【摘要】：微電子機械系統(tǒng)(MEMS,Micro-electro-mechanical-system)是指可批量制備的,集微型結(jié)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器,信號處理和控制電路,以及接口、通信和電源于一體的微型器件或系統(tǒng),其特征尺寸從微米量級到亞微米量級。由于其小型化、低成本和高性能等優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于航空航天技術(shù)領(lǐng)域,尤其是微衛(wèi)星的開發(fā)和研究。面對復(fù)雜的太空環(huán)境,各類MEMS器件必須進行抗輻射研究以適應(yīng)中長期的空間應(yīng)用。目前,MEMS輻射可靠性的研究主要集中于幾類常見MEMS器件在輻照環(huán)境下的性能退化和失效現(xiàn)象,而對應(yīng)失效機理的研究相對匱乏。各類電介質(zhì)材料作為導(dǎo)電隔離層,常用于MEMS表面微加工器件中,其在空間環(huán)境中的可靠性將影響MEMS器件的空間應(yīng)用壽命,因此電介質(zhì)的空間可靠性研究對于MEMS器件的空間應(yīng)用具有重要意義。本文首先簡要介紹了微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的基本原理和概念,并對目前已經(jīng)在軌應(yīng)用的MEMS器件做了整理歸納。綜述了空間輻射環(huán)境、基本的MEMS輻照損傷機制和失效原理,以MEMS加速度計、MEMS梳齒驅(qū)動器和RF MEMS開關(guān)為典型介紹了MEMS空間輻射效應(yīng)的研究方法和研究成果。接著,介紹了兩類常見RF MEMS開關(guān)的設(shè)計結(jié)構(gòu)和工作原理,總結(jié)了電容式RF MEMS開關(guān)在實際應(yīng)用中的失效過程,詳細介紹了與電容式RF MEMS開關(guān)失效密切相關(guān)的電介質(zhì)層電荷注入效應(yīng)。然后,本文設(shè)計了MEMS中氮化硅電介質(zhì)空間應(yīng)用可靠性研究的實驗方案,主要包括金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容結(jié)構(gòu)的設(shè)計和關(guān)鍵的微加工工藝流程,具體的輻照實驗方案以及MIM電容電流-電壓特性的測量方案。利用高精度半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測量了MIM電容在輻照前、以及不同γ輻照劑量后的電流-電壓特性。對不同電壓范圍內(nèi)的測量數(shù)據(jù)分別處理,確定了本文測試結(jié)構(gòu)中電介質(zhì)薄膜的導(dǎo)電過程分別為歐姆電流機制、空間電荷限制電流機制和Frenkel-Poole發(fā)射電流機制。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合不同導(dǎo)電過程的能帶結(jié)構(gòu)分析建立了MIM電容中電介質(zhì)薄膜的歐姆電流隨γ輻照的定量分析模型,對空間電荷限制電流和Frenkel-Poole電流的γ輻照效應(yīng)進行了定性分析和解釋。本文利用高劑量率的γ輻照源對MEMS中氮化硅電介質(zhì)的空間應(yīng)用可靠性從理論和實驗兩方面進行了相應(yīng)的研究,實驗結(jié)論對于含有電介質(zhì)材料的MEMS器件,尤其是RF MEMS開關(guān)的空間可靠性研究具有一定參考意義。
【圖文】：

機械系統(tǒng)(MEMS, Micro-electro-mechanical-system)是指可批量制備的，將微型結(jié)構(gòu)微型執(zhí)行器，信號處理和控制電路，以及數(shù)據(jù)接口、通信和電源集成在一起的微型器統(tǒng)，其特征尺寸從微米量級到亞微米量級。典型的 MEMS 系統(tǒng)如圖 1-1 所示，微傳、壓力、位移、磁場、濕度傳感器等，可以探測作用力、位移、光、聲、溫度、磁場參數(shù)，并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電學(xué)參數(shù)輸出。微執(zhí)行器是指可以利用靜電力、壓電效應(yīng)、磁受熱膨脹等來推動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生機械運動的器件，包括了諧振器、微推進器、微電機、M除了傳感器和執(zhí)行器以外，MEMS 器件還包括信息器件、微型生化芯片以及微型能S 的制備工藝與傳統(tǒng)的 IC 工藝兼容，也包括晶體生長和外延、薄膜淀積（熱氧化、硅淀積、金屬淀積）、圖形曝光與刻蝕、雜質(zhì)摻雜（擴散、離子注入）等工藝過程。S 本身的結(jié)構(gòu)特點及加工需求，還包含了犧牲層技術(shù)、厚膜和深刻蝕、雙面光刻、微機械元件與電路元件的集成等新工藝技術(shù)，總體上可分將 MEMS 工藝劃分為體和表面微機械加工技術(shù)。體微機械加工技術(shù)通過干法或者濕法刻蝕去除襯底的部分，微機械結(jié)構(gòu)（如懸臂梁或者薄膜）或者一些獨特的三維結(jié)構(gòu)（如空腔、深孔等）。表術(shù)的主要特征在于犧牲層的刻蝕和防粘連釋放[1]。

1.2 MEMS 器件的空間應(yīng)用隨著人類深空探測項目的不斷推進和發(fā)展，小型化衛(wèi)星的開發(fā)和應(yīng)用逐漸成為航空航天領(lǐng)域的研究熱點。相比大型衛(wèi)星在發(fā)射時需要更大推力的火箭與更高的資金成本，小型衛(wèi)星由于其更小的體積和更輕的質(zhì)量，并且可以利用運載火箭的過剩容量搭載發(fā)射，大大降低了研究成本，更容易實現(xiàn)更經(jīng)濟的設(shè)計和生產(chǎn)。另一方面，小型衛(wèi)星可以實現(xiàn)一些大型衛(wèi)星無法完成的空間任務(wù)，如：低數(shù)據(jù)速率通信、使用編隊從多個點收集數(shù)據(jù)、在軌檢查較大衛(wèi)星、開展大學(xué)項目有關(guān)的研究等。普遍接受的小型衛(wèi)星定義是濕重（包括了推進劑質(zhì)量）小于 500kg 的人造衛(wèi)星。微型衛(wèi)星的濕重范圍為 10kg 至 100kg，納米衛(wèi)星的濕重范圍為 1kg 至 10kg，皮衛(wèi)星的濕重范圍為 0.1kg 至 1kg，飛衛(wèi)星的濕重范圍為 10g 至 100g。相比之下，地球靜止軌道(GEO)中的典型通信衛(wèi)星質(zhì)量為 1000kg至 5000kg[2]，遠遠大于小型衛(wèi)星。圖 1-2 為 2006 年 NASA 的 STS-116 任務(wù)中，兩架納米衛(wèi)星從航天飛機貨艙中彈出。小型衛(wèi)星自身的重量限制要求更高集成度和小型化水平的電子器件，，才能實現(xiàn)在如此微小的體積內(nèi)進行數(shù)據(jù)處理和通信，姿態(tài)確定和控制，有效載荷和結(jié)構(gòu)加載，電池和其他子系統(tǒng)集成等等，而 MEMS 技術(shù)在體積、成本和性能等優(yōu)勢恰好滿足了小型衛(wèi)星相應(yīng)的開發(fā)和研究需求。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ127.16

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本文編號：2658137