摘要：本文綜述了微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）加速度計(jì)輻照效應(yīng)與輻照機(jī)理國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，闡釋了MEMS加速度計(jì)輻射效應(yīng)及加固技術(shù)研究的必要性。介紹了不同類型MEMS加速度計(jì)的輻射敏感性，以及材料的輻射退化機(jī)理、不同材料的輻射損傷表現(xiàn)及硅材料的輻射效應(yīng)；重點(diǎn)分析了MEMS加速度計(jì)國(guó)內(nèi)外輻照試驗(yàn)研究，最后給出了MEMS加速度計(jì)輻射加固研究方向的建議。

隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的不斷成熟，以及電子學(xué)系統(tǒng)發(fā)展對(duì)器件小型化的要求，作為MEMS技術(shù)的重要分支，MEMS加速度計(jì)已成為慣性器件小型化的主要方向之一。當(dāng)MEMS加速計(jì)在空間惡劣輻射環(huán)境工作時(shí)，常出現(xiàn)加速度計(jì)性能劣化、甚至故障（失效）現(xiàn)象，通常認(rèn)為電子學(xué)系統(tǒng)對(duì)輻射敏感，實(shí)際上那些由電場(chǎng)控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)的器件和材料受輻照易改性的器件對(duì)輻射也很敏感。因此，為確保MEMS加速度計(jì)的安全、可靠和有效，有必要開展MEMS加速度計(jì)的輻射效應(yīng)和損傷機(jī)理研究。國(guó)外在MEMS加速度計(jì)的輻射效應(yīng)和輻射機(jī)理方面開展了大量的工作，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于2014年開展了一項(xiàng)為期三年的MEMS微加速度計(jì)抗輻照加固研究，結(jié)果表明，“現(xiàn)在商用MEMS加速度計(jì)無(wú)法滿足抗輻照加固的需求，而器件在輻照條件下失效的根本原因現(xiàn)在還不太明確，想要從本質(zhì)上來提升微加速度計(jì)的抗輻照能力，必須深入理解MEMS加速度計(jì)的內(nèi)部材料級(jí)效應(yīng)，包括絕緣層充電效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)，在此基礎(chǔ)上，最終設(shè)計(jì)出一款具有抗輻射性能的MEMS加速度計(jì)”。國(guó)內(nèi)MEMS器件的抗輻射加固研究仍處于輻射效應(yīng)和損傷機(jī)理階段，對(duì)其在輻射環(huán)境下工作的可靠性，亟需進(jìn)行MEMS加速度計(jì)輻射損傷機(jī)理和加固技術(shù)系統(tǒng)研究，以滿足工程應(yīng)用迫切需求。

本文首先總結(jié)了不同類型MEMS加速度計(jì)的輻射敏感性，然后介紹了材料的輻射損傷機(jī)理與輻射對(duì)MEMS制備材料Si的影響，最后對(duì)MEMS加速度計(jì)國(guó)內(nèi)外輻照試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)，著重對(duì)MEMS加速度計(jì)ADXL150的損傷機(jī)理進(jìn)行了分析，并給出MEMS加速度計(jì)表頭抗輻射加固建議。

1 MEMS加速度計(jì)的應(yīng)用及輻射敏感性

由于驅(qū)動(dòng)原理（靜電電容、電磁、壓阻/壓電、電熱、光學(xué)敏感）和制備材料（硅、陶瓷/玻璃、金屬、光刻膠、橡膠硅）的選擇很多，MEMS加速度計(jì)多種多樣，調(diào)研總結(jié)了不同MEMS加速度計(jì)的輻射敏感性，如表1所示。

表1 MEMS加速度計(jì)分類及其輻射效應(yīng)敏感性（+：輻射抗性，-：輻射敏感性）

2材料的輻射損傷機(jī)理

2.1材料的輻射退化過程

材料在高能粒子的照射下會(huì)引起損傷，高能粒子的能量損傷機(jī)制非常復(fù)雜，高能粒子和光子將能量傳遞給入射的材料會(huì)引起損傷，能量損失的機(jī)制非常復(fù)雜，但從結(jié)果上進(jìn)行分類，分可為：原子位移（由于碰撞，材料原子發(fā)生移動(dòng)）和電離（產(chǎn)生電子-空穴對(duì)）。圖1闡釋了不同粒子輻射導(dǎo)致電子元器件損傷類型，大多數(shù)粒子既產(chǎn)生非電離能損（Non-Ionizing Energy Loss，NIEL），又產(chǎn)生電離（Ionization）能損。

圖1 材料的輻射效應(yīng)

非電離能損（NIEL）：高能粒子（或能量足夠高的光子）與原子碰撞，將能量傳遞給原子，致使在晶格中處于平衡態(tài)的原子發(fā)生位移，產(chǎn)生空位或缺陷（又稱位移損傷），如圖2。

電離（Ionization）：粒子與物質(zhì)相互作用，將能量傳遞給原子核外電子，使其擺脫原子核的束縛，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。電子和空穴都可以增加介質(zhì)的導(dǎo)電性（甚至是絕緣體），但由于電子與空穴的遷移率不同，空穴在絕緣體中被俘獲，致使電子元器件退化，且此過程存在累積效應(yīng)。此外，需注意偏壓的不同，最終的輻射效應(yīng)會(huì)有區(qū)別。

圖2 位移損傷示意圖

2.2不同材料的輻射損傷效應(yīng)

根據(jù)材料的導(dǎo)電性能不同，可以將材料分為金屬、半導(dǎo)體和絕緣體，這些材料的輻射損傷表現(xiàn)不同：a)金屬在太空環(huán)境中可以被認(rèn)為具有耐輻射性，而在核反應(yīng)堆的堆芯，足夠高的中子通量顯著減小金屬的機(jī)械強(qiáng)度，使金屬變得易碎；b)位移損傷會(huì)使半導(dǎo)體的電參數(shù)和機(jī)械性能發(fā)生變化，電參數(shù)的變化具體表現(xiàn)在少數(shù)載流子壽命的減少，純摻雜濃度n變小和載流子遷移率降低；c)位移損傷會(huì)使光學(xué)絕緣體材料產(chǎn)生損傷，對(duì)電學(xué)或結(jié)構(gòu)絕緣體材料影響很小，電離效應(yīng)會(huì)急劇減小絕緣體電阻、累計(jì)陷阱電荷。

2.3硅材料的輻射效應(yīng)

2003年，Clark L. Alfred的研究成果表明：輻照后硅的密度沒有明顯變化。此外，由于硅的彈性模量是對(duì)MEMS加速度計(jì)有重要影響的參數(shù)，Alfred采用模擬分析的方法，針對(duì)一種尺寸為800 μm × 40 μm × 10 μm的共振梁器件研究了中子輻照對(duì)硅彈性模量的影響，結(jié)果如表2。從表2中可以看出，γ射線的輻照對(duì)硅材料彈性系數(shù)沒有影響，而中子輻照會(huì)對(duì)硅材料彈性系數(shù)造成一定的影響，但這種影響很小，在百萬(wàn)分之一量級(jí)左右。

表2 輻射對(duì)硅材料力學(xué)性能的影響

3 MEMS加速度計(jì)的輻照試驗(yàn)研究

3.1輻射效應(yīng)試驗(yàn)

國(guó)外公開MEMS器件輻射測(cè)試結(jié)果總結(jié)如表3所示：鈷源輻照的MEMS加速度計(jì)其失效機(jī)理均為絕緣層充電效應(yīng)，失效劑量閾值均在200 Gy（Si）以上；65 MeV質(zhì)子輻照失效的機(jī)理為絕緣層充電效應(yīng)，但155 MeV質(zhì)子的輻照失效機(jī)理為基準(zhǔn)電路的質(zhì)子位移損傷。

表3 國(guó)外MEMS器件的輻射測(cè)試數(shù)據(jù)

國(guó)內(nèi)對(duì)梳齒式微加速度計(jì)實(shí)驗(yàn)室樣品進(jìn)行過質(zhì)子輻照試驗(yàn)：試驗(yàn)時(shí)用厚金箔擋住ASIC電路，只照射MEMS部分，輻照采用3 MeV的質(zhì)子，輻照注量率為1.39 × 109 p·cm-2?s-1。記錄結(jié)果如圖3所示，加速度計(jì)1（左側(cè)）在注量達(dá)到2.9× 1012 p/cm2時(shí)發(fā)生跳變，而加速度計(jì)2（右側(cè)）在注量達(dá)到1.08 × 1012 p/cm2時(shí)就開始發(fā)生漂移。分析的結(jié)論為：加速度計(jì)性能劣化源于表頭中的絕緣層充電效應(yīng)，加速度計(jì)中硅梳齒電容的電荷累積改變介質(zhì)的介電常數(shù)，甚至影響到梳齒電容的電場(chǎng)分布，而加速度計(jì)基于電荷放大器原理進(jìn)行檢測(cè)，因此介電常數(shù)或電場(chǎng)分布的改變都會(huì)致使零偏發(fā)生突變或漸變。

圖3 梳齒式微加速度計(jì)質(zhì)子輻照試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)樣品梳齒式加速度計(jì)、蹺蹺板加速度計(jì)進(jìn)行過整表鈷源輻照試驗(yàn)，輻照劑量率為0.04 Gy(Si)/s，輻照全程加電，記錄結(jié)果如圖4所示。蹺蹺板式加速度計(jì)在88 Gy左右開始急劇跳變，梳齒式加速度計(jì)在96 Gy左右開始急劇跳變，分析結(jié)論為：加速度計(jì)急劇跳變主要由體硅CMOS檢測(cè)電路性能劣化甚至失效引起；急劇跳變前，兩種結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)的零位漂移主要由表頭結(jié)構(gòu)的絕緣層充電效應(yīng)引起。

圖4 蹺蹺板式與梳齒式微加速度計(jì)輻照試驗(yàn)結(jié)果

圖5 梳齒式微加速度計(jì)輻照退化原理

3.2輻射效應(yīng)機(jī)理分析

1996年 ~ 1998年，美國(guó)ADI公司對(duì)其表面梳齒式微加速度計(jì)進(jìn)行了一系列的輻照試驗(yàn)，并分析認(rèn)為其退化機(jī)理為多晶硅梳齒下面的絕緣層存在充電效應(yīng)，如圖5所示：輻射在絕緣體中產(chǎn)生電子空穴對(duì)，形成正電荷累積，絕緣層電荷在可移動(dòng)質(zhì)量塊（ME）的兩側(cè)分別感應(yīng)出負(fù)電荷，導(dǎo)致質(zhì)量塊與兩端固定極板之間的電場(chǎng)發(fā)生改變，引起質(zhì)量塊移動(dòng)，最終導(dǎo)致傳感器的輸出電壓發(fā)生偏移。A.R.Knudson等人證明，質(zhì)子輻照ADXL50微加速度計(jì)時(shí)，輸出電壓將產(chǎn)生一個(gè)漂移誤差，并且指出是絕緣層充電效應(yīng)導(dǎo)致輸出電壓漂移。絕緣層中的俘獲電荷改變了微加速度計(jì)敏感芯片內(nèi)部的電場(chǎng)，若已知絕緣層俘獲電荷面密度，敏感芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)已知，則可以利用ANSYS計(jì)算出附加的靜電力，從而得到輻射效應(yīng)引起的加速度變化。

3.3輻射效應(yīng)加固的建議

由于MEMS加速度計(jì)存在絕緣層的充電效應(yīng)，其絕緣層中的電荷累積會(huì)生成感生電場(chǎng)，進(jìn)而影響梳齒電容的電場(chǎng)分布，從而引起輻射加速度（輻射引入的加速度變量），致使MEMS加速度計(jì)輸出發(fā)生漂移，所以抑制MEMS加速度計(jì)的輻射加速度可以從以下幾方面考慮：a)從結(jié)構(gòu)上說，可以改變幾何設(shè)計(jì)，移除可移動(dòng)極板附近的絕緣體或加大絕緣體與極板之間的距離；b)從電荷導(dǎo)出角度說，可以在絕緣體上接入導(dǎo)體，從而達(dá)到絕緣體累積電荷消除的效果；c)從材料特性角度說，可以改用正電荷俘獲密度更低的絕緣體材料。

4結(jié)論

通過上文分析，得出以下認(rèn)識(shí)：MEMS加速度計(jì)表頭在鈷源或質(zhì)子等輻照下失效機(jī)理為絕緣層存在充電效應(yīng)，產(chǎn)生的正電荷積累影響了加速度計(jì)內(nèi)部電場(chǎng)，隨著正電荷的不斷積累，最終完全失效；MEMS加速度計(jì)總劑量輻照薄弱環(huán)節(jié)在于體硅CMOS工藝檢測(cè)電路；現(xiàn)階段的研究成果表明：中子輻照對(duì)硅材料的彈性系數(shù)影響極小，即MEMS加速度耐中子輻照；針對(duì)MEMS加速度計(jì)的絕緣層充電效應(yīng)，加固建議為：改變幾何設(shè)計(jì)、導(dǎo)出絕緣層氧化物中電荷或采用低電荷俘獲密度絕緣體材料。