微加速度計在溫度、濕度、振動三綜合環境下的失效機理分析

1 引言

長期以來，人們對產品進行環境模擬試臉時，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、單項沖擊試驗等，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。實踐表明，單項環境試驗方法不能在研制和生產階段有效的篩選出有各類潛在缺陷的產品，也就是說，通過單項環境試驗可靠性很高的產品，在使用中仍然不斷出現故障，其實際可靠性很低，前者與后者之比可達到20:1[1]。最近十余年來，國外致力研究新的環境試驗方法以提高產品的可靠性。在國內，在可靠性強化試驗的理念上，拓展了國外關于可靠性強化試驗僅能在氣動式試驗設備上進行的狹義概念，提出可借鑒強化試驗的激發理念采用常規試驗設備實施可靠性強化試驗。圖1是在環境應力篩選中各種應力對缺陷激發能力的比較圖，是對10種應力的篩選效果進行有限調查統計得出的，有一定的代表性。它說明溫度循環和隨機振動是最有效的激勵應力。溫度、濕度、振動三者關系比較密切，另一方面是這三種環境應力作用時間長，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%，振動占27%，潮濕占19%[2]。可見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、濕度和隨機振動作為最為有效的激發應力進行可靠性試驗，來真正高效地激發微加速度計的潛在缺陷。

圖1 環境應力篩選中對各種應力激發能力的比較

2 微加速度計在溫、濕、振三綜合環境下失效機理

通過進行三綜合試驗發現微加速度計在溫、濕、振三綜合環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，一旦溫度發生變化，就會在不同的材料的交界面產生壓縮或拉伸應力，這個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