微加速度計(jì)在溫度、濕度、振動(dòng)三綜合環(huán)境下的失效機(jī)理分析

1 引言

長期以來，人們對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境模擬試臉時(shí)，大多采用單項(xiàng)環(huán)境的試驗(yàn)方法，即在某一時(shí)間內(nèi)只對(duì)一種產(chǎn)品施加一項(xiàng)環(huán)境條件，如單項(xiàng)濕度試驗(yàn)、單項(xiàng)沖擊試驗(yàn)等，很少在某一時(shí)間內(nèi)同時(shí)對(duì)一種產(chǎn)品施加兩項(xiàng)以上環(huán)境條件。實(shí)踐表明，單項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)方法不能在研制和生產(chǎn)階段有效的篩選出有各類潛在缺陷的產(chǎn)品，也就是說，通過單項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)可靠性很高的產(chǎn)品，在使用中仍然不斷出現(xiàn)故障，其實(shí)際可靠性很低，前者與后者之比可達(dá)到20:1[1]。最近十余年來，國外致力研究新的環(huán)境試驗(yàn)方法以提高產(chǎn)品的可靠性。在國內(nèi)，在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的理念上，拓展了國外關(guān)于可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)僅能在氣動(dòng)式試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行的狹義概念，提出可借鑒強(qiáng)化試驗(yàn)的激發(fā)理念采用常規(guī)試驗(yàn)設(shè)備實(shí)施可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)。圖1是在環(huán)境應(yīng)力篩選中各種應(yīng)力對(duì)缺陷激發(fā)能力的比較圖，是對(duì)10種應(yīng)力的篩選效果進(jìn)行有限調(diào)查統(tǒng)計(jì)得出的，有一定的代表性。它說明溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)是最有效的激勵(lì)應(yīng)力。溫度、濕度、振動(dòng)三者關(guān)系比較密切，另一方面是這三種環(huán)境應(yīng)力作用時(shí)間長，引起的破壞比較多。例如一份研究報(bào)告指出，在總的破壞中，溫度占40%，振動(dòng)占27%，潮濕占19%[2]?？梢娝鼈冊谠O(shè)備元部件破壞總數(shù)中占了很大比例。

因此，把溫度循環(huán)、濕度和隨機(jī)振動(dòng)作為最為有效的激發(fā)應(yīng)力進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，來真正高效地激發(fā)微加速度計(jì)的潛在缺陷。

圖1 環(huán)境應(yīng)力篩選中對(duì)各種應(yīng)力激發(fā)能力的比較

2 微加速度計(jì)在溫、濕、振三綜合環(huán)境下失效機(jī)理

通過進(jìn)行三綜合試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微加速度計(jì)在溫、濕、振三綜合環(huán)境下的主要的失效模式是梁的斷裂、粘附。

2.1 溫度對(duì)微加速度計(jì)失效的影響

一個(gè)完整的壓阻式硅微加速度傳感器多數(shù)是由不同的材料構(gòu)成，有金或鋁、硅和玻璃等。這些材料的熱膨脹系數(shù)不相同，一旦溫度發(fā)生變化，就會(huì)在不同的材料的交界面產(chǎn)生壓縮或拉伸應(yīng)力，這個(gè)壓縮或拉伸應(yīng)力屬于微加速度計(jì)的內(nèi)部應(yīng)力。由于外界溫度環(huán)境條件的影響使得加速度計(jì)的內(nèi)部應(yīng)力增加了。

本論文研究的壓阻式微加速度計(jì)是通過體硅工藝加工制造的。主要工藝包括光刻、薄膜淀積、離子注入和干濕法等。由于加工工藝的影響，致使加工好的微加速度計(jì)不可避免的會(huì)有殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力根據(jù)方向的不同可將其分為拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，如圖2所示。顯然殘余應(yīng)力也屬于加速度計(jì)器件的內(nèi)部應(yīng)力。

圖2 不同方向的殘余應(yīng)力