申请/专利权人：中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心

申请日：2021-11-30

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN114088117B

主分类号：G06F30/20

分类号：G06F30/20

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2022.03.15#实质审查的生效;2022.02.25#公开

摘要：本发明公开了一种复杂工况下MEMS惯性器件可靠性评测方法，包括：确定复杂工况下MEMS惯性器件的失效模式与失效机理；根据MEMS器件的材料、结构、工艺等本构特性以及器件在复杂工况下的失效机制及两者的关联性分析，确定MEMS惯性器件在各敏感应力下的可靠性评价模型；根据确定的可靠性评价模型及加速因子，设计确定评价MEMS惯性传感器在复杂工况下可靠性评估方法；设计形成适应多复杂工况的加速评价试验方法。本发明从MEMS惯性器件中材料‑工艺‑结构的失效模式、失效机理出发，构建关键结构相关失效物理模型，并引入环境载荷因子，最终建立MEMS惯性器件在复杂工况下的可靠性加速模型，可快速评价器件可靠性。

主权项：1.一种复杂工况下MEMS惯性器件可靠性评测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、确定复杂工况下MEMS惯性器件的失效模式与失效机理；具体按以下子步骤执行：S11、确定MEMS惯性器件在寿命周期内的环境载荷剖面；S12、确定MEMS惯性器件中的材料体系和工艺特点；S13、根据S11和S12确定的器件的环境载荷剖面、材料体系和工艺特点，建立微观退化机理和外界环境载荷的关联性矩阵,为建立复杂环境的可靠性评价模型提供基础支撑；S2、根据步骤S1对MEMS器件的材料、结构、工艺的本构特性以及器件在复杂工况下的失效机制及两者的关联性分析，确定MEMS惯性器件在各敏感应力下的可靠性评价模型；具体按以下子步骤执行：S21、根据步骤S1确定的MEMS惯性器件中的主要失效模式与失效机理，构建典型MEMS惯性器件在典型环境载荷作用下的单应力可靠性模型；S22、根据步骤S21确定的单应力可靠性模型，构建MEMS惯性器件在典型复杂环境载荷作用下的可靠性评价模型；S23、根据S22建立的复杂环境下的可靠性评价模型，确定各模型的加速因子；S3、根据步骤S2确定的可靠性评价模型及加速因子，设计确定具体的评价MEMS惯性传感器在复杂工况下可靠性评估方法；S4、根据步骤S3确定的可靠性评估方法，设计形成适应多复杂工况的加速评价试验方法；S21中根据步骤S1确定的MEMS惯性器件中的主要失效模式与失效机理，构建典型MEMS惯性器件在典型环境载荷作用下的单应力可靠性模型包括：1与机械应力相关的振动疲劳加速试验模型机械应力产生的振动疲劳损伤建立在断裂力学疲劳定律之上，从描述材料疲劳现象的S－N曲线出发，得到机械应力与寿命的关系如下：LF＝AP-m1式中，LF是某振动疲劳寿命特征量，P为应力幅值或功率谱密度值，A和m为材料双对数S～N曲线中的常数；2与热应力相关的阿伦尼斯模型高温能使器件内部加快物理化学反应，促使器件提前失效，以温度作为加速应力的加速寿命模型如下： 式中，LT是某寿命特征量；B是一个常数，且B＞0，Ea是激活能，与材料有关，单位是电子伏特；k是波尔兹曼常数；T是绝对温度；3与电应力相关的逆幂律模型加大电压能促使器件提前失效；以电应力作为加速应力的加速模型如下：LE＝CV-n3式中，LE是某寿命特征量；C是一个正常数；n是一个与激活能有关的正常数；V是应力，取电压；S22中根据步骤S21确定的单应力可靠性模型，构建MEMS惯性器件在典型复杂环境载荷作用下的可靠性评价模型，包括：1构建多应力耦合的加速寿命试验通用模型通用假设fx为机械应力x对器件性能与可靠性特征量的影响；fy为温度热应力y对器件性能与可靠性特征量的影响；fz为机械应力z对器件性能与可靠性特征量的影响；机械应力、热应力和电应力对产品性能与可靠性特征量的影响函数关系表达式为Fx,y,z，则：Fx,y,z＝fxfyfz4求全微分方程得:dFx,y,z＝fyfzf'x+fxfzf'y+fxfyf'z5即Fx,y,z＝fyfz∫fxdx+fxfz∫fydy+fxfy∫fzdz6根据应力条件特征研究，明确机电热三个应力因素的确切范围后，可得到: 求全微分得: 即 式中，fx、fy、fz为单应力条件下，应力因素对产品性能与可靠性影响的函数关系表达式，根据现有机理模型获取，或根据试验数据或仿真数据拟合获得；a、b、c、a'、b'、c'为常数系数，可根据单应力、双应力的仿真结果或试验数据求得；2构建基于力-热-电耦合的多应力耦合的加速寿命试验通用模型构建复杂环境下的加速寿命试验模型，模型包括力、热和电应力参数；选择公式1与机械应力相关的振动疲劳加速试验模型、公式2与热应力相关的阿伦尼斯模型和公式3与电应力相关的指数型模型，根据多应力耦合矩阵，得到多应力耦合的加速寿命试验模型： 根据步骤S22中1所构建的多应力耦合的加速寿命试验通用模型得到： 式中，L为器件在多应力耦合下的特征寿命值；Ab'c+c'b、Ba'c+c'a和Ca'b+b'a为待定参数，分别用L1、L2和L3表示，在大量数据的基础上通过拟合得到公式12，T为产品的温度；P为产品的机械应力幅值或功率谱密度值；V为产品的电压； 该模型为机械应力、热应力和电应力耦合下的产品加速寿命试验模型；步骤S3中设计确定具体的评价MEMS惯性传感器在复杂工况下可靠性评估方法包括：引入归一化的载荷敏感度λe，对步骤S2建立的可靠性评价模型进行扩展；载荷敏感度λe为无量纲量，依赖于具体载荷水平以及器件的材料、工艺、结构本征特性，其初始值构建为设计可靠性极限值下的器件最大可承受载荷与工况载荷的比值；采用归一化后的力、热、电载荷敏感度，依据工况载荷情况定性的绘制器件的失效模式相图；基于器件的失效模式相图，无论是采用时间压缩还是事件压缩的方式，加速试验验证过程所选用的应力水平都不超出同一相区；在同一相区下，根据其退化失效的机理，选定步骤S2中构建的相应可靠性评价模型，最终确定要评价器件的加速模型。

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