蜂窝形抗冲击MEMS止挡结构的抗冲击仿真与试验研究

凤 瑞，王 炅，喻 磊，郑 宇，向 圆，乔 伟，王 甫

（1.华东光电集成器件研究所，江苏 苏州 215163；2.南京理工大学 机械工程学院，南京 210094）

随着微机电系统（micro-electro-mechanical system，MEMS）器件在消费类电子产品中的成功应用，MEMS器件已经开始进入工业和军事应用领域。这些应用领域对MEMS器件的可靠性提出了更高的要求。由于MEMS器件内含有可动微机械结构，因此MEMS器件不同于传统半导体芯片，其在恶劣力学环境下可能发生微机械结构失效[1-3]。强冲击是恶劣力学环境的一种。工业领域的油气勘探、军事领域的弹药发射等均是强冲击环境，其冲击g值能达上万[4-7]，而一般消费类MEMS器件仅能承受最高6 000g的冲击。因此应用于强冲击环境的MEMS器件需要进行特殊的抗冲击设计。

冲击条件下MEMS器件的失效形式主要为结构变形超出材料屈服强度而导致的断裂，结构发生接触而引起的黏连，多层结构之间发生分层，硅屑导致的短路和（或）机械堵塞，不同电位结构接触引起的短路等[8-10]。为解决MEMS器件的抗冲击问题，国内外研究人员从MEMS器件结构设计、微加工工艺及材料、封装工艺及材料等方面开展了一些相关研究工作。

密西根大学的Sang[11]从非线性止挡结构和软缓冲镀膜工艺两个方面进行了MEMS器件抗冲击理论和试验研究。瑞士Colibrys公司发明了一种应用于MEMS加速度计的含止档的应力隔离结构[12]。Sensor-Dynamics、Bosch、ADI、ST等公司也设计有与其MEMS产品结构对应的专用抗冲击止挡结构。国内同济大学姜涛等[13]对MEMS器件的抗冲击限位止挡结构的刚度和限位距进行了分析研究，给出了限位止挡结构刚度和距离的设计方法。清华大学Tao等[14]设计了应用于MEMS加速度计的两级弹性梁的止挡结构。通过采用不同结构形式的止挡，限制MEMS可动结构的运动位移，可以避免微结构在冲击作用下应力超出材料屈服强度而发生断裂失效。Hartezell等[15]总结了MEMS器件抗冲击的一些设计建议，除了进行相关的力学计算保证结构满足材料强度要求外，还需要考虑结构的应力集中、黏连等可靠性问题。

1 蜂窝形止挡结构设计

采用止挡结构限制MEMS可动结构的运动位移是一种MEMS器件常用的抗冲击方法。但强冲击条件下，MEMS可动结构与刚性止挡结构接触碰撞会产生较大的冲击力，可能会造成微结构产生破损或裂纹。将刚性止挡改为弹性止挡，可以实现止挡结构在碰撞接触后发生一定程度的变形，利用弹性止挡结构的变形来延长碰撞作用时间，减缓碰撞作用力，降低结构因碰撞而产生破损或裂纹，提高结构的抗冲击能力。密西根大学的Sang和清华大学Tao等设计的两级弹性止挡结构虽然实现了强冲击时MEMS加速度计敏感结构首先与第一级弹性梁止挡结构接触缓冲，再与第二级弹性梁止挡结构接触缓冲的两级弹性梁止挡结构，降低了止挡在接触碰撞过程中所受冲击力。但结构存在三种不同尺寸的微小间隙，刻蚀负载效应下，不同间隙的刻蚀速率不一致将导致刻蚀完成时间不同。先刻蚀完成的结构会进一步过刻蚀结构侧壁，造成不同尺寸的微间隙与设计值存在一定差异。两级弹性梁止挡结构的间歇加工误差将直接影响止挡结构的抗冲击效果，进而影响MEMS结构成品率。同时，弹性梁止挡结构在梁根部容易出现应力集中，强冲击条件下存在较大的失效风险。

宏观尺度中，多孔材料广泛应用于多种应用场合的抗冲击防护。宏观尺度的多孔材料是一种由形成孔穴的棱边和壁面的固体杆或固体板所构成的相互联结的网络体。宏观尺度的多孔材料借助于孔穴形结构的塑性变形实现缓冲吸能，同时多孔结构将冲击力分散开，避免了应力集中。

借鉴多孔结构的应力分散结构特点，结合MEMS微加工工艺能力，设计了一种蜂窝形抗冲击微止挡结构[16]。

单晶硅材料为典型的脆性材料，表现出线弹性行为，在断裂前一般不会发生塑性变形。因此基于单晶硅材料的蜂窝状微止挡结构仅能发生弹性变形。蜂窝状微止挡结构不具备类似宏观尺度蜂窝结构的塑性变形吸收冲击能量的功能。但蜂窝状微止挡结构与弹性梁式止挡结构类似，可以利用结构的弹性变形延长止挡与可动结构碰撞作用时间，减缓碰撞作用力。同时又避免了弹性梁式止挡结构的应力集中问题，提高了弹性止挡结构的抗冲击可靠性。设计的蜂窝形止挡结构由两层孔径不同的孔穴结构构成，如图1所示。蜂窝形止挡结构可以通过蜂窝孔径的调整实现止挡结构刚度的调节，避免了多级弹性梁止挡结构的微小尺寸间隙较难加工的问题。在蜂窝形止挡结构上设计了3个凸点结构，用于减小蜂窝形止挡结构与质量块的接触面积，避免碰撞接触后发生黏连现象。

图1 蜂窝形止挡结构示意图Fig.1 Schematic diagram of honeycomb stop structure

单个蜂窝结构如图2所示。取其中斜边AB为对象。由于蜂窝单元受X轴向应力σx使AB梁发生弹性形变。假设结构材料的杨氏模量为Em，孔壁AB面的边长为a、宽为t、厚为h，θ为AB壁面与X轴方向夹角。则AB面所受的弯矩为

图2 单蜂窝孔穴结构示意图Fig.2 Schematic of single honeycomb cell structure

可得AB边的挠度为

挠度δ平行于X轴的分量为为δsinθ。故AB面产生X轴方向的等效应变为

根据刚度定义，单个蜂窝结构X轴等效刚度可简化为

设计的蜂窝形止挡结构的简化模型，如图3所示。止挡弹性变形与结构刚度的关系可简化为

图3 蜂窝形止挡结构简化模型Fig.3 Simplified model of honeycomb stop structure

式中:mi，ci，ki，xi分别为第i层蜂窝结构的质量、阻尼系数、等效刚度和位移；mmass为质量块的质量；ashock为冲击加速度。由式（5）可知，运动位移xi与蜂窝结构的等效刚度直接相关。而根据式（4）可知，通过调节结构的壁厚、壁长以及结构夹角等参数可以实现止挡结构刚度k1和k2的调节。降低弹性止挡的刚度可以延长止挡与质量块的接触作用时间，实现减弱接触作用力，进而提高结构抗冲击的能力。

设计时选取合理的止挡结构刚度，使弹性止挡在充分发挥弹性形变减弱止挡接触作用力的同时又满足材料最大许用应力的要求。

2 数值仿真计算

为验证蜂窝形MEMS止挡结构的抗冲击效果，基于典型的中间质量块的双端固支梁微结构设计了蜂窝形止挡验证测试结构。测试结构中止挡结构位于质量块的两侧对称位置。设计的中间质量块质量为2.3×10-4g，固支梁长220μm，梁宽10μm。蜂窝形止挡结构与质量块间隙为3μm，蜂窝形孔穴的壁厚为4.5μm。考虑到刻蚀负载等实际工艺情况，设计保持蜂窝形止挡结构的壁厚和夹角不变，仅改变壁长（等效于改变孔穴直径）来实现蜂窝结构刚度的调节。

采用ANSYS仿真计算了蜂窝形止挡测试结构在水平X轴冲击作用下的抗冲击效果。仿真模型中施加的载荷为峰值3万g，脉宽10 ms的半正弦波。单晶硅材料为各向异性材料，仿真模型中单晶硅材料的密度为2 330 kg/m3，应力-应变本构模型为[17]

式中:c11=165.6 GPa；c12=63.9 GPa；c44=79.5 GPa。仿真模型中X轴为＜100＞晶向，Y轴为＜010＞晶向，Z轴为＜001＞晶向。

图4为仿真计算出的不同孔径情况下的止挡结构中质量块位移随时间变化曲线，其中D6060曲线为两层蜂窝孔直径d1=60μm和d2=60μm的情况，类似的图4中其他曲线的标示中前两个数字表示蜂窝孔直径d1的μm尺寸值，后两位数字表示蜂窝孔直径d2的μm尺寸值。根据仿真结果，可见蜂窝形止挡结构实现了对测试结构中质量块运动位移的限幅，且蜂窝孔径越小对应质量块运动位移也越小。图4中D7060与D6070曲线，D6040与D4060曲线几乎重合，这表明交换两层蜂窝孔的分布后，蜂窝状微止挡结构的抗冲击效果相同。

图4 仿真得出的3万g半正弦冲击载荷条件下不同蜂窝止挡测试结构中质量块位移随时间变化曲线Fig.4 The simulated curve of mass displacement versus time in different honeycomb stop test structures under 30 000g semi-sine impact load

通常设计时，单晶硅材料的最大许用应力值取为500 MPa。故优化设计时，在保证结构材料强度的前提下，最大化设计两层蜂窝的孔径。图5为D10080、D7060和D6040三种蜂窝状微止挡结构设计方案在相同3万g半正弦冲击载荷下的结构最大应变随时间变化曲线。根据ANSYS仿真结果，优选蜂窝孔径为d1=70μm和d2=60μm的设计方案。

图5 仿真得出的三种不同蜂窝孔径组合情况下测试结构中最大应力随时间变化曲线Fig.5 The simulated curve of the maximum stress versus time under the combination of three different honeycomb

图6和图7分别为仿真计算得出的3万g冲击条件下的最大应变峰值时刻，蜂窝形止挡测试结构整体的应变分布云图和蜂窝形止挡结构的应变分布云图。

图6 3万g冲击下结构应变云图Fig.6 Stress cloud diagram of structure under 30 000g shock

图7 3万g冲击下蜂窝形止挡结构应力云图Fig.7 Stress cloud diagram of honeycomb stop structure under 30 000g shock

3 加工制造

基于本单位的6英寸SOI（silicon-on-insulator）体硅工艺，加工出了蜂窝形MEMS止挡测试结构。加工工艺流程如图8所示，主要加工步骤为:

图8 蜂窝形止挡结构加工工艺流程图Fig.8 Fabrication process for honeycomb stop structure

步骤1选用6英寸（100）单晶硅圆片；

步骤2高温氧化，形成1μm厚二氧化硅绝缘层；

步骤3在二氧化硅绝缘层和衬底硅上刻蚀出锚点图形；

步骤4选取另一片50μm结构层厚的SOI晶圆片，键合到上述（100）晶圆片上；

步骤5去除SOI晶圆片的底层硅以及二氧化硅绝缘层，形成所需的MEMS结构层；

步骤6采用深槽刻蚀工艺，刻蚀50μm结构层，加工出MEMS结构层图形结构。

微加工完成的晶圆激光划片后形成测试芯片。测试芯片黏接在陶瓷管壳内，管壳采用可伐合金盖板密封以隔绝外界污染。

4 测试试验

封装后的冲击测试结构芯片随机编号，分别采用机械冲击台和霍普金森杆进行了冲击试验，以验证不同冲击g值和不同冲击脉宽环境下的止挡结构的抗冲击性能。

4.1 冲击试验

机械冲击台冲击试验时，取3只芯片用石蜡一起密闭固定于同一特制金属腔体内，再转接固定到机械冲击台台面，如图9所示。受设备最大冲击g值限制，机械冲击台冲击试验仅测试了20 000g冲击。台面标准传感器实测g值为21 041g，脉宽0.2 ms。

图9 测试芯片机械冲击台冲击试验照片Fig.9 Experimental photo of test chips mounted on a mechanical impact table

霍普金森杆冲击试验时，冲击曲线由多普勒激光干涉仪测量得出。图10为固定于霍普金森杆上的测试芯片试验照片。图11为激光干涉仪测量得到的#10冲击测试结构芯片所受冲击g值曲线。

图10 安装于霍普金斯杆的测试芯片试验照片Fig.10 Experimental photo of a test chip mounted on a Hopkins bar

图11 #10止挡测试结构所受冲击g值曲线Fig.11 g-value curve of impact on the#10 test structure

表1为蜂窝形止挡测试结构实际冲击g值与脉宽数据表，其中#07芯片冲击后未测量到有效数据。

表1 冲击试验g值Tab.1 Test g values of shock tests

4.2 试验结果及分析

冲击试验后打开管壳金属盖板，采用显微镜观测蜂窝形止挡测试结构是否发生失效。

经显微镜检验，机械冲击台冲击试验后，#01～#03测试结构均未观测到结构断裂或裂纹。霍普金森杆冲击试验后，#04～#10测试结构均未观测到结构断裂或裂纹，#11～#14测试结构冲击后观测到固支梁结构发生不同程度的断裂失效。图12为#11测试结构失效照片。冲击试验表明设计有蜂窝形止挡结构的中间质量块的双端固支梁结构具备至少抗3.2万g冲击的能力。

图12 蜂窝形止挡结构冲击试验后失效照片Fig.12 The failure photo of honeycomb stop structure after shock test

在蜂窝形止挡测试结构旁还加工了无止挡的冲击测试结构和固定刚性止挡的冲击测试结构用于试验对比。冲击试验结果显示机械冲击台试验和霍普金森杆冲击试验中未设计止挡的中间质量块的双端固支梁结构均发生了失效，表明未设计止挡的测试结构能承受的冲击g值在0.9万g～1.4万g。图13为无止挡的冲击测试结构的失效照片，可见冲击后质量块与支撑梁连接部分发生了断裂，质量块脱落。

图13 冲击试验后无止挡的测试结构失效照片Fig.13 The failure photo of test structure without stop after shock test

当测试结构受到5.2万g冲击后，设计采用刚性止挡的测试结构发生了止挡破碎失效，如图14所示。而采用蜂窝形止挡测试结构的蜂窝形止挡未发生破碎失效问题，但部分蜂窝形止挡结构与质量块发生了黏附失效。后续需要改进蜂窝形止挡结构的凸点设计，减小碰撞凸点的尺寸，降低止挡结构与质量块碰撞接触后的表面黏附力。

图14 5.2万g冲击后测试结构失效照片Fig.14 The failure photo of test structure after 52 000g shock

5 结 论

为提高MEMS器件的抗冲击能力，本文提出了一种新型的蜂窝形MEMS止挡结构，分析了蜂窝形止挡结构的优点。以典型的中间质量块的双端固支梁微结构为对象，具体设计了蜂窝形止挡结构。采用SOI体硅工艺加工出了该冲击测试结构。采用机械冲击台和霍普金森杆对加工出的测试结构进行了冲击试验。试验结果表明，设计有蜂窝形止挡的中间质量块的双端固支梁测试结构具有至少抗3.2万g冲击的能力，比没有止挡的相同结构抗冲击能力提高了约2倍。与刚性止挡结构和弹性梁止挡结构相比，设计的蜂窝形止挡结构在提高MEMS结构抗冲击能力的同时避免了强冲击环境下刚性止挡可能发生的破碎失效问题，以及多级弹性梁止挡的梁根部应力集中和多种微小尺寸间隙较难加工的问题。