高量程微加速度計(jì)的可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)及分析

秦立君 馬喜宏 王威 何程

摘 要： 由于微加速度計(jì)的可靠性已經(jīng)成為產(chǎn)品商業(yè)化過程中必須解決的一個(gè)重要問題，而沖擊環(huán)境作用下導(dǎo)致微加速度計(jì)性能失效是微加速度計(jì)經(jīng)常要面對(duì)的主要問題。針對(duì)高沖擊對(duì)微加速度計(jì)破壞的影響進(jìn)行可靠性研究。利用ANSYS有限元仿真進(jìn)行分析初步得到失效模式和機(jī)理，設(shè)計(jì)并實(shí)施了微加速度計(jì)在沖擊環(huán)境下的可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)得到在沖擊環(huán)境下的主要失效模式，并進(jìn)行了相應(yīng)分析，通過實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)進(jìn)行微加速度計(jì)的可靠性評(píng)估。通過可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)微加速度計(jì)在沖擊環(huán)境下的可靠性進(jìn)行評(píng)估，并折算出在沖擊影響作用下的平均壽命和可靠壽命以及繪制出其可靠度曲線。

關(guān)鍵詞： 高量程微加速度計(jì)； 失效分析； 可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)； ANSYS仿真； 可靠性評(píng)估； 沖擊環(huán)境

中圖分類號(hào)： TN303?34； TB114.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）08?0057?07

Abstract： The reliability of the micro?accelerometer has become an important issue to be addressed in the commercialization process of the product. However， the performance failure of the micro?accelerometer under the impact environment is a major problem often faced by the micro?accelerometer. Reliability research is conducted with regard to the influence of high impact on micro?accelerometer damage. The ANSYS finite element simulation is adopted for initial analysis to obtain the failure modes and mechanisms. The micro?accelerometer reliability enhancement experiment under the impact environment is designed and implemented to obtain the main failure modes under the impact environment， and the corresponding analysis is performed. The data obtained from the experiment is used for micro?accelerometer reliability evaluation， and the verification is conducted in the reliability enhancement experiment. The reliability of the micro?accelerometer under the impact environment is evaluated， the average life expectancy and reliable life expectancy under the influence of impact are calculated， and the reliability curve is drawn.

Keywords： high?range micro?accelerometer； failure analysis； reliability enhancement experiment； ANSYS simulation； reliability evaluation； impact environment

0 引 言

高量程微加速度計(jì)由于使用環(huán)境和應(yīng)用領(lǐng)域的要求，需要具備極高的可靠性和很強(qiáng)的可靠壽命。為了在試驗(yàn)中測(cè)試分析其可靠性及壽命，采用可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行研究?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)把故障物理學(xué)作為理論依據(jù)，人為地對(duì)系統(tǒng)施加逐步增加的工作和環(huán)境應(yīng)力，使得產(chǎn)品故障被激發(fā)出來，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)得以暴露，已達(dá)到早期發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷和糾正的目的。由于可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)所施加的環(huán)境應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)規(guī)范極限，所以可以將導(dǎo)致產(chǎn)品失效的各類缺陷時(shí)間很短，激發(fā)缺陷的效率很高，能有效地降低高品質(zhì)產(chǎn)品的開發(fā)周期?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)不同于傳統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)過程依賴于緩慢的自然反饋來實(shí)現(xiàn)[1?2]，它在設(shè)計(jì)時(shí)就能夠評(píng)價(jià)出產(chǎn)品的可靠性。

1 微加速度計(jì)失效分析

對(duì)于MEMS微加速度計(jì)器件，沖擊是系統(tǒng)受到瞬態(tài)激勵(lì)而振動(dòng)是運(yùn)動(dòng)量的振蕩現(xiàn)象[3]。沖擊能導(dǎo)致加速度計(jì)產(chǎn)生粘附、斷裂和分層等失效，并且沖擊還會(huì)導(dǎo)致加速度計(jì)的封裝外殼的斷裂及金屬引線的脫落等[4]。

利用ANSYS構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型在傳感器敏感元件正常工作方向上（z向）施加1×105 g加速度求解。根據(jù)圖1可以看出，微懸臂梁傳感器的危險(xiǎn)區(qū)域是：梁和框架的連接部分兩端、梁和質(zhì)量塊的連接部分兩端。這些區(qū)域中，結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力最大，如果危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)力大于硅材料許用應(yīng)力，傳感器滿量程工作時(shí)整個(gè)傳感器結(jié)構(gòu)就遭到破壞。圖1顯示結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為65.2 MPa，遠(yuǎn)小于硅的許用應(yīng)力340 MPa，因此該結(jié)構(gòu)在滿量程（1×105 g）范圍內(nèi)可以正常工作。

為了分析梁的哪端先達(dá)到最大應(yīng)力，各取梁兩端的兩個(gè)應(yīng)力最大值點(diǎn)進(jìn)行分析，如圖2所示，將各點(diǎn)的應(yīng)力變化情況繪制在圖3中，由此判斷梁先從其根部開始發(fā)生斷裂，該微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)的多數(shù)斷裂會(huì)發(fā)生在固定一方的底部，而不是質(zhì)量塊根部，固定端和質(zhì)量塊端應(yīng)力值如圖4所示。

進(jìn)一步求解得到，當(dāng)結(jié)構(gòu)受4.97×105 g加速度作用時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力達(dá)到許用應(yīng)力，如圖5所示。器件過載損壞的原因在于大的加速度使質(zhì)量塊發(fā)生大的位移，使梁上應(yīng)力超過許用應(yīng)力，從而引起梁的塑性形變或斷裂。

2 微加速度計(jì)的可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

2.1 沖擊步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)設(shè)計(jì)

沖擊步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)用到的試驗(yàn)設(shè)備是標(biāo)準(zhǔn)霍普金森桿測(cè)試系統(tǒng) [5]，如圖6所示。試驗(yàn)剖面如圖7所示，試驗(yàn)起始沖擊量級(jí)設(shè)為1×105 g，步長(zhǎng)為1×104 g，每次沖擊后利用外接電路進(jìn)行功能性能檢測(cè)和1次上下電功能測(cè)試。保證每次上下電后功能、性能可以完全恢復(fù)。當(dāng)被測(cè)產(chǎn)品的輸出不正常時(shí)，方可停止試驗(yàn)[6]。圖7中：t1表示霍普金森桿試驗(yàn)時(shí)間；t2表示功能性能檢測(cè)和上下電功能測(cè)試時(shí)間。圖8是1.5×105 g時(shí)測(cè)得的信號(hào)，可得到試驗(yàn)結(jié)論。

通過對(duì)傳感器施加沖擊應(yīng)力，樣品在2×105 g時(shí)，傳感器輸出出現(xiàn)異常，在2.5×105 g時(shí)，傳感器沒有輸出，對(duì)其進(jìn)行失效分析，發(fā)現(xiàn)芯片發(fā)生破裂現(xiàn)象，見圖9。

實(shí)驗(yàn)時(shí)總共對(duì)5只傳感器進(jìn)行霍普金森桿沖擊試驗(yàn)，其中部分沖擊信號(hào)波形圖見圖10～圖12。5只傳感器在2×105～2.6×105 g的范圍內(nèi)均出現(xiàn)了失效，傳感器外殼完好，沒有明顯損傷。傳感器失效模式主要有：芯片破碎和梁發(fā)生斷裂、鍵合引線的脫落等，如圖13所示。對(duì)失效后的加速度傳感器利用拉曼光學(xué)測(cè)試儀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)微加速度計(jì)的懸臂梁發(fā)生梁斷裂現(xiàn)象，見圖9。

2.2 沖擊恒定應(yīng)力試驗(yàn)

沖擊恒定應(yīng)力試驗(yàn)是在沖擊步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)其施加一定量值的g值來測(cè)出加速度傳感器在恒定應(yīng)力環(huán)境下的工作極限與破壞極限。此沖擊試驗(yàn)的主要試驗(yàn)設(shè)備為馬歇特錘試驗(yàn)機(jī)[7]，如圖14所示。沖擊恒定應(yīng)力試驗(yàn)如圖15所示，選取恒定加速應(yīng)力水平為1.2×105 g，1.4×105 g和1.6×105 g。將一定數(shù)量的樣品分為幾組，各組分別固定在一定的應(yīng)力水平下進(jìn)行試驗(yàn)，要求選取的應(yīng)力水平都高于正常應(yīng)力水平，試驗(yàn)到各組樣品都有一定數(shù)量的產(chǎn)品發(fā)生失效為止[8]。

加速度傳感器在3.4×104 g的沖擊下都工作正常，測(cè)試結(jié)果正常，沒有發(fā)生失效。接著對(duì)加速度計(jì)進(jìn)行恒定應(yīng)力破壞試驗(yàn)，選取結(jié)構(gòu)相同的3組同批次加工的傳感器，按照?qǐng)D7設(shè)計(jì)的恒定應(yīng)力試驗(yàn)剖面進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表1，梁斷裂照片見圖16。

3 可靠性分析與評(píng)估

3.1 步進(jìn)應(yīng)力可靠性評(píng)估

加速度傳感器在沖擊下的可靠性，采用應(yīng)力?強(qiáng)度隨機(jī)變量模型。這個(gè)是靜態(tài)模型，忽略了時(shí)間因素，認(rèn)為應(yīng)力和強(qiáng)度不隨時(shí)間變化。這是一種理想化的情況，但對(duì)于具有瞬態(tài)性質(zhì)的沖擊載荷是非常適用的。

加速度計(jì)的位移在沖擊加速度達(dá)到最大時(shí)可以達(dá)到最大值，即在脈沖時(shí)間的中點(diǎn)上，此時(shí)最大響應(yīng)發(fā)生在強(qiáng)迫振動(dòng)階段。

應(yīng)力在加速度計(jì)梁的根部出現(xiàn)最大值，即[x=0]時(shí)，應(yīng)力最大。利用應(yīng)力強(qiáng)度干涉理論[9][P=P（S>；σ）=][0∞f（σ）σ∞g（S）dSdσ]建立微加速度計(jì)在沖擊下的可靠性模型。令[z=S-σ]也服從正態(tài)分布，得到可靠度的表達(dá)式：

3.2 恒定沖擊應(yīng)力下的壽命評(píng)估

3.2.1 形狀參數(shù)和尺度參數(shù)估計(jì)

高g值加速度傳感器沖擊恒定應(yīng)力水平為S1=1.2×105 g，S2=1.4×105 g，和S3=1.6×105 g，利用參數(shù)估計(jì)方法對(duì)恒定應(yīng)力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可得三組應(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。各沖擊應(yīng)力水平下可靠度曲線如圖18所示。

3.2.2 不同應(yīng)力水平下的壽命數(shù)據(jù)折算

對(duì)某一工作應(yīng)力水平下產(chǎn)品的可靠性評(píng)估，需要利用環(huán)境因子把不同應(yīng)力環(huán)境下的壽命數(shù)據(jù)折算到同一應(yīng)力環(huán)境下。應(yīng)力Si對(duì)應(yīng)力Sj的環(huán)境因子折算公式如下[11]：

3.2.3 壽命估算

當(dāng)加速度傳感器壽命服從兩參威布爾分布時(shí)，則在沖擊應(yīng)力S0=1×105 g下可靠性特征值計(jì)算公式分別為[13]：

4 結(jié) 論

利用有限元仿真軟件對(duì)微加速度計(jì)仿真初步得出產(chǎn)品的失效模式和失效機(jī)理。設(shè)計(jì)相應(yīng)的可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)對(duì)微加速度計(jì)施加步進(jìn)沖擊和恒定沖擊應(yīng)力試驗(yàn)，得到在沖擊影響下微機(jī)械加速度傳感器的主要失效模式是沖擊能導(dǎo)致加速度計(jì)產(chǎn)生黏附、斷裂和分層等失效，并且沖擊還會(huì)引起加速計(jì)的外殼的破裂和金屬線的剝落等。并且由兩參數(shù)威布爾分布對(duì)微加速度計(jì)進(jìn)行可靠性分析，對(duì)傳感器的可靠性特征值進(jìn)行了估計(jì)，得出傳感器在沖擊應(yīng)力下的平均壽命、可靠壽命以及可靠度曲線。由結(jié)果可知，在1×105 g的沖擊作用下，傳感器的平均壽命約為30次，當(dāng)傳感器使用可靠度達(dá)到0.9時(shí)，傳感器可使用的次數(shù)為29次。

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