溫濕度環(huán)境下高量程加速度計(jì)可靠性研究

陳員娥，劉晴晴，馬喜宏* ，李長(zhǎng)龍

(1.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中北大學(xué)，太原030051;2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

高量程加速度計(jì)在應(yīng)用時(shí)，通常伴隨有高過載(發(fā)射過載、落地過載)、高沖擊(侵徹混凝土、鋼板等硬目標(biāo))、潛射(高壓海水浸泡、鹽霧腐蝕)、高溫、低溫等復(fù)雜的工作環(huán)境［1］。在復(fù)雜的工作環(huán)境中，加速度計(jì)隨時(shí)可能發(fā)生故障，導(dǎo)致無法記錄彈體的動(dòng)態(tài)信息。因此在實(shí)驗(yàn)室對(duì)其進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境的可靠性試驗(yàn)顯得尤為重要。而一直以來，人們對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境模擬試驗(yàn)時(shí)，大多采用單項(xiàng)環(huán)境的試驗(yàn)方法，即在某一時(shí)間內(nèi)只對(duì)一種產(chǎn)品施加一項(xiàng)環(huán)境條件，如單項(xiàng)濕度試驗(yàn)、單項(xiàng)溫度試驗(yàn)等，很少在某一時(shí)間內(nèi)同時(shí)對(duì)一種產(chǎn)品施加兩項(xiàng)以上環(huán)境條件。實(shí)際上，單一環(huán)境條件下可靠性很高的產(chǎn)品，在實(shí)際試驗(yàn)中仍不斷出現(xiàn)故障，即其實(shí)際可靠性很低。因此，本文分析溫濕度綜合環(huán)境對(duì)高量程加速度計(jì)輸出的影響，并對(duì)傳感器在溫濕度環(huán)境下的可靠性進(jìn)行評(píng)估［2－3］。

1 溫濕度綜合環(huán)境下的失效分析

高量程壓阻式加速度計(jì)的內(nèi)部模型如圖1所示，其量程為150 000 gn，主要用于惡劣環(huán)境下的加速度測(cè)量。

圖1 加速度計(jì)內(nèi)部芯片模型圖

圖2為該高量程硅微加速度計(jì)封裝后圖形，其由硅片與玻璃鍵合，金或鋁引線鍵合等工藝制成［4］，由于加工工藝的影響，加工后的微加速度計(jì)不可避免殘留有殘余應(yīng)力在器件中［5］。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，因微加速度計(jì)中包含的多種材料熱膨脹系數(shù)不同，就會(huì)在不同材料的交界面處產(chǎn)生壓縮或拉伸應(yīng)力，該溫度應(yīng)力會(huì)劣化殘余應(yīng)力對(duì)微加速度計(jì)的影響，增加微加速度計(jì)的內(nèi)部應(yīng)力［6］。

圖2 高量程硅微加速度計(jì)外部封裝圖

在濕度較高的環(huán)境下，微加速度計(jì)微表面會(huì)聚集水汽，水汽冷凝后會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的增加。若兩個(gè)表面相互接近，它們之間相對(duì)濕度的增大將導(dǎo)致毛細(xì)力的增大，當(dāng)結(jié)構(gòu)與襯底之間的粘著作用大于使微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形的彈性恢復(fù)力時(shí)，微結(jié)構(gòu)無法脫離襯底，此時(shí)將會(huì)發(fā)生粘附，如圖3所示，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效［7］。在進(jìn)行溫度、濕度綜合環(huán)境下時(shí)，高溫引起的溫度應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)承受的總應(yīng)力增加，濕度和腐蝕性氣體造成表面腐蝕，形成疲勞源;由于膨脹系數(shù)的差異，溫度引起結(jié)合面的分離，而潮氣侵入這些間隙成為潤(rùn)滑劑，結(jié)合面間的摩擦系數(shù)大大減小，造成動(dòng)響應(yīng)增加，從而增加了動(dòng)應(yīng)力，像這樣通過吸濕、凍結(jié)的反復(fù)過程，大大增加了高量程加速度計(jì)故障發(fā)生的幾率。

圖3 兩種不同的粘附結(jié)構(gòu)

2 高量程加速度計(jì)可靠性試驗(yàn)

針對(duì)該高量程加速度計(jì)的使用溫度和濕度范圍，設(shè)計(jì)了綜合環(huán)境試驗(yàn)剖面，如圖4所示［8］。綜合環(huán)境試驗(yàn)的溫度剖面是在溫度工作極限之間的循環(huán)，每一溫度極限上的最小保持時(shí)間為10 min。試驗(yàn)時(shí)，選取4只高量程加速度計(jì)進(jìn)行溫濕度綜合試驗(yàn)，溫度變化從60℃開始直至失效，相對(duì)濕度從60%F.S至90%F.S變化，從初始溫度60℃開始增加溫度，每一溫度極限最小保持30 min，每次溫度試驗(yàn)保持濕度不變，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果如圖5所示。

圖4 溫度步進(jìn)濕度恒定綜合環(huán)境剖面圖

圖5 輸出電壓與溫度－濕度關(guān)系

如圖5(a)和圖5(c)分別為其中2只加速度計(jì)在濕度為80%F.S和90%F.S時(shí)整個(gè)溫度范圍的輸出情況，從中可以看出加速度計(jì)在110℃時(shí)輸出出現(xiàn)異常，逐漸升溫至120℃輸出幾乎為0;圖5(b)和圖5(d)為其中2只加速度計(jì)在110℃輸出出現(xiàn)異常后再恢復(fù)溫度時(shí)的輸出情況，從中可以看出當(dāng)溫度降至100℃時(shí)輸出開始恢復(fù)正常。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)2只樣品在110℃輸出異常，將溫度恢復(fù)至60℃，加速度計(jì)輸出正常;4只樣品在120℃時(shí)輸出均出現(xiàn)異常，將溫度恢復(fù)至110℃，對(duì)產(chǎn)品再次進(jìn)行復(fù)測(cè)，加速度計(jì)的輸出仍異常，因此判定:相對(duì)濕度為(80～90)%F.S環(huán)境下，該微加速度計(jì)在溫度－濕度綜合環(huán)境下的工作極限溫度為110℃，破壞極限溫度為120℃。

利用以上試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)了傳感器的工作極限和濕度再次進(jìn)行恒溫－恒濕綜合環(huán)境試驗(yàn):因加速度計(jì)的溫度破壞極限為120℃，因此設(shè)定試驗(yàn)溫度為90 ℃、100 ℃、110 ℃，相對(duì)濕度(90～95)%F.S，對(duì)同一批次的9只加速度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果得出高量程加速度計(jì)的累積失效時(shí)間:在溫度90℃時(shí)，樣品1、2、3 的失效時(shí)間分別為:240 h、232 h 、200 h;在溫度100℃時(shí)，樣品4、5、6的失效時(shí)間分別為:144 h、128 h、132 h;在溫度 110 ℃時(shí)，樣品7、8、9 的失效時(shí)間分別為:60 h、52 h、72 h。溫度越接近傳感器的工作極限，其失效時(shí)間越短。對(duì)失效的加速度計(jì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)微加速度計(jì)的主要失效原因?yàn)樾酒|(zhì)量塊與鍵合玻璃之間的粘附，如圖6所示。

圖6 芯片粘附失效圖

3 高量程加速度計(jì)可靠性評(píng)估

為了縮短可靠性試驗(yàn)時(shí)間，采用高加速應(yīng)力對(duì)加速度計(jì)進(jìn)行壽命試驗(yàn)，采用兩參威布爾分布(2-PWD)對(duì)其進(jìn)行評(píng)估［9］。在對(duì)傳感器進(jìn)行可靠性評(píng)估時(shí)，首先確定各應(yīng)力下形狀和尺度參數(shù);由于不同環(huán)境下傳感器的壽命數(shù)據(jù)不一致，因此需要將不同環(huán)境下的壽命數(shù)據(jù)折算到同一環(huán)境下，因此需要折算壽命數(shù)據(jù);然后進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，最后進(jìn)行可靠性評(píng)估，求得傳感器在溫度－濕度綜合環(huán)境下的可靠性曲線和失效概率分布曲線。

3.1 各應(yīng)力形狀參數(shù)和尺度參數(shù)估計(jì)

恒定應(yīng)力水平為在T1=363 K，T2=373 K和T3=383 K濕度下試驗(yàn)樣品的失效時(shí)間見表1，運(yùn)用最小二乘法對(duì)三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可得3組應(yīng)力下形狀參數(shù)和尺度參數(shù)的點(diǎn)估計(jì)，如表2所示。

表2 各應(yīng)力下分布參數(shù)的最小二乘估計(jì)值

由于各應(yīng)力的形狀參數(shù)已經(jīng)求出，所以采用加權(quán)平均方法可以求出形狀參數(shù):

3.2 壽命數(shù)據(jù)折算

不同環(huán)境下壽命數(shù)據(jù)的綜合需要利用環(huán)境因子。引入環(huán)境因子的目的主要是將某一環(huán)境的壽命數(shù)據(jù)折算到另一環(huán)境下的壽命數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)增加子樣數(shù)。因此，環(huán)境因子的定義需要滿足如下3個(gè)假設(shè)條件。

假設(shè)1 不同應(yīng)力等級(jí)下壽命分布不發(fā)生，并且產(chǎn)品的失效機(jī)理不發(fā)生變化;

假設(shè)2 不同壽命分布(指數(shù)、威布爾、對(duì)數(shù)正態(tài)和正態(tài)分布)滿足1提出的加速模型;

假設(shè)3 產(chǎn)品的剩余壽命僅與當(dāng)時(shí)已累積失效的部分和應(yīng)力水平有關(guān)與累積方式無關(guān)。

根據(jù)假設(shè)3定義環(huán)境因子，即產(chǎn)品在應(yīng)力Ti下，工作了時(shí)間ti積累的失效概率為Fi(ti)，相當(dāng)于此產(chǎn)品在應(yīng)力Tj下，工作了時(shí)間tj所積累的失效概率Fj(tj)，即當(dāng)Fi(ti)=Fj(tj)時(shí)，則環(huán)境i對(duì)環(huán)境j的環(huán)境因子:

由式(1)可得，加速方程為阿倫尼斯模型下反應(yīng)論環(huán)境因子為:

根據(jù)式(2)可得三個(gè)不同環(huán)境(T1=363 K，T2=373 K和T3=383 K)下的壽命數(shù)據(jù)折算到正常環(huán)境(T0=300 K)的壽命數(shù)據(jù):

則將與試驗(yàn)應(yīng)力水平T1、T2、T3的失效時(shí)間相乘得出正常環(huán)境下T0時(shí)微加速度計(jì)的等效失效累積時(shí)間，此時(shí)子樣數(shù)為9。

3.3 假設(shè)檢驗(yàn)—F檢驗(yàn)

在可靠性分析中，確定產(chǎn)品的壽命分布是一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作之一。特別是在有限數(shù)據(jù)下分析產(chǎn)品的可靠性時(shí)，由于采用非參數(shù)估計(jì)的精度非常低，故采用參數(shù)估計(jì)。鑒于壽命數(shù)據(jù)存在較大分散性，可能同時(shí)服從幾種分布。因此，先假定疲勞壽命服從某一分布，再通過合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)是一種有效的統(tǒng)計(jì)方法。本處將威布爾分布轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)線性函數(shù)，之后運(yùn)用F檢驗(yàn)法對(duì)產(chǎn)品在有限數(shù)據(jù)下的壽命分布服從兩參威布爾分布進(jìn)行定量評(píng)價(jià)［10］。

經(jīng)計(jì)算可得 RXY＞Rc且|RXY|=0.966 224，結(jié)合總體合效果理論可知所選的統(tǒng)計(jì)分布能夠成立。

3.4 可靠度評(píng)估

根據(jù)正常環(huán)境下的等效失效累積時(shí)間，可得正常環(huán)境應(yīng)力(T0=300 K)下的估計(jì)結(jié)果:

圖7 可靠性曲線

由兩參威布爾分布對(duì)高量程加速度傳感器進(jìn)行可靠性分析，得到的可靠度及失效概率分布曲線發(fā)現(xiàn)［12］，隨著溫度的升高傳感器的可靠度逐漸降低，相應(yīng)的失效概率逐漸升高。即在溫濕度綜合環(huán)境下，隨著溫度的升高，傳感器各種材料的熱膨脹系數(shù)的差異發(fā)生伸縮，在結(jié)合部位發(fā)生松動(dòng)分離，此時(shí)施加濕度，潮氣就會(huì)在縫隙間侵入，使結(jié)合部和連接處的摩擦系數(shù)降低，造成動(dòng)響應(yīng)增加，從而增加了動(dòng)應(yīng)力，像這樣通過吸濕、凍結(jié)的反復(fù)過程使得傳感器的可靠度逐漸降低，失效概率增大。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)高量程加速度傳感器施加溫度－濕度綜合環(huán)境應(yīng)力，分析溫濕度環(huán)境對(duì)加速度計(jì)的影響，得出微加速度計(jì)在溫度－濕度綜合環(huán)境下的工作極限溫度為110℃，破壞極限溫度為120℃，其在溫濕度環(huán)境下主要失效模式為粘附。并利用兩參威布爾分布對(duì)加速度計(jì)進(jìn)行了可靠性評(píng)估，描繪出高量程加速度傳感器在綜合環(huán)境應(yīng)力下的可靠度曲線及失效概率曲線。

［1］ 劉保林，馬喜宏，孟召麗.微加速度計(jì)在溫度、濕度、振動(dòng)三綜合環(huán)境下的失效機(jī)理分析［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29(8):102－104.

［2］ 高健飛，熊繼軍，郭濤.微加速度計(jì)在沖擊環(huán)境下的可靠性研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，21(2):233 －236.

［3］ 秦麗，孟召麗，吳永亮.基于振動(dòng)傳感器性能退化數(shù)據(jù)的可靠性評(píng)估［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(9):53 －58.

［4］ Walraven J A.Failure Analysis Issues in Microelectromechanical Systems［J］.Microelectronics Reliability，2005(45):1750－1757.

［5］ 張偉.溫、濕、振三綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用電子產(chǎn)品［J］.可靠性與環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)評(píng)價(jià)，2004，12(6):38－42.

［6］ 劉加凱，齊杏林，王波.溫度應(yīng)力對(duì)MEMS器件分層失效的影響規(guī)律［J］.電子元件與材料，2013，32(3):84 －87.

［7］ 俞必強(qiáng)，翁海珊，李疆.微加速度計(jì)粘附問題的研究及應(yīng)用［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2005，25(6):43 －47.

［8］ 齊虹.硅壓力傳感器的可靠性試驗(yàn)方法及失效分析［J］.傳感器技術(shù)，2001，20(4):31 －33.

［9］ Miyshita Y，Yoshimura Y，Xu J Q，et al.Subsurface Crack Propagation in Rolling Contact Fatigue of Sintered Alloy［J］.Trans JSME Int J，2003，46:341 －347.

［10］秦明，巫世晶.一種服從威布爾分布裝備的可靠性評(píng)估方法［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2008，41(6):100 －102.

［11］盧小艷，陸山.基于威布爾分布k故障試驗(yàn)的壽命可靠性評(píng)估［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2005，21(6):10 －13.

［12］ Mann N R，Schafer N R，Singpurwalla N D.Methods for Statistics Analysis of Reliablity and Life Data［M］.John Wiley and Sons，1974:34－36.