汽車 MEMS傳感器可靠性設計探析

邱翠榕

摘 要：隨著科學技術的不斷發展，汽車電子已經成為了汽車工業發展的關鍵技術，傳感器是汽車電子產品中的基礎產品，也是關鍵產品。為了滿足汽車工業的新需求，各種新技術和新材料的研發使傳感器以及傳感器系統不斷進步和升級。微機電系統（MEMS）技術用于制作各種性能敏感的微型傳感器，在汽車中得到了廣

泛的運用。關鍵詞：MEMS技術；傳感器；可靠性設計

1 引言

汽車 MEMS傳感器是運用 MEMS技術制作的一種微型傳感器，熱學量、力學量以及化學量等性能都非常敏感，體積小，便于安裝，能耗低可節省大量的能源。此外，汽車 MEMS傳感器還具有多種性能，精度非常高，容易構成多功能陣列，生產起來也非常方便，可以大批量的生產，并且單件的成本較低。 MEMS技術可以滿足汽車對環境的苛刻性，使電子技術在汽車行業得到了廣泛的運用。

2 汽車 MEMS傳感器可靠性設計中存在的問題

汽車 MEMS傳感器可靠性的探究式一個復雜的過程，在目前的傳感器可靠性研究中，并沒有從整個傳感器的整個開發環節其研究系統的可靠性因素，還沒有形成一種全面的汽車傳感器的可靠性設計方式。 MEMS系統的工作原理比較復雜，涉及到多個領域和多個學科，一般在 MEMS裝置中包含可動部件，這也是傳感器在制造和使用的過程中容易出現各種問題的主要原因。由于 MEMS失效機理還尚沒被人們所熟知，不同的失效機理缺乏內在聯系和相互作用的研究，并沒有在此基礎上建立可靠的失效模型和可靠性因素評價體系。 MEMS產品在生產的過程中，可以看成是一個大規模生產集成電路的過程，但是人們對 MEMS的可靠性的要求卻超過了集成電路的要求。目前在 MEMS可靠性的研究中，在制造環節和封裝環節中存在各種不確定的因素，對這類不確定因素的分析并不完備，大多數的 MEMS可靠性的分析都是定性分析，而并沒有向成熟的定量分析方向轉變。此外，對傳感器壽命的模型研究并不多見，有待加強。

3 汽車 MEMS傳感器的可靠性設計方法

3.1 基于階段主導可靠性因素的傳感器可靠性設計

汽車傳感器在開發的過程中，在不同的階段受到不同可靠性因素的影響，在設計過程中材料的種類、零件的結構和傳感器的設計參數之間也會相互影響。傳感器設計的可靠性涉及到傳感器設計的多個環節，例如設計環節、制造環節、封裝環節和使用階段等，產品的設計以及材料的選擇都要考慮到不可靠的因素。在一個新產品的開發過程中，每一個環節和階段出現的問題都會影響產品的可靠性。所以在開發一個產品的過程中，對每一個階段都要引起高度的重視，做好各種評估和測試，確定每一個環節產品的可靠性主要受到哪些因素的影響，產品在開發設計的過程中，所有的材料和特性以及產品的設計參數都會相互影響。因此在設計汽車 MEMS傳感器的時候，可以建立基于階段主導可靠性因素的設計平臺或者模擬設計平臺。通過建立一個模擬的設計平臺，可以對微機電系統和宏觀設備在可靠性方面的要求的差異進行分析。

3.2 建立完整的可靠性因素評價體系和失效模型

通過分析微系統結構本身以及裝配等各種因素對微機電系統的壽命的影響，從失效的原因上來分析傳感器的失效機理和可靠性因素，從而建立有效的失效模型和可靠性的因素評價體系。在建立失效模型的時候，所有的測量都是使用微尺度，而在微尺度下表現出來的表面效應和尺度效應和宏觀范疇的規律并不是完全等同的。在對汽車 MEMS傳感器進行失效分析的時候，要從失效的現象找出失效的原因和失效的機理，從而建立失效模式。在對汽車傳感器的整體可靠性進行分析的時候，應該從多個方面進行考慮，首先是分析在不同階段傳感器的可靠性受到哪些因素的影響，對于同一階段的各種可靠性影響因素，對所有的因素進行重要性分析，找出關鍵因素，最終對主導可靠性因素進行分析。除此之外，還需要對各個因素間的相互關系進行分析。對 MEMS傳感器造成失效的原因主要有機械的沖擊載荷，濕度沖擊以及溫度沖擊等。在對傳感器的可靠性進行研究的時候，應該要重點分析各種物理因素化學因素等對系統和零件造成的影響。

3.3 定量描述傳感器系統壽命分布模型

在設計 MEMS汽車傳感器的時候，需要對傳感器的工作壽命進行研究，此時可以通過定量描述傳感器系統壽命分布模型來確定影響傳感器系統壽命的可靠性因素，從而確定整個系統的工作壽命。一般而言，傳感器的壽命周期主要分為三個階段，初期、中期和末期。其中最關鍵的階段就是中期，這也是傳感器的工作期。在分析傳感器的工作壽命的時候，通過研究影響系統工作壽命的因素來對產品的可靠性進行定量分析。在確定系統傳感器系統的特性曲線的時候，需要確定各種可靠性的參數。在確定參數的時候，可以從傳感器的預期作用和任務要求、傳感器的工作環境，包括自然工作環境的分析和需要承受的機械應力的大小和系統的預期壽命來對系統的可靠性進行定量描述，確定其壽命分布。在描述壽命分布的概念函數的時候，首先應該定義可靠性的計算概念函數，常用的函數有概念密度函數、可靠性函數和失效率。建立函數之后，接下來就是確定可靠性參數，這個參數的確定一般是在實際的實驗中獲得的，采用人為加速老化的實驗。通過實驗獲得可靠性參數之后，根據傳感器的類型建立合適的模型，將實驗的結果外推導實際的使用環境中。通過模擬和實驗的共同方式，最終確定參數對系統的影響量化，從而優化傳感器設計，提高傳感器的使用壽命。

4 結語

在汽車 MEMS傳感器的可靠性設計中，可以使用基于階段主導可靠性因素的傳感器可靠性設計方法，對可靠性因素評估體系和失效模型進行研究和分析，定量描述傳感器系統壽命分布模型對傳感器系統的使用壽命可靠性因素進行分析研究，從而實現汽車 MEMS傳感器的可靠性設計。

參考文獻：

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