摘要：在MEMS加速度計加速壽命試驗及加速性能退化試驗研究的基礎(chǔ)上，對MEMS加速度計在振動環(huán)境下的可靠性技術(shù)進行了研究。通過理論分析MEMS加速度計在振動環(huán)境下的失效模式和失效機理，結(jié)合具體的試驗條件設(shè)計了加速度計加速壽命試驗及加速性能退化試驗方案，并對MEMS加速度計在振動環(huán)境下的失效數(shù)據(jù)分別進行了加速壽命可靠性評估及加速性能退化可靠性評估。研究表明，兩種評估方法得到的評估結(jié)果基本一致；加速性能退化評估方法適用于MEMS加速度計在振動環(huán)境中的可靠性研究，且該方法簡捷、正確可行、節(jié)省試驗費用，為MEMS加速度計在實際應(yīng)用中提供了重要的參考依據(jù)。

微電子機械系統(tǒng)（MEMS）在近十幾年來取得了飛速的發(fā)展，微加速度計是MEMS的一個重要分支，在航空、航天、汽車、國防等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著高新技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代武器裝備的使用環(huán)境越來越嚴(yán)酷，對質(zhì)量和可靠性的要求也越來越高，MEMS加速度計的可靠性保障越來越困難。MEMS加速度計的可靠性問題已成為阻礙它在武器系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的重要因素之一，因此，MEMS加速度計的可靠性研究對于提高MEMS器件的性能、實現(xiàn)其市場化具有極其重要的意義。

國內(nèi)MEMS加速度計研究的主要單位有清華大學(xué)、北京大學(xué)、東南大學(xué)、電子13所、電子49所、航天771和中北大學(xué)等。在研制過程中，國產(chǎn)加速度計暴露出了不同的可靠性問題：如振動沖擊環(huán)境下微結(jié)構(gòu)斷裂問題、零偏問題、溫度漂移問題、偏置穩(wěn)定性問題等等，有的微加速度計甚至在基本測試合格放置一段時間后仍發(fā)生問題。要滿足大批量國產(chǎn)MEMS加速度計應(yīng)用于國防領(lǐng)域多方面的實際需求，開展振動環(huán)境下MEMS加速度計的可靠性研究并將研究結(jié)果應(yīng)用于MEMS加速度計的設(shè)計和制作過程已勢在必行。

1 MEMS加速度計的結(jié)構(gòu)及原理

本文研究的MEMS加速度計為壓阻式硅微加速度計，量程為10 gn，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。MEMS加速度計是由懸臂梁和質(zhì)量塊以及布置在梁上的壓阻組成，呈雙端四梁結(jié)構(gòu)。

圖1 加速度計結(jié)構(gòu)示意圖

MEMS加速度計可簡化為由彈簧、阻尼器、質(zhì)量塊構(gòu)成的二階單自由度振動系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 壓阻式微加速度計模型

當(dāng)有加速度輸入時，質(zhì)量塊由于慣性力作用而發(fā)生位移，位移變化量與輸入加速度的對應(yīng)關(guān)系，可以描述為一個單自由度二階彈簧阻尼振動系統(tǒng)，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型即為：

式中，k為等效彈性系數(shù)，c為等效阻尼系數(shù)，m為等效慣性質(zhì)量，a為輸入加速度?？梢郧蟪鑫灰屏亢洼斎爰铀俣鹊年P(guān)系公式：

其中，q1和q2是積分常數(shù)，決定系統(tǒng)的邊界條件。

2 MEMS加速度計在振動環(huán)境下的失效分析

振動對MEMS加速度計的主要影響是對MEMS加速度計的結(jié)構(gòu)造成損壞。主要是產(chǎn)生裂紋、斷裂（如圖3所示）、磨損、分層和由于振動產(chǎn)生的交變應(yīng)力超過MEMS加速度計所能承受的彈性極限應(yīng)力而造成的破壞，以及長時間振動的交變應(yīng)力造成的累積損傷，使MEMS加速度計發(fā)生疲勞損壞等。

疲勞是材料在交變載荷作用下?lián)p傷逐漸累積并最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的力學(xué)行為。循環(huán)加載一個低于MEMS加速度計材料屈服強度或斷裂強度的振動載荷，這種載荷將在MEMS加速度計的表面產(chǎn)生一個微裂紋，隨著時間變化，將在這一區(qū)域發(fā)生塑性變形，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞，由于MEMS加速度計設(shè)計缺陷，梁的根部應(yīng)力最大，所以斷裂一般首先發(fā)生在梁的根部。疲勞破壞是一個漸進的、累積的過程，疲勞損傷將消耗微加速度計的壽命。疲勞特性可以用S-N疲勞曲線來描述，如圖4所示。

圖3 振動導(dǎo)致MEMS加速度計的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞

圖4 材料的S-N曲線

3 MEMS加速度計在振動應(yīng)力下的試驗

采用振動環(huán)境下的加速壽命試驗，來加速暴露試驗樣品的缺陷和薄弱點，從而使暴露故障的時間大大短于正?？煽啃詰?yīng)力條件下的所需時間。根據(jù)MEMS加速度計的工作極限，確定3個振動恒定應(yīng)力量值分別為30 gn、35 gn、40 gn，按圖5所示的恒定應(yīng)力試驗剖面進行恒定應(yīng)力試驗。試驗樣品：9個結(jié)構(gòu)相同，量程為10 gn的同批次加工的壓阻式MEMS 加速度計；振動載荷：由TV5200多功能校準(zhǔn)試驗裝置提供如圖6所示，9個樣品的失效時間見表1。當(dāng)檢測到MEMS 加速度計零位輸出超出2.4 V ~ 2.6 V范圍時認(rèn)為加速度計失效。無輸出，輸出曲線有明顯偏差，電路板出現(xiàn)裂紋，元器件出現(xiàn)松動等現(xiàn)象均認(rèn)為加速度計失效。在加速退化試驗測試過程中，試驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)退化現(xiàn)象，截取試驗開始到試驗tn時間MEMS加速度計的輸出電壓檢測值（未出現(xiàn)異常）如表2所示，輸出電壓與時間的關(guān)系如圖7所示。

圖5 振動恒定應(yīng)力試驗剖面圖

圖6 振動試驗裝置圖

表1 加速度計在各振動應(yīng)力下的失效時間

表2 MEMS加速度計輸出電壓檢測值

圖7 輸出電壓的測試數(shù)據(jù)

4加速度計的壽命評估

4.1建立基于加速壽命數(shù)據(jù)的加速模型

對表1的失效壽命數(shù)據(jù)進行分布假設(shè)檢驗，選擇擬合最好的（AD 值較小）的Weibull 分布，分布的概率圖如圖8所示，由圖可知，每個應(yīng)力對應(yīng)的失效次數(shù)基本分布在一條直線上，且不同應(yīng)力下的直線近似平行，呈現(xiàn)出平移加速情形，說明MEMS加速度計在加速壽命試驗的過程中失效機理未發(fā)生變化。

圖8 失效壽命的分布檢驗結(jié)果

根據(jù)表1列出的3個恒定沖擊應(yīng)力下樣本的失效沖擊次數(shù)，運用最小二乘法統(tǒng)計計算得到Weibull分布下的參數(shù)估計值，結(jié)果如表3所示。

表3 Weibull分布的參數(shù)估計值

對于振動作為加速應(yīng)力的加速壽命試驗，其加速模型可用逆冪率模型來描述，產(chǎn)品平均壽命η與振動應(yīng)力S的關(guān)系為：

兩邊取對數(shù)有：

采用逆冪律模型建立尺度參數(shù)η的加速模型，如圖9所示，其表達式如下：

圖9 尺度參數(shù)的加速方程

4.2建立基于性能退化試驗數(shù)據(jù)的加速模型

根據(jù)加速度計的實際應(yīng)用要求，將失效判據(jù)設(shè)為輸出電壓值超過2.6V。對表2所示的退化數(shù)據(jù)進行擬合，當(dāng)樣本的輸出電壓值等于失效閾值Df=2.6 V時，記錄失效壽命時間如表4所示。得到偽失效壽命數(shù)據(jù)后，建立加速模型的方法同上，得到加速方程如式6所示：

表4 各樣本性能退化模型參數(shù)估計與失效壽命

4.3壽命評估

由于陸地運輸環(huán)境主要由車體的支撐和結(jié)構(gòu)同路面平度作用而引起的寬帶隨機振動組成。一般來說，拖車的振動譜具有突出的隨機性，在各種離散頻率外還有很多峰和谷。這種環(huán)境可以用類似于GJB150.16-86 中圖34的譜進行模擬，取S0=7.698 gn。根據(jù)式5求得的加速模型，基于加速壽命試驗結(jié)果外推正常使用條件下的參數(shù)為：

可靠度函數(shù)為：

根據(jù)式（6）求得的加速模型，基于加速性能退化試驗結(jié)果外推正常使用條件下的參數(shù)為：

可靠度函數(shù)為：

圖10所示，為使用兩種可靠性評估方法外推得到的可靠度曲線，分別為MEMS 加速度計樣本基于加速壽命和基于退化軌跡時的可靠度曲線。由圖可知，兩種假設(shè)分布得到的可靠度曲線形狀比較接近，驗證了采用兩種方法對MEMS 加速度進行可靠性評估的可行性；由于加速壽命評估通過獲取高應(yīng)力下的失效壽命時間來折算正常應(yīng)力下的失效時間，故其評估結(jié)果較性能退化評估結(jié)果更精確。

圖10 可靠度曲線

5結(jié)論

本文根據(jù)MEMS加速度計的應(yīng)用背景，提出了振動應(yīng)力下MEMS加速度計的加速壽命評估方法和加速性能退化評估方法。綜合比較：加速壽命評估方法適用于容易獲取失效壽命的情況，計算過程簡單，計算結(jié)果更精確；加速性能退化評估方法能夠充分應(yīng)用測試過程提供的壽命信息，節(jié)省了試驗時間及試驗費用，但該方法需要根據(jù)退化軌跡模型外推偽失效壽命，可能會影響評估精度。試驗和評估結(jié)果表明：兩種方法能有效的評估MEMS加速度計的壽命，且其簡捷易行，可信度高，為MEMS加速度計在實際應(yīng)用中提供了重要的參考依據(jù)。