基于故障樹分析的薄膜壓力傳感器可靠性

范迎新 何峰 藍鎮立

（中國電子科技集團公司第四十八研究所 湖南省長沙市 410110）

1 簡介

壓力傳感器廣泛應用于工業過程、信息裝備、武器裝備等領域，壓力傳感器產值占世界傳感器市場份額的第一位，用量僅次于溫度傳感器。其中濺射薄膜壓力傳感器由于具有優越的耐惡劣環境、良好的抗沖擊能力、溫漂小、精度高等特點，已成為壓力傳感器的主要發展方向，成為國內外研究熱點[1][2]。

但是濺射薄膜壓力傳感器設計因素復雜，影響其可靠性不確定因素較多。因此，如何加強可靠性設計，是濺射薄膜壓力傳感器應用的關鍵問題之一。故障樹分析法（Fault Tree Analysis，簡稱FTA）是傳感器可靠性分析的有效工具，通過故障樹分析法，找出產品薄弱環節，為改善和評估產品可靠性提供有益數據，可進一步提高傳感器的可靠性。

2 故障樹基本概念

通過分析可能造成產品故障的硬軟件、人為、環境等因素，畫出相應的故障樹，從而確定產品出現故障原因的各種可能組合方式及發生概率，這種分析技術叫故障樹分析。它是以圖形的方式表明“產品是怎樣失效的”[3][4]。

其一般步驟如下：

2.1 熟悉系統

必須深入學習產品的設計原理、電氣性能、使用環境、失效模式等。廣泛搜集實際故障診斷的第一手資料，分析、歸納并提煉出典型故障，建立故障癥狀與故障原因集。

2.2 選擇頂事件

選好頂事件非常重要，有利于使整個系統故障分析相互聯系起來。頂事件選擇依據有兩點：一是找出所有故障模式，選擇對產品影響最大的故障模式作為頂事件；二是頂事件必須能夠分解成若干獨立的事件，以供分析。

2.3 建造故障樹

找出故障癥狀，故障原因的層級關系，確定構建連接事件與事件的邏輯結構圖，即故障樹，把系統最不希望發生的故障事件作為故障分析的目標。

目前建樹方法有兩種，一種是計算機輔助法，另一種是最常用的演繹法，首先選擇合適頂事件；再找出所有可能引起頂事件發生的事件原因，如設計缺陷、工藝問題、物料原因等；然后再深入挖掘引起各個子事件的下一層子事件原因，直至找到最底層的事件原因，稱為底事件，才算完成失效分析的初步過程；最后，將頂事件與各個事件用清晰明了邏輯符號連接，故障樹就構建完成。

2.4 故障樹分析

通過該分析技術，幫助設計、生產人員發現潛在的故障，用于指導產品優化設計、故障判斷和維修方案，提高產品可靠性。

3 故障樹分析在薄膜壓力傳感器可靠性研究中的實際運用

薄膜壓力傳感器的工作原理是采用離子束濺射工藝在彈性體上制備四個薄膜合金電阻，構成惠斯通電橋。壓力P 作用在彈性體上，使彈性體產生變形，彈性體變形使電阻阻值發生變化，使惠斯通電橋輸出與壓力成比例的電信號。其原理圖如圖1 所示。

表1：薄膜壓力傳感器失效模式

表2：傳感器故障次數統計表

圖1：薄膜壓力傳感器的基本原理圖

圖2：薄膜壓力傳感器調理電路

在信號調理方面，采用高精密儀用放大器對差分信號進行放大，通過滿量程和零點偏移調整，輸出標準電壓信號。電路原理圖見圖2。

圖3：薄膜壓力傳感器故障樹分析圖

結合薄膜壓力傳感器配套某武器裝備系統出現的故障情況，應用故障樹理論，以輸出信號異常為頂事件進行故障診斷研究，選定“壓力傳感器故障”作為傳感器故障樹的頂事件。圖3 是薄膜壓力傳感器故障樹分析圖，選定“E1調理電路故障”、“E2 敏感芯體故障”、“E3 結構故障”作為傳感器故障樹的第二級事件。

通過對薄膜壓力傳感器的故障樹分析，找出3 大類21 小類的常見傳感器失效機理模型，具體見表1。為了更好地制定傳感器可靠性改進的方案，通過對近萬只交付薄膜壓力傳感器的故障現象進行了分析，對其發生原因及頻率進行統計。結果如表2 所示。

由表2 可知，調理電路失效、敏感芯體失效及結構件失效是薄膜壓力傳感器產生故障的主要原因。下面我們針對失效多發的模式進行深入地研究分析，找出具體的失效機理。

薄膜壓力傳感器調理電路故障是最多的。包括穩壓器件、運算放大器、電阻、電感等失效。經統計分析，這些電子元器件的失效，一方面是由于元器件自身存在質量問題，因此，需要從元器件的選型和采購源頭上解決，并進一步通過裝機前的篩選試驗來加強質量管控，提高元器件的可靠性。另一方面，由于元器件受到強電磁干擾、靜電放電以及電壓過載等影響，導致元器件性能下降甚至發生不可逆的損傷，造成傳感器工作可靠性差和故障的主要原因之一。針對這種情況，在電路設計時需充分考慮傳感器的EMC 設計，提高產品的抗電磁干擾和抗靜電損傷的能力，同時，需要兼顧產品的冗余設計，確保產品在工作過程中發生意外導致激勵電壓變大、超出產品正常工作電壓情況下不損壞，甚至可正常工作。因此，合理的電路設計和元器件選型，不僅可以提高產品可靠性，在使用壽命、后期維護維修成本、性價比上均會有顯著改善，帶來更好的經濟和社會效益。

薄膜壓力傳感器敏感芯體是基于半導體工藝制備而成，其核心是壓敏薄膜電阻的性能穩定性。從敏感芯體故障原因中發現薄膜電阻變化引起傳感器故障占主要因素。影響薄膜電阻穩定性的原因包括壓敏芯片的內應力釋放，靜電損傷等。針對內應力釋放問題，可通過熱處理和溫度循環方法加速應力釋放，提高薄膜芯體穩定性。靜電損傷一直以來都是電子元器件故障發生的最主要原因之一，特別是在我國的北方，靜電現象十分嚴重，因此，一方面通過優化設計和工藝方法提高壓敏芯體抗靜電能力，另一方面在使用過程中還需要采取有效的靜電防護措施，避免產品在安裝、儲運、使用過程中發生靜電損傷事件。

此外，由于焊接熔深、密封等問題導致的結構故障也是傳感器失效的主要原因。這些故障主要與傳感器的金屬結構焊接工藝和設備相關，焊接參數的合理性、環境溫濕度控制、設備性能狀態、焊接件表面清潔度等都會對焊接的結果造成影響。需要設備維護保養人員定期和不定時的進行檢查與巡檢，排除設備的不穩定因素，需要工藝人員對焊接件進行焊接試驗與驗證，確保足夠的強度冗余，需要在溫濕度可控的環境下進行焊接操作，避免溫濕度對設備狀態和焊接件表面質量造成不利影響。

4 結論

本文采用故障樹分析法對薄膜壓力傳感器發生故障的模式和原因進行了梳理，總結歸類出3 大類21 小類的常見傳感器失效機理模型。結合產品失效統計情況，分別從傳感器芯體、信號調理電路、結構這三方面對傳感器的故障原因進行分析，得到薄膜壓力傳感器的主要故障原因，并針對故障原因提出了改進措施及建議。