复合量程微加速度计动态特性分析

秦立君 马喜宏 王威 何程

摘 要： 由于微加速度计的可靠性已经成为产品商业化过程中必须解决的一个重要问题，而冲击环境作用下导致微加速度计性能失效是微加速度计经常要面对的主要问题。针对高冲击对微加速度计破坏的影响进行可靠性研究。利用ANSYS有限元仿真进行分析初步得到失效模式和机理，设计并实施了微加速度计在冲击环境下的可靠性强化实验得到在冲击环境下的主要失效模式，并进行了相应分析，通过实验得到数据进行微加速度计的可靠性评估。通过可靠性强化实验进行验证，对微加速度计在冲击环境下的可靠性进行评估，并折算出在冲击影响作用下的平均寿命和可靠寿命以及绘制出其可靠度曲线。

关键词： 高量程微加速度计； 失效分析； 可靠性强化实验； ANSYS仿真； 可靠性评估； 冲击环境

中图分类号： TN303?34； TB114.3 文献标识码： A 文章编号： 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

高量程微加速度计由于使用环境和应用领域的要求，需要具备极高的可靠性和很强的可靠寿命。为了在试验中测试分析其可靠性及寿命，采用可靠性强化试验技术进行研究。可靠性强化试验技术把故障物理学作为理论依据，人为地对系统施加逐步增加的工作和环境应力，使得产品故障被激发出来，产品设计中的薄弱环节得以暴露，已达到早期发现产品缺陷和纠正的目的。由于可靠性强化试验所施加的环境应力远远超出设计规范极限，所以可以将导致产品失效的各类缺陷时间很短，激发缺陷的效率很高，能有效地降低高品质产品的开发周期。可靠性强化试验不同于传统的可靠性增长过程依赖于缓慢的自然反馈来实现[1?2]，它在设计时就能够评价出产品的可靠性。

1 微加速度计失效分析

对于MEMS微加速度计器件，冲击是系统受到瞬态激励而振动是运动量的振荡现象[3]。冲击能导致加速度计产生粘附、断裂和分层等失效，并且冲击还会导致加速度计的封装外壳的断裂及金属引线的脱落等[4]。

利用ANSYS构建结构模型在传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。根据图1可以看出，微悬臂梁传感器的危险区域是：梁和框架的连接部分两端、梁和质量块的连接部分两端。这些区域中，结构所受应力最大，如果危险区域的应力大于硅材料许用应力，传感器满量程工作时整个传感器结构就遭到破坏。图1显示结构最大应力为65.2 MPa，远小于硅的许用应力340 MPa，因此该结构在满量程（1×105 g）范围内可以正常工作。

为了分析梁的哪端先达到最大应力，各取梁两端的两个应力最大值点进行分析，如图2所示，将各点的应力变化情况绘制在图3中，由此判断梁先从其根部开始发生断裂，该微加速度计结构的多数断裂会发生在固定一方的底部，而不是质量块根部，固定端和质量块端应力值如图4所示。

进一步求解得到，当结构受4.97×105 g加速度作用时，结构应力达到许用应力，如图5所示。器件过载损坏的原因在于大的加速度使质量块发生大的位移，使梁上应力超过许用应力，从而引起梁的塑性形变或断裂。

2 微加速度计的可靠性试验设计及试验结果

2.1 冲击步进应力试验设计

冲击步进应力试验用到的试验设备是标准霍普金森杆测试系统 [5]，如图6所示。试验剖面如图7所示，试验起始冲击量级设为1×105 g，步长为1×104 g，每次冲击后利用外接电路进行功能性能检测和1次上下电功能测试。保证每次上下电后功能、性能可以完全恢复。当被测产品的输出不正常时，方可停止试验[6]。图7中：t1表示霍普金森杆试验时间；t2表示功能性能检测和上下电功能测试时间。图8是1.5×105 g时测得的信号，可得到试验结论。

通过对传感器施加冲击应力，样品在2×105 g时，传感器输出出现异常，在2.5×105 g时，传感器没有输出，对其进行失效分析，发现芯片发生破裂现象，见图9。

实验时总共对5只传感器进行霍普金森杆冲击试验，其中部分冲击信号波形图见图10～图12。5只传感器在2×105～2.6×105 g的范围内均出现了失效，传感器外壳完好，没有明显损伤。传感器失效模式主要有：芯片破碎和梁发生断裂、键合引线的脱落等，如图13所示。对失效后的加速度传感器利用拉曼光学测试仪进行分析，发现微加速度计的悬臂梁发生梁断裂现象，见图9。

2.2 冲击恒定应力试验

冲击恒定应力试验是在冲击步进应力试验的基础上，通过对其施加一定量值的g值来测出加速度传感器在恒定应力环境下的工作极限与破坏極限。此冲击试验的主要试验设备为马歇特锤试验机[7]，如图14所示。冲击恒定应力试验如图15所示，选取恒定加速应力水平为1.2×105 g，1.4×105 g和1.6×105 g。将一定数量的样品分为几组，各组分别固定在一定的应力水平下进行试验，要求选取的应力水平都高于正常应力水平，试验到各组样品都有一定数量的产品发生失效为止[8]。

加速度传感器在3.4×104 g的冲击下都工作正常，测试结果正常，没有发生失效。接着对加速度计进行恒定应力破坏试验，选取结构相同的3组同批次加工的传感器，按照图7设计的恒定应力试验剖面进行试验。试验结果见表1，梁断裂照片见图16。

3 可靠性分析与评估

3.1 步进应力可靠性评估

加速度传感器在冲击下的可靠性，采用应力?强度随机变量模型。这个是静态模型，忽略了时间因素，认为应力和强度不随时间变化。这是一种理想化的情况，但对于具有瞬态性质的冲击载荷是非常适用的。

加速度计的位移在冲击加速度达到最大时可以达到最大值，即在脉冲时间的中点上，此时最大响应发生在强迫振动阶段。

应力在加速度计梁的根部出现最大值，即[x=0]时，应力最大。利用应力强度干涉理论[9][P=P（S>；σ）=][0∞f（σ）σ∞g（S）dSdσ]建立微加速度计在冲击下的可靠性模型。令[z=S-σ]也服从正态分布，得到可靠度的表达式：

3.2 恒定冲击应力下的寿命评估

3.2.1 形状参数和尺度参数估计

高g值加速度传感器冲击恒定应力水平为S1=1.2×105 g，S2=1.4×105 g，和S3=1.6×105 g，利用参数估计方法对恒定应力的试验数据进行处理可得三组应力下形状参数和尺度参数的点估计，如表2所示。各冲击应力水平下可靠度曲线如图18所示。

3.2.2 不同应力水平下的寿命数据折算

对某一工作应力水平下产品的可靠性评估，需要利用环境因子把不同应力环境下的寿命数据折算到同一应力环境下。应力Si对应力Sj的环境因子折算公式如下[11]：

3.2.3 寿命估算

当加速度传感器寿命服从两参威布尔分布时，则在冲击应力S0=1×105 g下可靠性特征值计算公式分别为[13]：

4 结 论

利用有限元仿真软件对微加速度计仿真初步得出产品的失效模式和失效机理。设计相应的可靠性强化实验对微加速度计施加步进冲击和恒定冲击应力试验，得到在冲击影响下微机械加速度传感器的主要失效模式是冲击能导致加速度计产生黏附、断裂和分层等失效，并且冲击还会引起加速计的外壳的破裂和金属线的剥落等。并且由两参数威布尔分布对微加速度计进行可靠性分析，对传感器的可靠性特征值进行了估计，得出传感器在冲击应力下的平均寿命、可靠寿命以及可靠度曲线。由结果可知，在1×105 g的冲击作用下，传感器的平均寿命约为30次，当传感器使用可靠度达到0.9时，传感器可使用的次数为29次。

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