温湿度环境下高量程加速度计可靠性研究

陈员娥，刘晴晴，马喜宏* ，李长龙

(1.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，中北大学，太原030051;2.中北大学电子测试技术国防科技重点实验室，太原030051)

高量程加速度计在应用时，通常伴随有高过载(发射过载、落地过载)、高冲击(侵彻混凝土、钢板等硬目标)、潜射(高压海水浸泡、盐雾腐蚀)、高温、低温等复杂的工作环境［1］。在复杂的工作环境中，加速度计随时可能发生故障，导致无法记录弹体的动态信息。因此在实验室对其进行复杂环境的可靠性试验显得尤为重要。而一直以来，人们对产品进行环境模拟试验时，大多采用单项环境的试验方法，即在某一时间内只对一种产品施加一项环境条件，如单项湿度试验、单项温度试验等，很少在某一时间内同时对一种产品施加两项以上环境条件。实际上，单一环境条件下可靠性很高的产品，在实际试验中仍不断出现故障，即其实际可靠性很低。因此，本文分析温湿度综合环境对高量程加速度计输出的影响，并对传感器在温湿度环境下的可靠性进行评估［2－3］。

1 温湿度综合环境下的失效分析

高量程压阻式加速度计的内部模型如图1所示，其量程为150 000 gn，主要用于恶劣环境下的加速度测量。

图1 加速度计内部芯片模型图

图2为该高量程硅微加速度计封装后图形，其由硅片与玻璃键合，金或铝引线键合等工艺制成［4］，由于加工工艺的影响，加工后的微加速度计不可避免残留有残余应力在器件中［5］。当温度发生变化时，因微加速度计中包含的多种材料热膨胀系数不同，就会在不同材料的交界面处产生压缩或拉伸应力，该温度应力会劣化残余应力对微加速度计的影响，增加微加速度计的内部应力［6］。

图2 高量程硅微加速度计外部封装图

在湿度较高的环境下，微加速度计微表面会聚集水汽，水汽冷凝后会导致结构残余应力的增加。若两个表面相互接近，它们之间相对湿度的增大将导致毛细力的增大，当结构与衬底之间的粘着作用大于使微结构产生变形的弹性恢复力时，微结构无法脱离衬底，此时将会发生粘附，如图3所示，最终导致结构失效［7］。在进行温度、湿度综合环境下时，高温引起的温度应力，使结构承受的总应力增加，湿度和腐蚀性气体造成表面腐蚀，形成疲劳源;由于膨胀系数的差异，温度引起结合面的分离，而潮气侵入这些间隙成为润滑剂，结合面间的摩擦系数大大减小，造成动响应增加，从而增加了动应力，像这样通过吸湿、冻结的反复过程，大大增加了高量程加速度计故障发生的几率。

图3 两种不同的粘附结构

2 高量程加速度计可靠性试验

针对该高量程加速度计的使用温度和湿度范围，设计了综合环境试验剖面，如图4所示［8］。综合环境试验的温度剖面是在温度工作极限之间的循环，每一温度极限上的最小保持时间为10 min。试验时，选取4只高量程加速度计进行温湿度综合试验，温度变化从60℃开始直至失效，相对湿度从60%F.S至90%F.S变化，从初始温度60℃开始增加温度，每一温度极限最小保持30 min，每次温度试验保持湿度不变，对试验结果进行数据拟合，结果如图5所示。

图4 温度步进湿度恒定综合环境剖面图

图5 输出电压与温度－湿度关系

如图5(a)和图5(c)分别为其中2只加速度计在湿度为80%F.S和90%F.S时整个温度范围的输出情况，从中可以看出加速度计在110℃时输出出现异常，逐渐升温至120℃输出几乎为0;图5(b)和图5(d)为其中2只加速度计在110℃输出出现异常后再恢复温度时的输出情况，从中可以看出当温度降至100℃时输出开始恢复正常。实验结果发现2只样品在110℃输出异常，将温度恢复至60℃，加速度计输出正常;4只样品在120℃时输出均出现异常，将温度恢复至110℃，对产品再次进行复测，加速度计的输出仍异常，因此判定:相对湿度为(80～90)%F.S环境下，该微加速度计在温度－湿度综合环境下的工作极限温度为110℃，破坏极限温度为120℃。

利用以上试验结果设计了传感器的工作极限和湿度再次进行恒温－恒湿综合环境试验:因加速度计的温度破坏极限为120℃，因此设定试验温度为90 ℃、100 ℃、110 ℃，相对湿度(90～95)%F.S，对同一批次的9只加速度计进行试验。试验结果得出高量程加速度计的累积失效时间:在温度90℃时，样品1、2、3 的失效时间分别为:240 h、232 h 、200 h;在温度100℃时，样品4、5、6的失效时间分别为:144 h、128 h、132 h;在温度 110 ℃时，样品7、8、9 的失效时间分别为:60 h、52 h、72 h。温度越接近传感器的工作极限，其失效时间越短。对失效的加速度计进行分析，发现微加速度计的主要失效原因为芯片质量块与键合玻璃之间的粘附，如图6所示。

图6 芯片粘附失效图

3 高量程加速度计可靠性评估

为了缩短可靠性试验时间，采用高加速应力对加速度计进行寿命试验，采用两参威布尔分布(2-PWD)对其进行评估［9］。在对传感器进行可靠性评估时，首先确定各应力下形状和尺度参数;由于不同环境下传感器的寿命数据不一致，因此需要将不同环境下的寿命数据折算到同一环境下，因此需要折算寿命数据;然后进行假设检验，最后进行可靠性评估，求得传感器在温度－湿度综合环境下的可靠性曲线和失效概率分布曲线。

3.1 各应力形状参数和尺度参数估计

恒定应力水平为在T1=363 K，T2=373 K和T3=383 K湿度下试验样品的失效时间见表1，运用最小二乘法对三组试验数据进行处理可得3组应力下形状参数和尺度参数的点估计，如表2所示。

表2 各应力下分布参数的最小二乘估计值

由于各应力的形状参数已经求出，所以采用加权平均方法可以求出形状参数:

3.2 寿命数据折算

不同环境下寿命数据的综合需要利用环境因子。引入环境因子的目的主要是将某一环境的寿命数据折算到另一环境下的寿命数据，实现增加子样数。因此，环境因子的定义需要满足如下3个假设条件。

假设1 不同应力等级下寿命分布不发生，并且产品的失效机理不发生变化;

假设2 不同寿命分布(指数、威布尔、对数正态和正态分布)满足1提出的加速模型;

假设3 产品的剩余寿命仅与当时已累积失效的部分和应力水平有关与累积方式无关。

根据假设3定义环境因子，即产品在应力Ti下，工作了时间ti积累的失效概率为Fi(ti)，相当于此产品在应力Tj下，工作了时间tj所积累的失效概率Fj(tj)，即当Fi(ti)=Fj(tj)时，则环境i对环境j的环境因子:

由式(1)可得，加速方程为阿伦尼斯模型下反应论环境因子为:

根据式(2)可得三个不同环境(T1=363 K，T2=373 K和T3=383 K)下的寿命数据折算到正常环境(T0=300 K)的寿命数据:

则将与试验应力水平T1、T2、T3的失效时间相乘得出正常环境下T0时微加速度计的等效失效累积时间，此时子样数为9。

3.3 假设检验—F检验

在可靠性分析中，确定产品的寿命分布是一项基础性工作之一。特别是在有限数据下分析产品的可靠性时，由于采用非参数估计的精度非常低，故采用参数估计。鉴于寿命数据存在较大分散性，可能同时服从几种分布。因此，先假定疲劳寿命服从某一分布，再通过合理的评价标准进行检验是一种有效的统计方法。本处将威布尔分布转化为标准线性函数，之后运用F检验法对产品在有限数据下的寿命分布服从两参威布尔分布进行定量评价［10］。

经计算可得 RXY＞Rc且|RXY|=0.966 224，结合总体合效果理论可知所选的统计分布能够成立。

3.4 可靠度评估

根据正常环境下的等效失效累积时间，可得正常环境应力(T0=300 K)下的估计结果:

图7 可靠性曲线

由两参威布尔分布对高量程加速度传感器进行可靠性分析，得到的可靠度及失效概率分布曲线发现［12］，随着温度的升高传感器的可靠度逐渐降低，相应的失效概率逐渐升高。即在温湿度综合环境下，随着温度的升高，传感器各种材料的热膨胀系数的差异发生伸缩，在结合部位发生松动分离，此时施加湿度，潮气就会在缝隙间侵入，使结合部和连接处的摩擦系数降低，造成动响应增加，从而增加了动应力，像这样通过吸湿、冻结的反复过程使得传感器的可靠度逐渐降低，失效概率增大。

4 结论

本文通过对高量程加速度传感器施加温度－湿度综合环境应力，分析温湿度环境对加速度计的影响，得出微加速度计在温度－湿度综合环境下的工作极限温度为110℃，破坏极限温度为120℃，其在温湿度环境下主要失效模式为粘附。并利用两参威布尔分布对加速度计进行了可靠性评估，描绘出高量程加速度传感器在综合环境应力下的可靠度曲线及失效概率曲线。

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