凝結(jié)而導(dǎo)致掃描鏡不能正常起振。在MEMS掃描鏡封裝時(shí)可用干燥的氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，可以使掃描鏡腔內(nèi)得到干燥的保護(hù)氣體。低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)前后，f1,f2,f3差值如表2所示。

表2 低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)前后f1,f2,f3差值Tab 2 Difference value between f1,f2 and f3 before and after low temperature storage test

高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)在低溫試驗(yàn)進(jìn)行之后進(jìn)行，同低溫相類似。在高低溫試驗(yàn)箱中，設(shè)置試驗(yàn)箱內(nèi)溫度為85 ℃，待試驗(yàn)箱內(nèi)溫度穩(wěn)定后開始計(jì)時(shí)，測試時(shí)間48h。試驗(yàn)之后，進(jìn)入試驗(yàn)的7只掃描鏡都能正常工作，測試后對(duì)頻率進(jìn)行測試和測試前進(jìn)行對(duì)比，率響應(yīng)區(qū)間基本吻合，高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)前后f1,f2,f3差值如表3所示。

表3 高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)前后f1,f2,f3差值Tab 3 Difference value between f1,f2 and f3 before and after high temperature storage test

3 結(jié) 論

本文首先測試溫度對(duì)MEMS掃描鏡振幅的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明:高溫和低溫均對(duì)鏡面無影響，高溫也對(duì)外框架振幅無影響，但低溫對(duì)外框架振幅影響較大；隨后對(duì)MEMS掃描鏡進(jìn)行溫度沖擊和高低溫存儲(chǔ)可靠性測試項(xiàng)目，試驗(yàn)結(jié)果表明:高溫對(duì)MEMS掃描鏡的可靠性無影響，低溫會(huì)導(dǎo)致MEMS掃描鏡失效。因此，MEMS掃描鏡須在干燥的氮?dú)猸h(huán)境進(jìn)行封裝，避免低溫環(huán)境下因水汽凝結(jié)而導(dǎo)致掃描鏡失效。

[1] 張文明,孟 光.MEMS可靠性與失效分析[J].機(jī)械強(qiáng)度，2005,27(6):855-859.

[2] 傅 釗.溫度濕度對(duì)產(chǎn)品的影響分析[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2010,28(2):18-21.

[3] 陳 勤，范樹新.MEMS傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策[J].傳感器與微系統(tǒng),2007,28(6):8-12.

[4] 中國人民解放軍總裝備部，GJB 150—2009，軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

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Temperature reliability test of MEMS scanning mirror*

QIAO Da-yong1， SHI Long-fei2， CAO Lan-yu2， LIAN Bin3

(1.Key Laboratory of Micro/Nano Systems for Aerospace,Ministry of Education,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China；2.Shaanxi Province Key Laboratory of Micro and Nano Electro-Mechanical Systems,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China;3.Shenzhen Institute,Northwestern Polytechnical University,Shenzhen 518057,China)

Temperature is an important factor in failure of MEMS scanning mirror.Influence of temperature on amplitude of MEMS scanning mirror is studied,through temperature shock,high and low temperature storage test,measure influence of temperature on reliability of MEMS scanning mirror and analyze reasons for failure.Experimental results show that high temperature has no effect on frame and amplitude of mirror surface,but low temperature has great effect on amplitude of frame of scanning mirror, increasing 12.3 %,and has no effect on amplitude of mirror surface;due to water vapour condensation,low temperature storage will cause failure of MEMS scanning mirror,while high temperature storage has no effect on reliability of MEMS scanning mirror.

MEMS scanning mirror; reliability; high and low temperature storage; temperature shock

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0146—03

2014—04—18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375399，51375400)；西北工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(JCY20130119)；深圳市財(cái)政委員會(huì)2012年第四批市新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(JCYJ20120614154203639)

TN 306

A

1000—9787(2014)12—0146—03

喬大勇(1977-)，男，山東膠南人，工學(xué)博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究MEMS集成設(shè)計(jì)技術(shù)、微/納制造技術(shù)、微型光學(xué)器件和微型能源器件。