溫濕度環境下高量程加速度計可靠性研究

陳員娥，劉晴晴，馬喜宏* ，李長龍

(1.儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，中北大學，太原030051;2.中北大學電子測試技術國防科技重點實驗室，太原030051)

高量程加速度計在應用時，通常伴隨有高過載(發射過載、落地過載)、高沖擊(侵徹混凝土、鋼板等硬目標)、潛射(高壓海水浸泡、鹽霧腐蝕)、高溫、低溫等復雜的工作環境［1］。在復雜的工作環境中，加速度計隨時可能發生故障，導致無法記錄彈體的動態信息。因此在實驗室對其進行復雜環境的可靠性試驗顯得尤為重要。而一直以來，人們對產品進行環境模擬試驗時，大多采用單項環境的試驗方法，即在某一時間內只對一種產品施加一項環境條件，如單項濕度試驗、單項溫度試驗等，很少在某一時間內同時對一種產品施加兩項以上環境條件。實際上，單一環境條件下可靠性很高的產品，在實際試驗中仍不斷出現故障，即其實際可靠性很低。因此，本文分析溫濕度綜合環境對高量程加速度計輸出的影響，并對傳感器在溫濕度環境下的可靠性進行評估［2－3］。

1 溫濕度綜合環境下的失效分析

高量程壓阻式加速度計的內部模型如圖1所示，其量程為150 000 gn，主要用于惡劣環境下的加速度測量。

圖1 加速度計內部芯片模型圖

圖2為該高量程硅微加速度計封裝后圖形，其由硅片與玻璃鍵合，金或鋁引線鍵合等工藝制成［4］，由于加工工藝的影響，加工后的微加速度計不可避免殘留有殘余應力在器件中［5］。當溫度發生變化時，因微加速度計中包含的多種材料熱膨脹系數不同，就會在不同材料的交界面處產生壓縮或拉伸應力，該溫度應力會劣化殘余應力對微加速度計的影響，增加微加速度計的內部應力［6］。

圖2 高量程硅微加速度計外部封裝圖

在濕度較高的環境下，微加速度計微表面會聚集水汽，水汽冷凝后會導致結構殘余應力的增加。若兩個表面相互接近，它們之間相對濕度的增大將導致毛細力的增大，當結構與襯底之間的粘著作用大于使微結構產生變形的彈性恢復力時，微結構無法脫離襯底，此時將會發生粘附，如圖3所示，最終導致結構失效［7］。在進行溫度、濕度綜合環境下時，高溫引起的溫度應力，使結構承受的總應力增加，濕度和腐蝕性氣體造成表面腐蝕，形成疲勞源;由于膨脹系數的差異，溫度引起結合面的分離，而潮氣侵入這些間隙成為潤滑劑，結合面間的摩擦系數大大減小，造成動響應增加，從而增加了動應力，像這樣通過吸濕、凍結的反復過程，大大增加了高量程加速度計故障發生的幾率。

圖3 兩種不同的粘附結構

2 高量程加速度計可靠性試驗

針對該高量程加速度計的使用溫度和濕度范圍，設計了綜合環境試驗剖面，如圖4所示［8］。綜合環境試驗的溫度剖面是在溫度工作極限之間的循環，每一溫度極限上的最小保持時間為10 min。試驗時，選取4只高量程加速度計進行溫濕度綜合試驗，溫度變化從60℃開始直至失效，相對濕度從60%F.S至90%F.S變化，從初始溫度60℃開始增加溫度，每一溫度極限最小保持30 min，每次溫度試驗保持濕度不變，對試驗結果進行數據擬合，結果如圖5所示。

圖4 溫度步進濕度恒定綜合環境剖面圖

圖5 輸出電壓與溫度－濕度關系

如圖5(a)和圖5(c)分別為其中2只加速度計在濕度為80%F.S和90%F.S時整個溫度范圍的輸出情況，從中可以看出加速度計在110℃時輸出出現異常，逐漸升溫至120℃輸出幾乎為0;圖5(b)和圖5(d)為其中2只加速度計在110℃輸出出現異常后再恢復溫度時的輸出情況，從中可以看出當溫度降至100℃時輸出開始恢復正常。實驗結果發現2只樣品在110℃輸出異常，將溫度恢復至60℃，加速度計輸出正常;4只樣品在120℃時輸出均出現異常，將溫度恢復至110℃，對產品再次進行復測，加速度計的輸出仍異常，因此判定:相對濕度為(80～90)%F.S環境下，該微加速度計在溫度－濕度綜合環境下的工作極限溫度為110℃，破壞極限溫度為120℃。

利用以上試驗結果設計了傳感器的工作極限和濕度再次進行恒溫－恒濕綜合環境試驗:因加速度計的溫度破壞極限為120℃，因此設定試驗溫度為90 ℃、100 ℃、110 ℃，相對濕度(90～95)%F.S，對同一批次的9只加速度計進行試驗。試驗結果得出高量程加速度計的累積失效時間:在溫度90℃時，樣品1、2、3 的失效時間分別為:240 h、232 h 、200 h;在溫度100℃時，樣品4、5、6的失效時間分別為:144 h、128 h、132 h;在溫度 110 ℃時，樣品7、8、9 的失效時間分別為:60 h、52 h、72 h。溫度越接近傳感器的工作極限，其失效時間越短。對失效的加速度計進行分析，發現微加速度計的主要失效原因為芯片質量塊與鍵合玻璃之間的粘附，如圖6所示。

圖6 芯片粘附失效圖

3 高量程加速度計可靠性評估

為了縮短可靠性試驗時間，采用高加速應力對加速度計進行壽命試驗，采用兩參威布爾分布(2-PWD)對其進行評估［9］。在對傳感器進行可靠性評估時，首先確定各應力下形狀和尺度參數;由于不同環境下傳感器的壽命數據不一致，因此需要將不同環境下的壽命數據折算到同一環境下，因此需要折算壽命數據;然后進行假設檢驗，最后進行可靠性評估，求得傳感器在溫度－濕度綜合環境下的可靠性曲線和失效概率分布曲線。

3.1 各應力形狀參數和尺度參數估計

恒定應力水平為在T1=363 K，T2=373 K和T3=383 K濕度下試驗樣品的失效時間見表1，運用最小二乘法對三組試驗數據進行處理可得3組應力下形狀參數和尺度參數的點估計，如表2所示。

表2 各應力下分布參數的最小二乘估計值

由于各應力的形狀參數已經求出，所以采用加權平均方法可以求出形狀參數:

3.2 壽命數據折算

不同環境下壽命數據的綜合需要利用環境因子。引入環境因子的目的主要是將某一環境的壽命數據折算到另一環境下的壽命數據，實現增加子樣數。因此，環境因子的定義需要滿足如下3個假設條件。

假設1 不同應力等級下壽命分布不發生，并且產品的失效機理不發生變化;

假設2 不同壽命分布(指數、威布爾、對數正態和正態分布)滿足1提出的加速模型;

假設3 產品的剩余壽命僅與當時已累積失效的部分和應力水平有關與累積方式無關。

根據假設3定義環境因子，即產品在應力Ti下，工作了時間ti積累的失效概率為Fi(ti)，相當于此產品在應力Tj下，工作了時間tj所積累的失效概率Fj(tj)，即當Fi(ti)=Fj(tj)時，則環境i對環境j的環境因子:

由式(1)可得，加速方程為阿倫尼斯模型下反應論環境因子為:

根據式(2)可得三個不同環境(T1=363 K，T2=373 K和T3=383 K)下的壽命數據折算到正常環境(T0=300 K)的壽命數據:

則將與試驗應力水平T1、T2、T3的失效時間相乘得出正常環境下T0時微加速度計的等效失效累積時間，此時子樣數為9。

3.3 假設檢驗—F檢驗

在可靠性分析中，確定產品的壽命分布是一項基礎性工作之一。特別是在有限數據下分析產品的可靠性時，由于采用非參數估計的精度非常低，故采用參數估計。鑒于壽命數據存在較大分散性，可能同時服從幾種分布。因此，先假定疲勞壽命服從某一分布，再通過合理的評價標準進行檢驗是一種有效的統計方法。本處將威布爾分布轉化為標準線性函數，之后運用F檢驗法對產品在有限數據下的壽命分布服從兩參威布爾分布進行定量評價［10］。

經計算可得 RXY＞Rc且|RXY|=0.966 224，結合總體合效果理論可知所選的統計分布能夠成立。

3.4 可靠度評估

根據正常環境下的等效失效累積時間，可得正常環境應力(T0=300 K)下的估計結果:

圖7 可靠性曲線

由兩參威布爾分布對高量程加速度傳感器進行可靠性分析，得到的可靠度及失效概率分布曲線發現［12］，隨著溫度的升高傳感器的可靠度逐漸降低，相應的失效概率逐漸升高。即在溫濕度綜合環境下，隨著溫度的升高，傳感器各種材料的熱膨脹系數的差異發生伸縮，在結合部位發生松動分離，此時施加濕度，潮氣就會在縫隙間侵入，使結合部和連接處的摩擦系數降低，造成動響應增加，從而增加了動應力，像這樣通過吸濕、凍結的反復過程使得傳感器的可靠度逐漸降低，失效概率增大。

4 結論

本文通過對高量程加速度傳感器施加溫度－濕度綜合環境應力，分析溫濕度環境對加速度計的影響，得出微加速度計在溫度－濕度綜合環境下的工作極限溫度為110℃，破壞極限溫度為120℃，其在溫濕度環境下主要失效模式為粘附。并利用兩參威布爾分布對加速度計進行了可靠性評估，描繪出高量程加速度傳感器在綜合環境應力下的可靠度曲線及失效概率曲線。

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