汽車 MEMS傳感器可靠性設(shè)計探析

邱翠榕

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車電子已經(jīng)成為了汽車工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，傳感器是汽車電子產(chǎn)品中的基礎(chǔ)產(chǎn)品，也是關(guān)鍵產(chǎn)品。為了滿足汽車工業(yè)的新需求，各種新技術(shù)和新材料的研發(fā)使傳感器以及傳感器系統(tǒng)不斷進(jìn)步和升級。微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)用于制作各種性能敏感的微型傳感器，在汽車中得到了廣

泛的運用。關(guān)鍵詞：MEMS技術(shù)；傳感器；可靠性設(shè)計

1 引言

汽車 MEMS傳感器是運用 MEMS技術(shù)制作的一種微型傳感器，熱學(xué)量、力學(xué)量以及化學(xué)量等性能都非常敏感，體積小，便于安裝，能耗低可節(jié)省大量的能源。此外，汽車 MEMS傳感器還具有多種性能，精度非常高，容易構(gòu)成多功能陣列，生產(chǎn)起來也非常方便，可以大批量的生產(chǎn)，并且單件的成本較低。 MEMS技術(shù)可以滿足汽車對環(huán)境的苛刻性，使電子技術(shù)在汽車行業(yè)得到了廣泛的運用。

2 汽車 MEMS傳感器可靠性設(shè)計中存在的問題

汽車 MEMS傳感器可靠性的探究式一個復(fù)雜的過程，在目前的傳感器可靠性研究中，并沒有從整個傳感器的整個開發(fā)環(huán)節(jié)其研究系統(tǒng)的可靠性因素，還沒有形成一種全面的汽車傳感器的可靠性設(shè)計方式。 MEMS系統(tǒng)的工作原理比較復(fù)雜，涉及到多個領(lǐng)域和多個學(xué)科，一般在 MEMS裝置中包含可動部件，這也是傳感器在制造和使用的過程中容易出現(xiàn)各種問題的主要原因。由于 MEMS失效機(jī)理還尚沒被人們所熟知，不同的失效機(jī)理缺乏內(nèi)在聯(lián)系和相互作用的研究，并沒有在此基礎(chǔ)上建立可靠的失效模型和可靠性因素評價體系。 MEMS產(chǎn)品在生產(chǎn)的過程中，可以看成是一個大規(guī)模生產(chǎn)集成電路的過程，但是人們對 MEMS的可靠性的要求卻超過了集成電路的要求。目前在 MEMS可靠性的研究中，在制造環(huán)節(jié)和封裝環(huán)節(jié)中存在各種不確定的因素，對這類不確定因素的分析并不完備，大多數(shù)的 MEMS可靠性的分析都是定性分析，而并沒有向成熟的定量分析方向轉(zhuǎn)變。此外，對傳感器壽命的模型研究并不多見，有待加強(qiáng)。

3 汽車 MEMS傳感器的可靠性設(shè)計方法

3.1 基于階段主導(dǎo)可靠性因素的傳感器可靠性設(shè)計

汽車傳感器在開發(fā)的過程中，在不同的階段受到不同可靠性因素的影響，在設(shè)計過程中材料的種類、零件的結(jié)構(gòu)和傳感器的設(shè)計參數(shù)之間也會相互影響。傳感器設(shè)計的可靠性涉及到傳感器設(shè)計的多個環(huán)節(jié)，例如設(shè)計環(huán)節(jié)、制造環(huán)節(jié)、封裝環(huán)節(jié)和使用階段等，產(chǎn)品的設(shè)計以及材料的選擇都要考慮到不可靠的因素。在一個新產(chǎn)品的開發(fā)過程中，每一個環(huán)節(jié)和階段出現(xiàn)的問題都會影響產(chǎn)品的可靠性。所以在開發(fā)一個產(chǎn)品的過程中，對每一個階段都要引起高度的重視，做好各種評估和測試，確定每一個環(huán)節(jié)產(chǎn)品的可靠性主要受到哪些因素的影響，產(chǎn)品在開發(fā)設(shè)計的過程中，所有的材料和特性以及產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)都會相互影響。因此在設(shè)計汽車 MEMS傳感器的時候，可以建立基于階段主導(dǎo)可靠性因素的設(shè)計平臺或者模擬設(shè)計平臺。通過建立一個模擬的設(shè)計平臺，可以對微機(jī)電系統(tǒng)和宏觀設(shè)備在可靠性方面的要求的差異進(jìn)行分析。

3.2 建立完整的可靠性因素評價體系和失效模型

通過分析微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身以及裝配等各種因素對微機(jī)電系統(tǒng)的壽命的影響，從失效的原因上來分析傳感器的失效機(jī)理和可靠性因素，從而建立有效的失效模型和可靠性的因素評價體系。在建立失效模型的時候，所有的測量都是使用微尺度，而在微尺度下表現(xiàn)出來的表面效應(yīng)和尺度效應(yīng)和宏觀范疇的規(guī)律并不是完全等同的。在對汽車 MEMS傳感器進(jìn)行失效分析的時候，要從失效的現(xiàn)象找出失效的原因和失效的機(jī)理，從而建立失效模式。在對汽車傳感器的整體可靠性進(jìn)行分析的時候，應(yīng)該從多個方面進(jìn)行考慮，首先是分析在不同階段傳感器的可靠性受到哪些因素的影響，對于同一階段的各種可靠性影響因素，對所有的因素進(jìn)行重要性分析，找出關(guān)鍵因素，最終對主導(dǎo)可靠性因素進(jìn)行分析。除此之外，還需要對各個因素間的相互關(guān)系進(jìn)行分析。對 MEMS傳感器造成失效的原因主要有機(jī)械的沖擊載荷，濕度沖擊以及溫度沖擊等。在對傳感器的可靠性進(jìn)行研究的時候，應(yīng)該要重點分析各種物理因素化學(xué)因素等對系統(tǒng)和零件造成的影響。

3.3 定量描述傳感器系統(tǒng)壽命分布模型

在設(shè)計 MEMS汽車傳感器的時候，需要對傳感器的工作壽命進(jìn)行研究，此時可以通過定量描述傳感器系統(tǒng)壽命分布模型來確定影響傳感器系統(tǒng)壽命的可靠性因素，從而確定整個系統(tǒng)的工作壽命。一般而言，傳感器的壽命周期主要分為三個階段，初期、中期和末期。其中最關(guān)鍵的階段就是中期，這也是傳感器的工作期。在分析傳感器的工作壽命的時候，通過研究影響系統(tǒng)工作壽命的因素來對產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行定量分析。在確定系統(tǒng)傳感器系統(tǒng)的特性曲線的時候，需要確定各種可靠性的參數(shù)。在確定參數(shù)的時候，可以從傳感器的預(yù)期作用和任務(wù)要求、傳感器的工作環(huán)境，包括自然工作環(huán)境的分析和需要承受的機(jī)械應(yīng)力的大小和系統(tǒng)的預(yù)期壽命來對系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行定量描述，確定其壽命分布。在描述壽命分布的概念函數(shù)的時候，首先應(yīng)該定義可靠性的計算概念函數(shù)，常用的函數(shù)有概念密度函數(shù)、可靠性函數(shù)和失效率。建立函數(shù)之后，接下來就是確定可靠性參數(shù)，這個參數(shù)的確定一般是在實際的實驗中獲得的，采用人為加速老化的實驗。通過實驗獲得可靠性參數(shù)之后，根據(jù)傳感器的類型建立合適的模型，將實驗的結(jié)果外推導(dǎo)實際的使用環(huán)境中。通過模擬和實驗的共同方式，最終確定參數(shù)對系統(tǒng)的影響量化，從而優(yōu)化傳感器設(shè)計，提高傳感器的使用壽命。

4 結(jié)語

在汽車 MEMS傳感器的可靠性設(shè)計中，可以使用基于階段主導(dǎo)可靠性因素的傳感器可靠性設(shè)計方法，對可靠性因素評估體系和失效模型進(jìn)行研究和分析，定量描述傳感器系統(tǒng)壽命分布模型對傳感器系統(tǒng)的使用壽命可靠性因素進(jìn)行分析研究，從而實現(xiàn)汽車 MEMS傳感器的可靠性設(shè)計。

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