硅压力传感器的可靠性强化试验.pdf

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1、化工自动化及仪表第38卷硅压力传感器的可靠性强化试验于丽娜秦丽张会新(中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原03∞51)摘要对硅压力传感器进行可靠性强化试验，并分析压阻式压力传感器的失效模式和失效机理。关键词可靠性强化步进应力试验可靠性评估随机振动中图分类号7I胛、文献标识码B文章编号1000．3932(2011)0r7埘瞄旬3目前MEMS(Micro-elec咖mechanicalSystem)技术已经朝着微型化、集成化及智能化的趋势发展¨．2J。基于MEMS工艺的硅压阻式压力传感器已经广泛应用于航空、石油化工、动力机械、生物医学、气象、地质以及地震测量等领域中，成

2、为当今发展高新技术装备不可缺少的电子产品。而硅压阻式压力传感器的一些参数随环境应力的改变而发生变化，为了使产品在使用过程中的可靠性有保障，尽早发现硅压阻式压力传感器系统设计和制造工艺缺陷是解决上述问题的根本。但是，MEMs器件可靠性标准的缺乏和研究人员对MEMs器件的可靠性研究不足，限制了它的使用，以及可靠性的提高。因此，为保证产品在使用过程中可靠性有保障，笔者通过对硅压阻式压力传感器进行可靠性强化实验，对其进行定性的分析，提出相关改进措施。1可靠性强化试验装置、强化试验必须满足假设：受试品在短时间、高应力作用下表现得特性与产品在长时间、低应力作用下表现出来的特性是一致

3、的。对13种不同应力的筛选结果调查表明，温度循环是最有效的筛选，其次是随机振动。因此，将温度试验平台与振动试验平台做为可靠性强化测试平台(图1)。可靠性试验平台温度试验平台ll振动试验平台温度步进试验l

4、温度恒定试验lI随机振动

5、l冲击图1可靠性强化试验平台1．1温度试验平台温度试验平台主要包括温度综合试验箱(型号：cTP705)、高精度万用表(型号：6’1／2，34401A)、传感器测试平台以及电源系统等，可同时测试H个硅压阻式压力传感器。其中温度试验箱的性能指针为：工作室容积0．5m3温度范围一70一+100℃温度波动±O．5℃1．2振动试验平台振动试验平台主要包括

6、ACrl2000-R0110L—sP60011kN数字式电动振动试验系统(图2)、高精度万用表(型号：6’l／2，34401A)、传感器测试平台，以及电源系统等，可同时测试10多个硅压阻式压力传感器。其中振动试验系统箱的性能指针为：最大激振力(正弦／随机)11／l1kN频率范围l～4000Hz最大加速度(正弦／随机)72／479移动部件的等效品质14kg最大位移峰一峰值5l唧最大速度1．8m／s最大载荷150kg动圈台面尺寸直径325咖最大连续加速度8092可靠性强化试验2．1温度应力试验温度应力试验包括步进应力试验和恒定应力试验。对于步进应力试验，其优点是试验样本少，

7、寻找产品缺陷较快，但其无法对产品寿命进行评估。因此温度应力试验采用步进应力试验和恒定应力试验相结合的方法完成对硅压力传感器在温收稿日期：20ll娟旬l(修改稿)基金项目：山西省自然科学基金(20l∞11026-2)第7期于丽娜等．硅压力传感器的可靠性强化试验度应力下的可靠性评估。2．1．1温度步进应力试验温度试验分为低温及高温两个阶段应力。步长：5℃；驻留时间：30min；起始温度：低温一30℃，高温80℃，每一阶段温度稳定后进行功能测试。试验直至找到被测产品的工作极限(产品的工作极限是指施加时能引起产品故障，去除后能恢复正常工作的那个环境应力)，当找到工作极限后将步长

8、改为2℃，直至找到破坏极限(产品的破坏极限是指产品出，现永久性“硬”故障相对应的应力点)。如果温度升至高温或低温截止温度还没有发现破坏极限，则可以停止此步试验。2．1．2高温恒定应力试验试验采用定数截尾加速寿命试验方法，投入3组试验样本，数量每组5个，对高温选取3组加速应力，其应力值分别为破坏极限的85％、75％、65％。实时检测传感器的工作状态，如果发现传感器工作失效则记录传感器的寿命时间和失效模式并进行失效分析，每级应力失效数达到3个后进入下一级应力试验。2．2振动应力试验与温度应力试验相同，振动应力试验亦包括步进应力试验和恒定应力试验。2．2．1振动步进应力试验振

9、动台起始振动为2Gms，振动频率带宽在50—2000Hz范围内，步长2Gms。每个台阶保持15min后进行测试。如果振动量值到截止振动量(例如30G瑚s)时还没有发现工作极限或破坏极限，则可以停止此步试验。2．2．2振动恒定应力试验试验采用完全寿命试验方法。投入3组试验样本，数量每组5个，分别选取3组加速应力。如果发现传感器工作失效则记录传感器的寿命时间和失效模式并进行失效分析，每级应力产品完全失效后进人下一级应力试验。3试验结果及分析利用上述试验剖面对硅压力传感器实施了可靠性强化试验。试验开始前，搭建测试系统，测试传感器的性能信号(传感