MEMS 掃描鏡溫度可靠性測試*

喬大勇， 史龍飛， 曹蘭玉， 練 彬

(1.西北工業大學 空天微納系統教育部重點實驗室，陜西 西安 710072；2.西北工業大學 陜西省微/納米系統重點實驗室，陜西 西安 710072；3.西北工業大學 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.西北工業大學 空天微納系統教育部重點實驗室，陜西 西安 710072；2.西北工業大學 陜西省微/納米系統重點實驗室，陜西 西安 710072；3.西北工業大學 深圳研究院，廣東 深圳 518057)

溫度是MEMS掃描鏡的一個重要失效因素。研究溫度對MEMS掃描鏡振幅的影響，再通過溫度沖擊試驗和高低溫存儲試驗測試溫度對MEMS掃描鏡可靠性的影響，分析掃描鏡在試驗中是否失效和失效的原因。試驗結果表明：高溫對MEMS掃描鏡外框架和鏡面振幅無影響，低溫對MEMS掃描鏡外框架振幅影響較大，增幅達12.3 %，對鏡面振幅無影響；低溫存儲由于水汽凝結會導致MEMS掃描鏡失效，高溫存儲對MEMS掃描鏡可靠性無影響。

MEMS掃描鏡； 可靠性； 高低溫存儲； 溫度沖擊

0 引 言

微機電系統(micro-electro-mechanical system,MEMS)是集執行器和傳感器等微型裝置、微型機構、微尺度驅動和控制與處理集成電路為一體的微型系統[1]。MEMS掃描鏡作為新一代投影技術，具有體積小、功耗小、便攜性高等優點，在全世界受到廣泛關注和研究。MEMS掃描鏡器件制作工藝已接近成熟，但關于MEMS掃描鏡的可靠性方面研究甚少。在投影顯示系統中，MEMS掃描鏡的可靠性至關重要，關系產品的穩定性和壽命。

隨著MEMS產業的發展，許多高精度的MEMS傳感器都應用在航空領域、汽車電子行業以及其他工業領域。諸多其它試驗表明,溫度因素對電子產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，本文首先測試溫度對掃描鏡振幅的影響，隨后對掃描鏡進行溫度沖擊和高低溫存儲試驗。

1 MEMS掃描鏡概述

MEMS掃描鏡主要應用在激光成像、條碼識別、數據存儲、精密圖像產生、顯示和醫學成像等領域，具有巨大的市場價值。MEMS掃描鏡驅動形式是靜電驅動，靜電驅動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動電路，加之功耗低、工藝簡單等優點，一直被廣泛應用和研究。圖1是MEMS掃描鏡掃描電鏡圖;圖2是經過封裝之后的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 密封膠進行密封，該封裝操作簡單、成本低。

圖1 MEMS掃描鏡的結構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產品已經在很多領域都有廣泛的應用，但是與電子行業,其產量卻十分有限，而造成這種商業化瓶頸的主要原因是技術供應商在MEMS器件的可靠性等方面解決方案不足[3]。國內外很多資料表明,MEMS產品失效的主要原因是環境因素導致。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產品的影響大的多。

2.1 MEMS掃描鏡高低環境下性能測試

MEMS掃描鏡主要應用在車內HUD投影，根據GJB 150.4A—2009和汽車行業標準國際通用測試標準AEC—Q—100，其所規定的電子器件工作溫度負載的高溫為-40～120 ℃[3]。設置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。隨后改變試驗箱內溫度，待試驗箱內溫度穩定30 min后并記錄MEMS掃描鏡的振幅。試驗結束后對數據進行處理，如圖3所示。從圖中可以看出，低溫和高溫對掃描鏡面振幅無響應，但低溫對外框架振幅影響較大，增幅達12.3 %，高溫對外框架振幅無影響，這是由于環境溫度的改變會導致材料的楊氏模量系數和空氣阻尼系數的改變。

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

2.2 溫度沖擊試驗

MEMS掃描鏡在使用、存儲和運輸過程中會經常遇到各種溫度環境因素。溫度沖擊一項很重要的可靠性項目，主要測定MEMS掃描鏡在大氣溫度急劇變化的適應性。

表1 溫度沖擊試驗前后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

依據GJB 150.4A—2009和參考汽車行業標準國際通用測試標準AEC—Q—100，測試MEMS掃描鏡在低溫下和高溫條件下貯存的適應性，其中高溫貯存和低溫貯存溫度分別為85 ℃和-55 ℃[4]。低溫試驗標準根據GJB 150.4A—2009最少試驗器件數量為7只，同掃描鏡進行溫度沖擊試驗使用的儀器一樣，使用MC—3—50—50—H/AC高低溫試驗箱進行試驗，把試驗樣品放進試驗箱，關閉試驗箱門，設置高低溫試驗箱溫度為-55 ℃,待試驗箱內溫度穩定為-55 ℃，開始計時，試驗時間為48 h。試驗結束后,打開試驗箱，MEMS掃描鏡表面凝結大量的霜。經過測試發現，其中標簽號為535的掃描鏡的鏡面不能起振，外框架能正常工作。經過在烘箱70 ℃加熱1 h之后測試,能正常工作。經分析認為是MEMS掃描鏡的腔室內含有一定量的水汽。在-55 ℃環境下水汽分子凝結在梳齒上導致掃描鏡不能起振。為了驗證是否是由于水汽凍結而導致的掃描鏡不能起振，再次對535號掃描鏡進行試驗，試驗環境溫度為-55 ℃，時間48 h。經過試驗之后535號掃描鏡的同一個軸不能起振。對其在70 ℃下加熱1 h之后，掃描鏡的外框架能正常起振。試驗證明掃描鏡在封裝內腔室有微量水汽，在低溫環境下水汽凝結而導致掃描鏡不能正常起振。在MEMS掃描鏡封裝時可用干燥的氮氣進行保護，可以使掃描鏡腔內得到干燥的保護氣體。低溫存儲試驗前后，f1,f2,f3差值如表2所示。

表2 低溫存儲試驗前后f1,f2,f3差值Tab 2 Difference value between f1,f2 and f3 before and after low temperature storage test

高溫存儲試驗在低溫試驗進行之后進行，同低溫相類似。在高低溫試驗箱中，設置試驗箱內溫度為85 ℃，待試驗箱內溫度穩定后開始計時，測試時間48h。試驗之后，進入試驗的7只掃描鏡都能正常工作，測試后對頻率進行測試和測試前進行對比，率響應區間基本吻合，高溫存儲試驗前后f1,f2,f3差值如表3所示。

表3 高溫存儲試驗前后f1,f2,f3差值Tab 3 Difference value between f1,f2 and f3 before and after high temperature storage test

3 結 論

本文首先測試溫度對MEMS掃描鏡振幅的影響，試驗結果表明:高溫和低溫均對鏡面無影響，高溫也對外框架振幅無影響，但低溫對外框架振幅影響較大；隨后對MEMS掃描鏡進行溫度沖擊和高低溫存儲可靠性測試項目，試驗結果表明:高溫對MEMS掃描鏡的可靠性無影響，低溫會導致MEMS掃描鏡失效。因此，MEMS掃描鏡須在干燥的氮氣環境進行封裝，避免低溫環境下因水汽凝結而導致掃描鏡失效。

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

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

[3] 陳 勤，范樹新.MEMS傳感器的標準化現狀與發展對策[J].傳感器與微系統,2007,28(6):8-12.

[4] 中國人民解放軍總裝備部，GJB 150—2009，軍用裝備實驗室環境試驗方法[S].北京:中國標準出版社，2009.

[5] 燕 斌，苑偉政，喬大勇.一種新型微機電系統掃描鏡的諧振頻率研究[J].光學學報，2012,32(6):1-7.

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

國家自然科學基金資助項目(51375399，51375400)；西北工業大學基礎研究基金資助項目(JCY20130119)；深圳市財政委員會2012年第四批市新一代信息技術產業發展專項資金基礎研究計劃項目(JCYJ20120614154203639)

TN 306

A

1000—9787(2014)12—0146—03

喬大勇(1977-)，男，山東膠南人，工學博士，教授，碩士生導師，主要研究MEMS集成設計技術、微/納制造技術、微型光學器件和微型能源器件。