MEMS 扫描镜温度可靠性测试*

乔大勇， 史龙飞， 曹兰玉， 练 彬

(1.西北工业大学 空天微纳系统教育部重点实验室，陕西 西安 710072；2.西北工业大学 陕西省微/纳米系统重点实验室，陕西 西安 710072；3.西北工业大学 深圳研究院，广东 深圳 518057)

MEMS 扫描镜温度可靠性测试*

乔大勇1， 史龙飞2， 曹兰玉2， 练 彬3

(1.西北工业大学 空天微纳系统教育部重点实验室，陕西 西安 710072；2.西北工业大学 陕西省微/纳米系统重点实验室，陕西 西安 710072；3.西北工业大学 深圳研究院，广东 深圳 518057)

温度是MEMS扫描镜的一个重要失效因素。研究温度对MEMS扫描镜振幅的影响，再通过温度冲击试验和高低温存储试验测试温度对MEMS扫描镜可靠性的影响，分析扫描镜在试验中是否失效和失效的原因。试验结果表明：高温对MEMS扫描镜外框架和镜面振幅无影响，低温对MEMS扫描镜外框架振幅影响较大，增幅达12.3 %，对镜面振幅无影响；低温存储由于水汽凝结会导致MEMS扫描镜失效，高温存储对MEMS扫描镜可靠性无影响。

MEMS扫描镜； 可靠性； 高低温存储； 温度冲击

0 引 言

微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)是集执行器和传感器等微型装置、微型机构、微尺度驱动和控制与处理集成电路为一体的微型系统[1]。MEMS扫描镜作为新一代投影技术，具有体积小、功耗小、便携性高等优点，在全世界受到广泛关注和研究。MEMS扫描镜器件制作工艺已接近成熟，但关于MEMS扫描镜的可靠性方面研究甚少。在投影显示系统中，MEMS扫描镜的可靠性至关重要，关系产品的稳定性和寿命。

随着MEMS产业的发展，许多高精度的MEMS传感器都应用在航空领域、汽车电子行业以及其他工业领域。诸多其它试验表明,温度因素对电子产品的可靠性有很大影响[2]。振幅是扫描镜的最重要性能参数，本文首先测试温度对扫描镜振幅的影响，随后对扫描镜进行温度冲击和高低温存储试验。

1 MEMS扫描镜概述

MEMS扫描镜主要应用在激光成像、条码识别、数据存储、精密图像产生、显示和医学成像等领域，具有巨大的市场价值。MEMS扫描镜驱动形式是静电驱动，静电驱动的扫描镜无需外部额外的材料辅助，且与IC工艺兼容以及易于集成检测和驱动电路，加之功耗低、工艺简单等优点，一直被广泛应用和研究。图1是MEMS扫描镜扫描电镜图;图2是经过封装之后的MEMS扫描镜。MEMS扫描镜封装采用陶瓷F14底座、不锈钢304管帽和K9镀双面增透膜玻璃，用Torr seal 密封胶进行密封，该封装操作简单、成本低。

图1 MEMS扫描镜的结构Fig 1 Structure of MEMS scanning mirror

图2 封装之后的MEMS扫描镜Fig 2 MEMS scanning mirror after packaging

2 MEMS扫描镜温度可靠性测试

众多MEMS产品已经在很多领域都有广泛的应用，但是与电子行业,其产量却十分有限，而造成这种商业化瓶颈的主要原因是技术供应商在MEMS器件的可靠性等方面解决方案不足[3]。国内外很多资料表明,MEMS产品失效的主要原因是环境因素导致。更突出的是温度变化因素比单一的高温因素或低温因素对产品的影响大的多。

2.1 MEMS扫描镜高低环境下性能测试

MEMS扫描镜主要应用在车内HUD投影，根据GJB 150.4A—2009和汽车行业标准国际通用测试标准AEC—Q—100，其所规定的电子器件工作温度负载的高温为-40～120 ℃[3]。设置MEMS扫描镜镜面工作的频率是11 450 Hz，外框架工作的频率为3 220 Hz。随后改变试验箱内温度，待试验箱内温度稳定30 min后并记录MEMS扫描镜的振幅。试验结束后对数据进行处理，如图3所示。从图中可以看出，低温和高温对扫描镜面振幅无响应，但低温对外框架振幅影响较大，增幅达12.3 %，高温对外框架振幅无影响，这是由于环境温度的改变会导致材料的杨氏模量系数和空气阻尼系数的改变。

图3 高低温振幅相对室温的变化Fig 3 Change of amplitude at high and low temperature vs room temperature

2.2 温度冲击试验

MEMS扫描镜在使用、存储和运输过程中会经常遇到各种温度环境因素。温度冲击一项很重要的可靠性项目，主要测定MEMS扫描镜在大气温度急剧变化的适应性。

表1 温度冲击试验前后f1， f2， f3差值Tab 1 Difference value between f1, f2 and f3 before and after temperature shock test

2.3 MEMS扫描镜低温和高温存储

依据GJB 150.4A—2009和参考汽车行业标准国际通用测试标准AEC—Q—100，测试MEMS扫描镜在低温下和高温条件下贮存的适应性，其中高温贮存和低温贮存温度分别为85 ℃和-55 ℃[4]。低温试验标准根据GJB 150.4A—2009最少试验器件数量为7只，同扫描镜进行温度冲击试验使用的仪器一样，使用MC—3—50—50—H/AC高低温试验箱进行试验，把试验样品放进试验箱，关闭试验箱门，设置高低温试验箱温度为-55 ℃,待试验箱内温度稳定为-55 ℃，开始计时，试验时间为48 h。试验结束后,打开试验箱，MEMS扫描镜表面凝结大量的霜。经过测试发现，其中标签号为535的扫描镜的镜面不能起振，外框架能正常工作。经过在烘箱70 ℃加热1 h之后测试,能正常工作。经分析认为是MEMS扫描镜的腔室内含有一定量的水汽。在-55 ℃环境下水汽分子凝结在梳齿上导致扫描镜不能起振。为了验证是否是由于水汽冻结而导致的扫描镜不能起振，再次对535号扫描镜进行试验，试验环境温度为-55 ℃，时间48 h。经过试验之后535号扫描镜的同一个轴不能起振。对其在70 ℃下加热1 h之后，扫描镜的外框架能正常起振。试验证明扫描镜在封装内腔室有微量水汽，在低温环境下水汽凝结而导致扫描镜不能正常起振。在MEMS扫描镜封装时可用干燥的氮气进行保护，可以使扫描镜腔内得到干燥的保护气体。低温存储试验前后，f1,f2,f3差值如表2所示。

表2 低温存储试验前后f1,f2,f3差值Tab 2 Difference value between f1,f2 and f3 before and after low temperature storage test

高温存储试验在低温试验进行之后进行，同低温相类似。在高低温试验箱中，设置试验箱内温度为85 ℃，待试验箱内温度稳定后开始计时，测试时间48h。试验之后，进入试验的7只扫描镜都能正常工作，测试后对频率进行测试和测试前进行对比，率响应区间基本吻合，高温存储试验前后f1,f2,f3差值如表3所示。

表3 高温存储试验前后f1,f2,f3差值Tab 3 Difference value between f1,f2 and f3 before and after high temperature storage test

3 结 论

本文首先测试温度对MEMS扫描镜振幅的影响，试验结果表明:高温和低温均对镜面无影响，高温也对外框架振幅无影响，但低温对外框架振幅影响较大；随后对MEMS扫描镜进行温度冲击和高低温存储可靠性测试项目，试验结果表明:高温对MEMS扫描镜的可靠性无影响，低温会导致MEMS扫描镜失效。因此，MEMS扫描镜须在干燥的氮气环境进行封装，避免低温环境下因水汽凝结而导致扫描镜失效。

[1] 张文明,孟 光.MEMS可靠性与失效分析[J].机械强度，2005,27(6):855-859.

[2] 傅 钊.温度湿度对产品的影响分析[J].电子产品可靠性与环境试验，2010,28(2):18-21.

[3] 陈 勤，范树新.MEMS传感器的标准化现状与发展对策[J].传感器与微系统,2007,28(6):8-12.

[4] 中国人民解放军总装备部，GJB 150—2009，军用装备实验室环境试验方法[S].北京:中国标准出版社，2009.

[5] 燕 斌，苑伟政，乔大勇.一种新型微机电系统扫描镜的谐振频率研究[J].光学学报，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

国家自然科学基金资助项目(51375399，51375400)；西北工业大学基础研究基金资助项目(JCY20130119)；深圳市财政委员会2012年第四批市新一代信息技术产业发展专项资金基础研究计划项目(JCYJ20120614154203639)

TN 306

A

1000—9787(2014)12—0146—03

乔大勇(1977-)，男，山东胶南人，工学博士，教授，硕士生导师，主要研究MEMS集成设计技术、微/纳制造技术、微型光学器件和微型能源器件。