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

1 引言

長(cháng)期以來(lái)，人們對產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境模擬試臉時(shí)，大多采用單項環(huán)境的試驗方法，即在某一時(shí)間內只對一種產(chǎn)品施加一項環(huán)境條件，如單項濕度試驗、單項沖擊試驗等，很少在某一時(shí)間內同時(shí)對一種產(chǎn)品施加兩項以上環(huán)境條件。實(shí)踐表明，單項環(huán)境試驗方法不能在研制和生產(chǎn)階段有效的篩選出有各類(lèi)潛在缺陷的產(chǎn)品，也就是說(shuō)，通過(guò)單項環(huán)境試驗可靠性很高的產(chǎn)品，在使用中仍然不斷出現故障，其實(shí)際可靠性很低，前者與后者之比可達到20:1[1]。最近十余年來(lái)，國外致力研究新的環(huán)境試驗方法以提高產(chǎn)品的可靠性。在國內，在可靠性強化試驗的理念上，拓展了國外關(guān)于可靠性強化試驗僅能在氣動(dòng)式試驗設備上進(jìn)行的狹義概念，提出可借鑒強化試驗的激發(fā)理念采用常規試驗設備實(shí)施可靠性強化試驗。圖1是在環(huán)境應力篩選中各種應力對缺陷激發(fā)能力的比較圖，是對10種應力的篩選效果進(jìn)行有限調查統計得出的，有一定的代表性。它說(shuō)明溫度循環(huán)和隨機振動(dòng)是最有效的激勵應力。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)境應力作用時(shí)間長(cháng)，引起的破壞比較多。例如一份研究報告指出，在總的破壞中，溫度占40%，振動(dòng)占27%，潮濕占19%[2]?？梢?jiàn)它們在設備元部件破壞總數中占了很大比例。

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

圖1 環(huán)境應力篩選中對各種應力激發(fā)能力的比較

2 微加速度計在溫、濕、振三綜合環(huán)境下失效機理

通過(guò)進(jìn)行三綜合試驗發(fā)現微加速度計在溫、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 溫度對微加速度計失效的影響

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

本論文研究的壓阻式微加速度計是通過(guò)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不可避免的會(huì )有殘余應力。殘余應力根據方向的不同可將其分為拉應力和壓應力，如圖2所示。顯然殘余應力也屬于加速度計器件的內部應力。

圖2 不同方向的殘余應力