高量程微加速度計的可靠性強化實驗及分析

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成為產品商業化過程中必須解決的一個重要問題，而沖擊環境作用下導致微加速度計性能失效是微加速度計經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行可靠性研究。利用ANSYS有限元仿真進行分析初步得到失效模式和機理，設計并實施了微加速度計在沖擊環境下的可靠性強化實驗得到在沖擊環境下的主要失效模式，并進行了相應分析，通過實驗得到數據進行微加速度計的可靠性評估。通過可靠性強化實驗進行驗證，對微加速度計在沖擊環境下的可靠性進行評估，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。

關鍵詞： 高量程微加速度計； 失效分析； 可靠性強化實驗； ANSYS仿真； 可靠性評估； 沖擊環境

中圖分類號： TN303?34； TB114.3 文獻標識碼： 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境和應用領域的要求，需要具備極高的可靠性和很強的可靠壽命。為了在試驗中測試分析其可靠性及壽命，采用可靠性強化試驗技術進行研究。可靠性強化試驗技術把故障物理學作為理論依據，人為地對系統施加逐步增加的工作和環境應力，使得產品故障被激發出來，產品設計中的薄弱環節得以暴露，已達到早期發現產品缺陷和糾正的目的。由于可靠性強化試驗所施加的環境應力遠遠超出設計規范極限，所以可以將導致產品失效的各類缺陷時間很短，激發缺陷的效率很高，能有效地降低高品質產品的開發周期?？煽啃詮娀囼灢煌趥鹘y的可靠性增長過程依賴于緩慢的自然反饋來實現[1?2]，它在設計時就能夠評價出產品的可靠性。

1 微加速度計失效分析

對于MEMS微加速度計器件，沖擊是系統受到瞬態激勵而振動是運動量的振蕩現象[3]。沖擊能導致加速度計產生粘附、斷裂和分層等失效，并且沖擊還會導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構建結構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。根據圖1可以看出，微懸臂梁傳感器的危險區域是：梁和框架的連接部分兩端、梁和質量塊的連接部分兩端。這些區域中，結構所受應力最大，如果危險區域的應力大于硅材料許用應力，傳感器滿量程工作時整個傳感器結構就遭到破壞。圖1顯示結構最大應力為65.2 MPa，遠小于硅的許用應力340 MPa，因此該結構在滿量程（1×105 g）范圍內可以正常工作。

為了分析梁的哪端先達到最大應力，各取梁兩端的兩個應力最大值點進行分析，如圖2所示，將各點的應力變化情況繪制在圖3中，由此判斷梁先從其根部開始發生斷裂，該微加速度計結構的多數斷裂會發生在固定一方的底部，而不是質量塊根部，固定端和質量塊端應力值如圖4所示。

進一步求解得到，當結構受4.97×105 g加速度作用時，結構應力達到許用應力，如圖5所示。器件過載損壞的原因在于大的加速度使質量塊發生大的位移，使梁上應力超過許用應力，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計及試驗結果

2.1 沖擊步進應力試驗設計

沖擊步進應力試驗用到的試驗設備是標準霍普金森桿測試系統 [5]，如圖6所示。試驗剖面如圖7所示，試驗起始沖擊量級設為1×105 g，步長為1×104 g，每次沖擊后利用外接電路進行功能性能檢測和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。當被測產品的輸出不正常時，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，可得到試驗結論。

通過對傳感器施加沖擊應力，樣品在2×105 g時，傳感器輸出出現異常，在2.5×105 g時，傳感器沒有輸出，對其進行失效分析，發現芯片發生破裂現象，見圖9。

實驗時總共對5只傳感器進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的范圍內均出現了失效，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測試儀進行分析，發現微加速度計的懸臂梁發生梁斷裂現象，見圖9。

2.2 沖擊恒定應力試驗

沖擊恒定應力試驗是在沖擊步進應力試驗的基礎上，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力環境下的工作極限與破壞極限。此沖擊試驗的主要試驗設備為馬歇特錘試驗機[7]，如圖14所示。沖擊恒定應力試驗如圖15所示，選取恒定加速應力水平為1.2×105 g，1.4×105 g和1.6×105 g。將一定數量的樣品分為幾組，各組分別固定在一定的應力水平下進行試驗，要求選取的應力水平都高于正常應力水平，試驗到各組樣品都有一定數量的產品發生失效為止[8]。

加速度傳感器在3.4×104 g的沖擊下都工作正常，測試結果正常，沒有發生失效。接著對加速度計進行恒定應力破壞試驗，選取結構相同的3組同批次加工的傳感器，按照圖7設計的恒定應力試驗剖面進行試驗。試驗結果見表1，梁斷裂照片見圖16。

3 可靠性分析與評估

3.1 步進應力可靠性評估

加速度傳感器在沖擊下的可靠性，采用應力?強度隨機變量模型。這個是靜態模型，忽略了時間因素，認為應力和強度不隨時間變化。這是一種理想化的情況，但對于具有瞬態性質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到最大時可以達到最大值，即在脈沖時間的中點上，此時最大響應發生在強迫振動階段。

應力在加速度計梁的根部出現最大值，即[x=0]時，應力最大。利用應力強度干涉理論[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]也服從正態分布，得到可靠度的表達式：

3.2 恒定沖擊應力下的壽命評估

3.2.1 形狀參數和尺度參數估計

高g值加速度傳感器沖擊恒定應力水平為S1=1.2×105 g，S2=1.4×105 g，和S3=1.6×105 g，利用參數估計方法對恒定應力的試驗數據進行處理可得三組應力下形狀參數和尺度參數的點估計，如表2所示。各沖擊應力水平下可靠度曲線如圖18所示。

3.2.2 不同應力水平下的壽命數據折算

對某一工作應力水平下產品的可靠性評估，需要利用環境因子把不同應力環境下的壽命數據折算到同一應力環境下。應力Si對應力Sj的環境因子折算公式如下[11]：

3.2.3 壽命估算

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

4 結 論

利用有限元仿真軟件對微加速度計仿真初步得出產品的失效模式和失效機理。設計相應的可靠性強化實驗對微加速度計施加步進沖擊和恒定沖擊應力試驗，得到在沖擊影響下微機械加速度傳感器的主要失效模式是沖擊能導致加速度計產生黏附、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。并且由兩參數威布爾分布對微加速度計進行可靠性分析，對傳感器的可靠性特征值進行了估計，得出傳感器在沖擊應力下的平均壽命、可靠壽命以及可靠度曲線。由結果可知，在1×105 g的沖擊作用下，傳感器的平均壽命約為30次，當傳感器使用可靠度達到0.9時，傳感器可使用的次數為29次。

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