复杂应力条件下MEMS加速度传感器可靠性

复杂应力条件下MEMS加速度传感器可靠性

周立凡 周碧璇王立群 胡怡彤

陕西电子信息研究院有限公司 陕西省西安市 710077

摘要：在现代科技的快速发展中，微型机电系统（MEMS）加速度传感器因其微小体积、高灵敏度及低能耗等特点，广泛应用于智能手机、自动驾驶、航空航天等领域。然而，随着应用场景的日益复杂，MEMS加速度传感器在复杂应力环境下容易出现失效问题，这给相关应用带来了极大的挑战。因此，本文将对MEMS加速度传感器在复杂应力下的失效问题进行深入的分析，并提出相应的可靠性提升策略。

关键词：MEMS加速度传感器；复杂应力；可靠性

MEMS惯性器件广泛应用于汽车、医疗、军事、航空航天等领域，具有重要的应用价值。MEMS惯性器件在各种应用场景中扮演着关键角色，它们必须应对各种复杂环境，如制造、运输和安装过程中的应力等，其整个寿命周期内会遭受温度、湿度、振动、冲击、辐射等环境应力的独立或耦合影响。例如在汽车交通领域，器件会承受加速冲击、振动等环境应力；在航天航空领域，器件在工作时通常会处在剧烈的高低温差以及粒子辐射等环境中，这些环境应力会对器件的性能产生很大的影响，导致MEMS器件的一些特性发生变化，所引发的失效模式包括断裂、分层、粘附、疲劳、腐蚀、微粒污染等。因此对器件的可靠性提出了很高的要求。

一、失效分析

MEMS压阻式加速度计作为一种惯性器件，具有结构简单、技术成熟、信号处理电路简单等优点，具有广泛的应用前景。为了使研究更加具体，本文以这种传感器类型为研究对象。梁块结构是压阻式加速度计的典型结构，它利用敏感梁上的压阻电阻器。当外部负载作用在质量块上并导致位移时，硅材料的压阻效应将导致梁上压阻电阻器的电阻值发生变化。通过测量电阻值的变化，可以确定测量的加速度的大小。

（一）压电材料失效

在复杂应力条件下，压电材料可能会遭遇多种挑战，这些问题有可能导致传感器失效。首先，长时间的连续工作或极端的应力条件可能导致压电材料出现疲劳现象。疲劳是指材料在反复应力作用下性能逐渐退化，最终导致失效。对于压电材料而言，疲劳可能会导致其压电效应减弱，使得传感器输出的电荷信号减小，影响测量的准确性。过大的应力或冲击可能导致压电材料破裂或产生微裂纹。这些损伤会破坏材料的内部结构，进而影响其产生电荷的能力。一旦压电材料破裂，传感器将无法正常工作，因为破裂的部分将不再具有压电效应，这会导致传感器输出的信号失真或完全丧失。某些复杂应力条件可能会导致压电材料失去其压电效应。这可能是由于材料内部的晶体结构发生变化，或者是由于外界环境因素（如温度、湿度）的影响。一旦压电材料失去其压电效应，传感器将无法再根据加速度产生相应的电荷极化，从而完全失效。

（二）微机械结构损坏

MEMS加速度传感器内部有一个微小的质量块，称为“震荡质量块”。当物体受到加速度时，传感器内部的微电子机械结构会把震荡质量块移动，并将移动的信息转换为电信号输出。如果微机械结构在复杂应力条件下受到损坏，如断裂、变形或卡死，那么它将无法正确移动质量块，从而导致传感器失效。

（三）电容效应失效

电容式MEMS加速度计利用电容效应来测量加速度。它由一个固定平板和一个可移动平板组成，两者之间形成一个微小的电容。如果电容在复杂应力条件下发生变形或损坏，那么电容值将无法正确反映加速度的变化，从而导致传感器失效。

（四）信号处理电路问题

MEMS加速度传感器的输出信号需要经过放大和滤波等处理电路才能被分析。如果信号处理电路在复杂应力条件下出现故障，如短路、断路或参数变化，那么输出信号将无法正确反映加速度的变化，从而导致传感器失效。

（五）温度效应

复杂应力条件往往伴随着温度的变化。如果传感器在高温或低温环境下工作，可能会导致其内部材料或结构发生热膨胀或热收缩，从而影响传感器的测量精度和稳定性。

二、提升可靠性的措施

要提升MEMS加速度传感器抗复杂应力的能力，可以从以下几个方面着手：

（一）优化材料和结构

选择具有更高强度、更好弹性和更低热膨胀系数的材料来制造传感器。改进传感器的微机械结构设计，使其更加坚固且能够抵抗冲击、振动和温度变化。引入冗余结构，确保在部分结构失效时，传感器仍然能够继续工作。其次，传感器的结构设计应能够合理地分布和缓冲外部应力，以防止压电材料受到过大的冲击或应力集中。此外，对于可能在极端环境下工作的传感器，还需要进行特殊的封装和保护措施，以确保其内部的压电材料不受外界环境因素的干扰。

（二）增强封装和防护

设计密封的封装结构是保护传感器内部微机械结构免受外界污染物（如灰尘、水分等）侵害的重要手段。密封的封装结构能够确保传感器内部环境的清洁和稳定，避免污染物进入传感器内部导致机械结构受损或电路短路。在封装过程中，应使用高精度加工技术和密封材料，确保封装结构的密封性能，并在封装后进行严格的质量检测，以确保传感器内部的清洁度和稳定性。在封装材料中加入吸震或阻尼材料是减少外部冲击对传感器影响的有效方法。这些材料通常具有优异的弹性和阻尼性能，能够有效地吸收和分散外部冲击能量，从而减轻传感器内部微机械结构受到的冲击和振动。在封装设计中，应合理选择和布置吸震或阻尼材料，以确保其能够有效地保护传感器内部结构，并降低因外部冲击导致的失效风险。

（三）加强测试和验证

在设计和制造过程中，必须要进行极为严格的测试和验证。这是一个至关重要且不可或缺的环节，通过全面、细致、深入的测试工作，可以对传感器在各种各样复杂应力条件下的实际工作状态进行充分的模拟和考察。这些复杂应力条件可能包括但不限于温度变化、机械振动、电磁干扰等多种因素的综合影响。只有经过如此严格且缜密的测试和验证流程，才能切实地确保传感器在面临各类复杂且具有挑战性的环境和工况时，依然能够稳定、可靠地正常工作，发挥出其应有的功能和性能，为相关系统或设备提供准确而有效的数据支持。

还需要定期进行可靠性测试。这种可靠性测试是一项具有关键意义的工作，它能够全面、系统地评估传感器在不同应力条件下的性能表现以及使用寿命情况。通过对不同应力条件的精心设置和模拟，能够深入了解传感器在各种极端或特殊情况下的适应能力和工作效能。例如，在高压力、高负荷、恶劣环境等不同的应力场景下，对传感器的性能进行仔细的监测和分析，从而可以准确地掌握其在各种复杂条件下的可靠性和耐久性。这样一来，不仅可以为传感器的进一步优化和改进提供有力的依据和方向，还能为其在实际应用中的长期稳定运行提供坚实的保障，确保其在不同的使用场景和应力环境下都能始终保持良好的性能状态和可靠的工作表现。

（四）优化制造工艺

引入先进的制造工艺和设备，提高传感器的制造精度和一致性。严格控制生产过程中的温度、湿度等环境参数，确保传感器的一致性和可靠性。

三、结果

通过分析发现，压电材料失效、微机械结构损坏、电容效应失效、信号处理电路问题、温度效应等都会影响复杂应力条件下MEMS加速度传感器的可靠性，因此需要优化材料与结构设计，提升封测水平，优化制造工艺。

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