秦立君 馬喜宏 王威 何程

摘 要： 由于微加速度計的可靠性已經(jīng)成為產(chǎn)品商業(yè)化過程中必須解決的一個重要問題，而沖擊環(huán)境作用下導(dǎo)致微加速度計性能失效是微加速度計經(jīng)常要面對的主要問題。針對高沖擊對微加速度計破壞的影響進(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)計并實施了微加速度計在沖擊環(huán)境下的可靠性強(qiáng)化實驗得到在沖擊環(huán)境下的主要失效模式，并進(jìn)行了相應(yīng)分析，通過實驗得到數(shù)據(jù)進(jìn)行微加速度計的可靠性評估。通過可靠性強(qiáng)化實驗進(jìn)行驗證，對微加速度計在沖擊環(huán)境下的可靠性進(jìn)行評估，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； 失效分析； 可靠性強(qiáng)化實驗； ANSYS仿真； 可靠性評估； 沖擊環(huán)境

中圖分類號： TN303?34； TB114.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 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。為了在試驗中測試分析其可靠性及壽命，采用可靠性強(qiáng)化試驗技術(shù)進(jìn)行研究?？煽啃詮?qiáng)化試驗技術(shù)把故障物理學(xué)作為理論依據(jù)，人為地對系統(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)化試驗所施加的環(huán)境應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計規(guī)范極限，所以可以將導(dǎo)致產(chǎn)品失效的各類缺陷時間很短，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)化試驗不同于傳統(tǒng)的可靠性增長過程依賴于緩慢的自然反饋來實現(xiàn)[1?2]，它在設(shè)計時就能夠評價出產(chǎn)品的可靠性。

1 微加速度計失效分析

對于MEMS微加速度計器件，沖擊是系統(tǒng)受到瞬態(tài)激勵而振動是運動量的振蕩現(xiàn)象[3]。沖擊能導(dǎo)致加速度計產(chǎn)生粘附、斷裂和分層等失效，并且沖擊還會導(dǎo)致加速度計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整個傳感器結(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，各取梁兩端的兩個應(yīng)力最大值點進(jìn)行分析，如圖2所示，將各點的應(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，該微加速度計結(jié)構(gòu)的多數(shù)斷裂會發(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，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 微加速度計的可靠性試驗設(shè)計及試驗結(jié)果

2.1 沖擊步進(jìn)應(yīng)力試驗設(shè)計

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

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

實驗時總共對5只傳感器進(jìn)行霍普金森桿沖擊試驗，其中部分沖擊信號波形圖見圖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。對失效后的加速度傳感器利用拉曼光學(xué)測試儀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)微加速度計的懸臂梁發(fā)生梁斷裂現(xiàn)象，見圖9。

2.2 沖擊恒定應(yīng)力試驗

沖擊恒定應(yīng)力試驗是在沖擊步進(jìn)應(yīng)力試驗的基礎(chǔ)上，通過對其施加一定量值的g值來測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。此沖擊試驗的主要試驗設(shè)備為馬歇特錘試驗機(jī)[7]，如圖14所示。沖擊恒定應(yīng)力試驗如圖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，要求選取的應(yīng)力水平都高于正常應(yīng)力水平，試驗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，測試結(jié)果正常，沒有發(fā)生失效。接著對加速度計進(jìn)行恒定應(yīng)力破壞試驗，選取結(jié)構(gòu)相同的3組同批次加工的傳感器，按照圖7設(shè)計的恒定應(yīng)力試驗剖面進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果見表1，梁斷裂照片見圖16。

3 可靠性分析與評估

3.1 步進(jìn)應(yīng)力可靠性評估

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。這個是靜態(tài)模型，忽略了時間因素，認(rèn)為應(yīng)力和強(qiáng)度不隨時間變化。這是一種理想化的情況，但對于具有瞬態(tài)性質(zhì)的沖擊載荷是非常適用的。

加速度計的位移在沖擊加速度達(dá)到最大時可以達(dá)到最大值，即在脈沖時間的中點上，此時最大響應(yīng)發(fā)生在強(qiáng)迫振動階段。

應(yīng)力在加速度計梁的根部出現(xiàn)最大值，即[x=0]時，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)力下的壽命評估

3.2.1 形狀參數(shù)和尺度參數(shù)估計

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)估計方法對恒定應(yīng)力的試驗數(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)的點估計，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

對某一工作應(yīng)力水平下產(chǎn)品的可靠性評估，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，則在沖擊應(yīng)力S0=1×105 g下可靠性特征值計算公式分別為[13]：

4 結(jié) 論

利用有限元仿真軟件對微加速度計仿真初步得出產(chǎn)品的失效模式和失效機(jī)理。設(shè)計相應(yīng)的可靠性強(qiáng)化實驗對微加速度計施加步進(jìn)沖擊和恒定沖擊應(yīng)力試驗，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)致加速度計產(chǎn)生黏附、斷裂和分層等失效，并且沖擊還會引起加速計的外殼的破裂和金屬線的剝落等。并且由兩參數(shù)威布爾分布對微加速度計進(jìn)行可靠性分析，對傳感器的可靠性特征值進(jìn)行了估計，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，傳感器可使用的次數(shù)為29次。

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