微加速度计在恶劣环境下的可靠性

　　1 引言

　　硅微加速度计是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器, 它可用于测量载体的加速度, 并提供相关的速度和位移信息。硅微加速度计可以和微型陀螺仪组合构成微型惯性测量单元(MIMU), 用于战术武器、智能炮弹的制导系统, 微小卫星的测控系统, 以及汽车、机器人等的测控系统中。一方面, 微加速度计具有许多传统加表所不具有的特点; 另一方面, 它又在技术成熟度上无法和传统加表相比拟。MEMS 是集微型精密机械、微电子学、半导体集成电路工艺等新技术于一身的世界前沿性新技术, 基于MEMS 技术的微加速度计具有体积小、重量轻、可批量制造、成本低、一致性高以及可与IC 集成等突出特点; 但同时, MEMS 技术还远未成熟, 与之相类似, 微加速度计的制造和设计也远未标准化。往往一类微加速度计的设计和生产需要依赖设计工程师和工艺工程师的通力合作, 而不能像IC 设计那样做到标准化。

　　微加速度计可靠性问题已经成为阻碍它在武器系统中广泛应用的首要因素。微加速度计的可靠性研究对于提高 MEMS 器件的性能、实现其市场化具有极其重要的意义。宏观可靠性试验结果分析得知, 外部连接是造成系统可靠性降低的“罪魁祸首”。与宏观系统相比, MEMS 的一个突出特点就是实现了高度集成, 大大减少了系统的外部连接, 因而具有高可靠性的特点。但到目前为止, 却没有一个微器件能够像宏观的军用器件尤其是电子器件一样给出可靠性指标。对于视质量为第一生命的军用武器系统而言, 将一个没有可靠性指标的器件作为关键器件来使用, 其困难度是可想而知的。

　　对微加速度计在恶劣环境条件下的可靠性技术研究, 有下列目的:1) 研究微器件的各种失效机理, 建立微加速度计在各种恶劣环境条件下对应的失效模型, 为避免微加速度计发生失效, 提高其可靠性提供理论依据; 2) 确定微加速度计在各种恶劣环境中工作时发生失效的规律, 作为使用规范的依据。

　　2 失效模式

　　本文针对压阻式悬臂梁式的微加速度计进行可靠性研究,其设计结构如图1 所示, 加工好的结构如图2 所示。

　　由于加速度计常常都是用作敏感元件, 在航天测控、侵彻、常规弹药制导和汽车安全气囊等领域都具有非常重要的应用。鉴于加速度计的应用领域, 我们可以知道加速度计的工作环境是非常恶劣的, 包含振动、冲击、湿度、温度循环、高低温、过载和电磁辐射及其这些环境的综合等。

　　2.1 振动环境条件下的失效模式

　　振动是微加速度计的主要可靠性问题。由于 MEMS 产品的感和脆弱的特点, 外部的振动会产生灾难性的影响。或者产生粘附失效, 或者产生断裂失效。对于悬臂梁式的压阻式加速度计的主要失效模式是断裂失效。长期的振动也会造成疲劳失效。尤其是在航天应用领域, 振动是必须要考虑的。