范迎新 何峰 藍(lán)鎮(zhèn)立

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所 湖南省長沙市 410110）

1 簡介

壓力傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程、信息裝備、武器裝備等領(lǐng)域，壓力傳感器產(chǎn)值占世界傳感器市場份額的第一位，用量僅次于溫度傳感器。其中濺射薄膜壓力傳感器由于具有優(yōu)越的耐惡劣環(huán)境、良好的抗沖擊能力、溫漂小、精度高等特點(diǎn)，已成為壓力傳感器的主要發(fā)展方向，成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)[1][2]。

但是濺射薄膜壓力傳感器設(shè)計(jì)因素復(fù)雜，影響其可靠性不確定因素較多。因此，如何加強(qiáng)可靠性設(shè)計(jì)，是濺射薄膜壓力傳感器應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。故障樹分析法（Fault Tree Analysis，簡稱FTA）是傳感器可靠性分析的有效工具，通過故障樹分析法，找出產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)，為改善和評(píng)估產(chǎn)品可靠性提供有益數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步提高傳感器的可靠性。

2 故障樹基本概念

通過分析可能造成產(chǎn)品故障的硬軟件、人為、環(huán)境等因素，畫出相應(yīng)的故障樹，從而確定產(chǎn)品出現(xiàn)故障原因的各種可能組合方式及發(fā)生概率，這種分析技術(shù)叫故障樹分析。它是以圖形的方式表明“產(chǎn)品是怎樣失效的”[3][4]。

其一般步驟如下：

2.1 熟悉系統(tǒng)

必須深入學(xué)習(xí)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理、電氣性能、使用環(huán)境、失效模式等。廣泛搜集實(shí)際故障診斷的第一手資料，分析、歸納并提煉出典型故障，建立故障癥狀與故障原因集。

2.2 選擇頂事件

選好頂事件非常重要，有利于使整個(gè)系統(tǒng)故障分析相互聯(lián)系起來。頂事件選擇依據(jù)有兩點(diǎn)：一是找出所有故障模式，選擇對(duì)產(chǎn)品影響最大的故障模式作為頂事件；二是頂事件必須能夠分解成若干獨(dú)立的事件，以供分析。

2.3 建造故障樹

找出故障癥狀，故障原因的層級(jí)關(guān)系，確定構(gòu)建連接事件與事件的邏輯結(jié)構(gòu)圖，即故障樹，把系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障事件作為故障分析的目標(biāo)。

目前建樹方法有兩種，一種是計(jì)算機(jī)輔助法，另一種是最常用的演繹法，首先選擇合適頂事件；再找出所有可能引起頂事件發(fā)生的事件原因，如設(shè)計(jì)缺陷、工藝問題、物料原因等；然后再深入挖掘引起各個(gè)子事件的下一層子事件原因，直至找到最底層的事件原因，稱為底事件，才算完成失效分析的初步過程；最后，將頂事件與各個(gè)事件用清晰明了邏輯符號(hào)連接，故障樹就構(gòu)建完成。

2.4 故障樹分析

通過該分析技術(shù)，幫助設(shè)計(jì)、生產(chǎn)人員發(fā)現(xiàn)潛在的故障，用于指導(dǎo)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)、故障判斷和維修方案，提高產(chǎn)品可靠性。

3 故障樹分析在薄膜壓力傳感器可靠性研究中的實(shí)際運(yùn)用

薄膜壓力傳感器的工作原理是采用離子束濺射工藝在彈性體上制備四個(gè)薄膜合金電阻，構(gòu)成惠斯通電橋。壓力P 作用在彈性體上，使彈性體產(chǎn)生變形，彈性體變形使電阻阻值發(fā)生變化，使惠斯通電橋輸出與壓力成比例的電信號(hào)。其原理圖如圖1 所示。

表1：薄膜壓力傳感器失效模式

表2：傳感器故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖1：薄膜壓力傳感器的基本原理圖

圖2：薄膜壓力傳感器調(diào)理電路

在信號(hào)調(diào)理方面，采用高精密儀用放大器對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行放大，通過滿量程和零點(diǎn)偏移調(diào)整，輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。電路原理圖見圖2。

圖3：薄膜壓力傳感器故障樹分析圖

結(jié)合薄膜壓力傳感器配套某武器裝備系統(tǒng)出現(xiàn)的故障情況，應(yīng)用故障樹理論，以輸出信號(hào)異常為頂事件進(jìn)行故障診斷研究，選定“壓力傳感器故障”作為傳感器故障樹的頂事件。圖3 是薄膜壓力傳感器故障樹分析圖，選定“E1調(diào)理電路故障”、“E2 敏感芯體故障”、“E3 結(jié)構(gòu)故障”作為傳感器故障樹的第二級(jí)事件。

通過對(duì)薄膜壓力傳感器的故障樹分析，找出3 大類21 小類的常見傳感器失效機(jī)理模型，具體見表1。為了更好地制定傳感器可靠性改進(jìn)的方案，通過對(duì)近萬只交付薄膜壓力傳感器的故障現(xiàn)象進(jìn)行了分析，對(duì)其發(fā)生原因及頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果如表2 所示。

由表2 可知，調(diào)理電路失效、敏感芯體失效及結(jié)構(gòu)件失效是薄膜壓力傳感器產(chǎn)生故障的主要原因。下面我們針對(duì)失效多發(fā)的模式進(jìn)行深入地研究分析，找出具體的失效機(jī)理。

薄膜壓力傳感器調(diào)理電路故障是最多的。包括穩(wěn)壓器件、運(yùn)算放大器、電阻、電感等失效。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，這些電子元器件的失效，一方面是由于元器件自身存在質(zhì)量問題，因此，需要從元器件的選型和采購源頭上解決，并進(jìn)一步通過裝機(jī)前的篩選試驗(yàn)來加強(qiáng)質(zhì)量管控，提高元器件的可靠性。另一方面，由于元器件受到強(qiáng)電磁干擾、靜電放電以及電壓過載等影響，導(dǎo)致元器件性能下降甚至發(fā)生不可逆的損傷，造成傳感器工作可靠性差和故障的主要原因之一。針對(duì)這種情況，在電路設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮傳感器的EMC 設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的抗電磁干擾和抗靜電損傷的能力，同時(shí)，需要兼顧產(chǎn)品的冗余設(shè)計(jì)，確保產(chǎn)品在工作過程中發(fā)生意外導(dǎo)致激勵(lì)電壓變大、超出產(chǎn)品正常工作電壓情況下不損壞，甚至可正常工作。因此，合理的電路設(shè)計(jì)和元器件選型，不僅可以提高產(chǎn)品可靠性，在使用壽命、后期維護(hù)維修成本、性價(jià)比上均會(huì)有顯著改善，帶來更好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

薄膜壓力傳感器敏感芯體是基于半導(dǎo)體工藝制備而成，其核心是壓敏薄膜電阻的性能穩(wěn)定性。從敏感芯體故障原因中發(fā)現(xiàn)薄膜電阻變化引起傳感器故障占主要因素。影響薄膜電阻穩(wěn)定性的原因包括壓敏芯片的內(nèi)應(yīng)力釋放，靜電損傷等。針對(duì)內(nèi)應(yīng)力釋放問題，可通過熱處理和溫度循環(huán)方法加速應(yīng)力釋放，提高薄膜芯體穩(wěn)定性。靜電損傷一直以來都是電子元器件故障發(fā)生的最主要原因之一，特別是在我國的北方，靜電現(xiàn)象十分嚴(yán)重，因此，一方面通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝方法提高壓敏芯體抗靜電能力，另一方面在使用過程中還需要采取有效的靜電防護(hù)措施，避免產(chǎn)品在安裝、儲(chǔ)運(yùn)、使用過程中發(fā)生靜電損傷事件。

此外，由于焊接熔深、密封等問題導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)故障也是傳感器失效的主要原因。這些故障主要與傳感器的金屬結(jié)構(gòu)焊接工藝和設(shè)備相關(guān)，焊接參數(shù)的合理性、環(huán)境溫濕度控制、設(shè)備性能狀態(tài)、焊接件表面清潔度等都會(huì)對(duì)焊接的結(jié)果造成影響。需要設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)人員定期和不定時(shí)的進(jìn)行檢查與巡檢，排除設(shè)備的不穩(wěn)定因素，需要工藝人員對(duì)焊接件進(jìn)行焊接試驗(yàn)與驗(yàn)證，確保足夠的強(qiáng)度冗余，需要在溫濕度可控的環(huán)境下進(jìn)行焊接操作，避免溫濕度對(duì)設(shè)備狀態(tài)和焊接件表面質(zhì)量造成不利影響。

4 結(jié)論

本文采用故障樹分析法對(duì)薄膜壓力傳感器發(fā)生故障的模式和原因進(jìn)行了梳理，總結(jié)歸類出3 大類21 小類的常見傳感器失效機(jī)理模型。結(jié)合產(chǎn)品失效統(tǒng)計(jì)情況，分別從傳感器芯體、信號(hào)調(diào)理電路、結(jié)構(gòu)這三方面對(duì)傳感器的故障原因進(jìn)行分析，得到薄膜壓力傳感器的主要故障原因，并針對(duì)故障原因提出了改進(jìn)措施及建議。