汽車電氣系統(tǒng)MEMS傳感器可靠性設(shè)計(jì)研究

楊闖 張盼

摘要：隨著科技持續(xù)發(fā)展，汽車工業(yè)有了新的變化與發(fā)展需求，需要進(jìn)一步提高傳感器可靠性，要優(yōu)化利用MEMS技術(shù)，科學(xué)設(shè)計(jì)汽車傳感器可靠性，保證汽車高效運(yùn)行的同時(shí)提升汽車電氣系統(tǒng)MEMS傳感器應(yīng)用效益。

關(guān)鍵詞：汽車；電氣系統(tǒng)；MEMS；傳感器；可靠性；設(shè)計(jì)；研究

在汽車生產(chǎn)過程中，汽車傳感器設(shè)計(jì)是不可忽視的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，對(duì)汽車綜合性能提升起到?jīng)Q定性作用。MEMS技術(shù)優(yōu)勢(shì)作用鮮明，要在多層次科學(xué)應(yīng)用中設(shè)計(jì)汽車微型傳感器，最大化提高經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性、可靠性，滿足汽車運(yùn)行中對(duì)周圍環(huán)境的客觀要求，在發(fā)揮MEMS傳感器多方面作用中生產(chǎn)高質(zhì)量汽車，實(shí)現(xiàn)汽車運(yùn)行綜合效益。

一、汽車電氣系統(tǒng)MEMS傳感器

MEMS技術(shù)就是微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，屬于多學(xué)科交叉的技術(shù)，和集成化、智能化緊密相連，MEMS技術(shù)是微型化與集成化的必要基礎(chǔ)。MEMS技術(shù)日漸應(yīng)用到傳感器領(lǐng)域，比如，MEMS壓力傳感器。MEMS傳感器是借助微電子機(jī)械加工技術(shù)，在一塊芯片上設(shè)置微米級(jí)的信號(hào)處理器、敏感元件等，具有多樣化的優(yōu)勢(shì)特征，成本低、高可靠性、使用壽命長等，在汽車傳感器方面的重要地位不斷呈現(xiàn)，微型化、智能化、功能化等已成為汽車傳感器發(fā)展的必然趨勢(shì)。微傳感器的科學(xué)化應(yīng)用能夠提升汽車電氣系統(tǒng)性能，也能優(yōu)化汽車底盤系統(tǒng)、引擎管理系統(tǒng)等功能，但這必須保證汽車微傳感器具有較高的可靠性。在此過程中，汽車電氣系統(tǒng)MEMS傳感器可靠性日漸成為微系統(tǒng)技術(shù)工程以及研究的重中之重。這一可靠性問題涉及多個(gè)學(xué)科與領(lǐng)域，比如，機(jī)械學(xué)、微電子學(xué)、信息技術(shù)，需要從不同角度入手深入探究汽車電氣系統(tǒng)MEMS傳感器可靠性設(shè)計(jì)。

二、汽車電氣系統(tǒng)MEMS傳感器可靠性設(shè)計(jì)

1、汽車電氣系統(tǒng)MEMS傳感器可靠性設(shè)計(jì)問題

汽車電氣系統(tǒng)MEMS傳感器可靠性設(shè)計(jì)研究復(fù)雜化，需要以開發(fā)環(huán)節(jié)為基點(diǎn)，深入探究MEMS傳感器可靠性的具體化影響因素，優(yōu)化傳感器可靠性設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，MEMS系統(tǒng)工作原理并不簡單，和多個(gè)學(xué)科、領(lǐng)域聯(lián)系密切，而MEMS裝置大都有可動(dòng)部件，在生產(chǎn)、使用中，MEMS極易出現(xiàn)隱患問題。MEMS失效機(jī)理研究有待深入，尤其是內(nèi)在聯(lián)系、相互作用方面，急需要構(gòu)建可行的失效模型，也包括合理化的評(píng)價(jià)MEMS傳感器可靠性因素的體系。在此基礎(chǔ)上，和集成電路相比，人們對(duì)汽車電氣系統(tǒng)MEMS傳感器可靠性有著較高的要求，但MEMS傳感器制造、封裝兩大環(huán)節(jié)不確定性影響因素較多，對(duì)MEMS傳感器可靠性分析大都是定性分析方面，定量分析以及MEMS傳感器使用壽命模型研究都比較少。

2、汽車電氣系統(tǒng)MEMS傳感器可靠性設(shè)計(jì)方法

2.1 以階段主導(dǎo)可靠性因素為基點(diǎn)的可靠性設(shè)計(jì)

在不同開發(fā)階段，汽車電氣系統(tǒng)MEMS傳感器可靠性影響因素并不相同，在可靠性設(shè)計(jì)中，MEMS傳感器設(shè)計(jì)參數(shù)和應(yīng)用其中的材料類型等相互影響。MEMS傳感器可靠性設(shè)計(jì)和MEMS傳感器設(shè)計(jì)、制造、使用等環(huán)節(jié)有機(jī)聯(lián)系，需要綜合把握多個(gè)環(huán)節(jié)具體情況以及階段主導(dǎo)可靠性因素，優(yōu)化汽車電氣系統(tǒng)MEMS傳感器可靠性設(shè)計(jì)。由于各階段都會(huì)影響MEMS傳感器可靠性設(shè)計(jì)，必須落實(shí)各方面評(píng)估、測(cè)試工作，合理分析各階段影響其可靠性的主導(dǎo)因素，包括研發(fā)設(shè)計(jì)中應(yīng)用其中的材料性質(zhì)以及可靠性設(shè)計(jì)參數(shù)。在此過程中，設(shè)計(jì)人員需要圍繞現(xiàn)代化設(shè)計(jì)原則，科學(xué)構(gòu)建或者模擬以階段主導(dǎo)可靠性因素為基點(diǎn)的可靠性設(shè)計(jì)平臺(tái)，動(dòng)態(tài)化、立體化綜合分析汽車電氣系統(tǒng)MEMS傳感器可靠性設(shè)計(jì)中具體影響因素以及可靠性需要差異性，優(yōu)化可靠性設(shè)計(jì)思路、方案，科學(xué)管控可靠性影響因素，高效設(shè)計(jì)汽車電氣系統(tǒng)MEMS傳感器。

2.2 構(gòu)建系統(tǒng)化的失效模型和可靠性影響因素評(píng)價(jià)體系

在可靠性設(shè)計(jì)研究中，可以全方位客觀分析影響MEMS傳感器使用壽命的各類因素，以具體失效原因?yàn)榛c(diǎn)，全面、客觀剖析汽車電氣系統(tǒng)MEMS傳感器失效機(jī)理以及具體化的可靠性影響因素，科學(xué)構(gòu)建系統(tǒng)化的失效模型，也包括MEMS傳感器可靠性影響因素評(píng)價(jià)體系。在失效模型構(gòu)建中，要利用微尺度進(jìn)行測(cè)量，但微尺度作用下的表面效應(yīng)、尺度效應(yīng)等規(guī)律變化并不相同，需要綜合考慮該因素，深化失效模型構(gòu)建。在系統(tǒng)化失效模型作用下，客觀分析汽車電氣系統(tǒng)MEMS傳感器失效現(xiàn)象，明確失效機(jī)理以及根本性原因，構(gòu)建可行的失效模式，明確并綜合分析各階段影響MEMS傳感器可靠性因素，準(zhǔn)確定位并深入剖析主導(dǎo)可靠性影響因素，包括各影響因素間的關(guān)系。隨后，要根據(jù)濕度沖擊、沖擊荷載等失效原因，深入探究一系列物理與化學(xué)因素對(duì)汽車電氣系統(tǒng)以及MEMS傳感器零部件的具體影響，巧用系統(tǒng)化的失效模型、可靠性影響因素評(píng)價(jià)體系，優(yōu)化MEMS傳感器可靠性設(shè)計(jì)。相應(yīng)地，下面是汽車電氣系統(tǒng)MEMS傳感器失效機(jī)理結(jié)構(gòu)圖。

2.3 定量描述MEMS傳感器使用壽命分布模型

研究汽車電氣系統(tǒng)MEMS傳感器使用壽命是其可靠性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，要科學(xué)構(gòu)建定量描述MEMS傳感器使用壽命分布模型，進(jìn)一步明確影響MEMS傳感器可靠性的因素以及使用壽命。在借助該模型分析使用壽命中，要借助影響使用壽命的具體因素，定量分析MEMS傳感器可靠性，從MEMS傳感器運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行要求等方面入手確定相關(guān)的參數(shù)，在定量描述的基礎(chǔ)上明確MEMS傳感器特性曲線以及使用壽命分布情況。隨后，采用模擬、實(shí)驗(yàn)兩種方法，精準(zhǔn)定位各參數(shù)對(duì)汽車電氣系統(tǒng)MEMS傳感器的影響量化，優(yōu)化可靠性設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)，延長MEMS傳感器使用壽命。相應(yīng)地，下面是定量描述汽車MEMS傳感器使用壽命分布結(jié)構(gòu)圖。

三、結(jié)語

總而言之，在新形勢(shì)下，汽車電氣系統(tǒng)MEMS傳感器可靠性設(shè)計(jì)已成為汽車工業(yè)領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)，需要綜合分析影響因素以及存在的問題，通過可行的路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)路徑，高效設(shè)計(jì)汽車電氣系統(tǒng)MEMS傳感器可靠性，最大化延長傳感器使用壽命，促使汽車處于安全、穩(wěn)定運(yùn)行中，呈現(xiàn)汽車工業(yè)發(fā)展新高度的同時(shí)推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]熱合曼·艾比布力，王鴻雁，薛方正等.耐高溫動(dòng)態(tài)壓力傳感器與實(shí)驗(yàn)分析研究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2017，31（2）：44-50.

[2]楊文華，石存杰，秦洪武等.基于MEMS傳感器的車載微慣性測(cè)量單元設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（1）：121-124.

[3]張鑒，戚昊琛，楊文華等.一種用于胎壓監(jiān)測(cè)的MEMS壓力傳感器設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2015，29（10）：1424-1430.

[4]胡智文.基于MEMS工藝的新型高線性壓力傳感器設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2015，（9）：114-118，123.