CN101857190A - Mems传感器在应用环境下使用可靠度的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及MEMS传感器，具体是一种MEMS传感器在应用环境下使用可靠度的确定方法。确定了MEMS传感器在应用环境下的可靠性指标，步骤如下：1)、测定MEMS传感器能正常工作的温度、振动、冲击三参数的极限应力；2)、统计推断与MEMS传感器温度、振动、冲击三参数极限应力对应的分布函数；3)、统计推断与具体应用环境温度、振动、冲击三参数应力变化对应的分布函数；4)、确定具体应用环境中温度、振动、冲击三参数应力变化分别能引起MEMS传感器失效的概率

Description

MEMS传感器在应用环境下使用可靠度的确定方法

技术领域

本发明涉及MEMS传感器，具体是一种MEMS传感器在应用环境下使用可靠度的确定方法。

背景技术

随着社会的进步和国家的发展，国际竞争日趋深化和激烈。市场对产品的要求越来越高，既要求有高的性能，又要求有高的可靠性，也就是说在产品的整个使用过程中，要保证产品在设计寿命期内性能稳定不变。

随着MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技术的迅猛发展及其广阔的市场前景，微型化、集成化、智能化日渐成为传感器的发展趋势。其中，MEMS传感器具有体积小、功耗低、灵敏度高、重复性、易批量生产、成本低、加工工艺稳定等诸多优点；但在长期使用中，暴露出了MEMS传感器的质量问题。如何提高MEMS传感器质量，提高MEMS传感器的一致性、互换性和稳定性，保证MEMS传感器安全可靠地工作，是摆在科技工作者面前的一大难题。MEMS传感器的质量问题迫使人们不得不高度重视可靠性技术研究，重视可靠性技术在MEMS传感器的设计、研制、生产、管理到使用、维修的全过程上的应用。

目前，宏观构件及微电子器件的可靠性指标已经可以依照现有国家标准、军用标准以及各行业的特殊标准通过通用的测试方法和仪器就可以获得。然而，对于MEMS传感器而言，由于尺度效应、加工工艺、封装非标准性等问题的存在，以及研究人员对微器件可靠性研究的不足，致使目前MEMS传感器的可靠性指标缺乏，MEMS传感器的设计者、制造者和使用者无法有效确定MEMS传感器的可靠性。因此，目前只能通过加速寿命试验及可靠性鉴定等方法对MEMS传感器的可靠性水平进行评价，且在加速寿命试验及可靠性鉴定等方法采用MIL-STD-883E、MIL-STD-785B-80和GJB899-90等标准中的相关条款，但加速寿命试验及可靠性鉴定等方法的试验周期长、成本高。当考虑多种应力综合作用时，要选用多应力点以确定相关参数，其试验周期更长，成本更高。

随着人们对MEMS传感器可靠性技术的研究，可靠性强化试验(Reliability Enhancement Testing，简称RET)应运而生。其理论依据是故障物理学(physics of failure)，把故障或失效当作研究的主要对象，通过发现、研究和根治故障达到提高可靠性的目的。即对受试产品施加单一或综合的环境应力(应力水平远超过正常使用环境)，以快速激发产品潜在缺陷，通过故障原因、失效模式分析和改进结构设计，提高产品可靠性，并能确定受试产品能正常工作的极限应力。更利于MEMS传感器可靠性水平的评价，有望根据可靠性强化试验获得的受试产品-MEMS传感器能正常工作的极限应力确定MEMS传感器的可靠性指标。

发明内容

本发明为了确定MEMS传感器在应用环境下的可靠性指标，以表明MEMS传感器在应用环境下的使用可靠度，基于可靠性强化试验，提供了一种MEMS传感器在应用环境下使用可靠度的确定方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：MEMS传感器在应用环境下使用可靠度的确定方法，按如下步骤实现：

1)、测定MEMS传感器能正常工作的温度极限应力、振动极限应力以及冲击极限应力；

由同批加工出的同类型、同规格MEMS传感器中抽取样品，对样品分别就MEMS传感器能正常工作的温度应力、振动应力以及冲击应力三参数进行可靠性强化试验，获得MEMS传感器的温度极限应力、振动极限应力、冲击极限应力；这里对抽取的样品量未作专门限定，本领域的技术人员应根据实际需要来确定。

其中，温度应力以温度T标定，振动应力以振动功率谱密度A标定，冲击应力以冲击加速度G标定；则MEMS传感器的温度极限应力表示为温度上极限应力T_max和温度下极限应力T_min，振动极限应力表示为A_max，冲击极限应力表示为G_max；

依据对MEMS传感器样品进行可靠性强化试验的试验结果可以获得温度极限应力的测定值集合{(T_max)_i}和{(T_min)_i}，振动极限应力的测定值集合{(A_max)_i}，以及冲击极限应力的测定值集合{(G_max)_i}，其中i＝1，2，3…，n；

2)、根据步骤1)的测定值集合统计推断与MEMS传感器温度极限应力、振动极限应力、冲击极限应力对应的分布函数F(x)：温度上极限应力分布函数F(T_max)和温度下极限应力分布函数F(T_min)、振动极限应力分布函数F(A_max)、冲击极限应力分布函数F(G_max)；

3)、针对MEMS传感器具体应用环境的温度应力、振动应力以及冲击应力三参数进行数理统计，统计推断与MEMS传感器具体应用环境温度应力变化、振动应力变化、冲击应力变化对应的分布函数H(x)：温度应力分布函数H(T)、振动极限应力分布函数H(A)、冲击极限应力分布函数H(G)；

步骤2)和步骤3)皆依据概率论与数理统计这一学科知识实现，本领域的技术人员知道如何统计推断获得分布函数F(x)和分布函数H(x)；其中，对于分布函数H(x)的获得，可根据具体情况采用国标或国军标的环境试验标准来估算MEMS传感器具体应用环境应力的分布情况，得到分布函数H(x)；也可以对MEMS传感器具体应用环境的应力进行具体的测量，并根据相关标准(如：GJB/Z 126-99等标准)对环境数据进行归纳，得到分布函数H(x)，相较于上一种分布函数H(x)获得方法，周期偏长，但仍是得到分布函数H(x)有效方法。

4)、对步骤2)、步骤3)确定的分布函数F(x)、H(x)进行数学分析，确定具体应用环境中温度应力变化、振动应力变化、冲击应力变化分别能引起MEMS传感器失效的概率

温度应力变化引起MEMS传感器失效的概率

振动应力变化引起MEMS传感器失效的概率

以及冲击应力变化引起MEMS传感器失效的概率

即MEMS传感器的具体应用环境中各应力一旦超出相应极限应力范围，则MEMS传感器失效；该步骤中如何分析确定MEMS传感器的失效概率

为本领域技术人员所公知的，且分析所采用的数学分析方法有很多，本领域技术人员可选择性应用。

5)、根据步骤4)确定的各应力变化引起的MEMS传感器失效概率

确定具体应用环境中MEMS传感器的使用可靠度-即在具体应用环境中温度应力变化、振动应力变化、冲击应力变化综合影响下MEMS传感器正常工作的总概率P(X)：

$P\left(X\right)=1-\{P\left(\stackrel{\‾}{T}\right)+[1-P\left(\stackrel{\‾}{T}\right)]\×P\left(\stackrel{\‾}{A}\right)+[1-P\left(\stackrel{\‾}{T}\right)]\×[1-P\left(\stackrel{\‾}{A}\right)]\×P\left(\stackrel{\‾}{G}\right)\}---\left(1\right).$

其中，式(1)的推导过程如下：

MEMS传感器在具体应用环境应用时，具体应用环境中分别由温度应力变化、振动应力变化、冲击应力变化引起的MEMS传感器失效视为基本事件，则MEMS传感器的失效集合可以表示为：

式中，

表示MEMS传感器的失效集合，

表示由温度应力变化引起的MEMS传感器失效，

表示由振动应力变化引起的MEMS传感器失效，表示由冲击应力变化引起的MEMS传感器失效；

则具体应用环境中分别由温度应力变化、振动应力变化、冲击应力变化引起的MEMS传感器失效概率分别为：

考虑到，MEMS传感器在具体应用环境中由温度应力变化、振动应力变化、冲击应力变化引起的MEMS传感器失效模式一般是相容的，即在温度应力变化、振动应力变化、冲击应力变化下会发生相同的失效模式，依据布尔运算中不相交的布尔和公式，则式(2)应转换为：

则在具体应用环境中温度应力变化、振动应力变化、冲击应力变化综合影响下MEMS传感器正常工作的总概率

$P\left(X\right)=1-P\left(\stackrel{\‾}{X}\right)=1-\{P\left(\stackrel{\‾}{T}\right)+[1-P\left(\stackrel{\‾}{T}\right)]\×P\left(\stackrel{\‾}{A}\right)+[1-P\left(\stackrel{\‾}{T}\right)]\×[1-P\left(\stackrel{\‾}{A}\right)]\×P\left(\stackrel{\‾}{G}\right)\}.$

与现有技术相比，本发明以MEMS传感器在具体应用环境中正常工作的总概率P(X)作为MEMS传感器的可靠性指标，同时兼顾具体应用环境中温度应力变化、振动应力变化、冲击应力变化对MEMS传感器可靠性的影响，将MEMS传感器的可靠性进行量化标定，表明了MEMS传感器在应用环境下的使用可靠度，有利于MEMS传感器的设计者、制造者和使用者有效确定MEMS传感器的可靠性。且MEMS传感器可靠性指标的获得以MEMS传感器可靠性强化试验的试验结果(MEMS传感器能正常工作的极限应力)、以及MEMS传感器的具体应用环境为依据，分别应用数学方法将MEMS传感器可靠性强化试验的试验结果、MEMS传感器的具体应用环境整理为对应的分布函数，通过对分布函数的数学分析获得MEMS传感器在具体应用环境中正常工作的总概率P(X)，总概率P(X)值越大，说明MEMS传感器在其具体应用环境中的使用可靠性越大。本发明所述方法中所用数学方法皆为成熟理论知识，其在本发明中的应用对于本领域技术人员来说，不存在实现困难的问题。

具体实施方式

MEMS传感器在应用环境下使用可靠度的确定方法，按如下步骤实现：

1)、测定MEMS传感器能正常工作的温度极限应力、振动极限应力以及冲击极限应力；

由同批加工出的同类型、同规格MEMS传感器中抽取样品，对样品分别就MEMS传感器能正常工作的温度应力、振动应力以及冲击应力三参数进行可靠性强化试验，获得MEMS传感器的温度极限应力、振动极限应力、冲击极限应力；

其中，温度应力以温度T标定，振动应力以振动功率谱密度A标定，冲击应力以冲击加速度G标定；则MEMS传感器的温度极限应力表示为温度上极限应力T_max和温度下极限应力T_min，振动极限应力表示为A_max，冲击极限应力表示为G_max；

依据对MEMS传感器样品进行可靠性强化试验的试验结果可以获得温度极限应力的测定值集合{(T_max)_i}和{(T_min)_i}，振动极限应力的测定值集合{(A_max)_i}，以及冲击极限应力的测定值集合{(G_max)_i}，其中i＝1，2，3…，n；

2)、根据步骤1)的测定值集合统计推断与MEMS传感器温度极限应力、振动极限应力、冲击极限应力对应的分布函数F(x)：温度上极限应力分布函数F(T_max)和温度下极限应力分布函数F(T_min)、振动极限应力分布函数F(A_max)、冲击极限应力分布函数F(G_max)；

3)、针对MEMS传感器具体应用环境的温度应力、振动应力以及冲击应力三参数进行数理统计，统计推断与MEMS传感器具体应用环境温度应力变化、振动应力变化、冲击应力变化对应的分布函数H(x)：温度应力分布函数H(T)、振动极限应力分布函数H(A)、冲击极限应力分布函数H(G)；

4)、对步骤2)、步骤3)确定的分布函数F(x)、H(x)进行数学分析，确定具体应用环境中温度应力变化、振动应力变化、冲击应力变化分别能引起MEMS传感器失效的概率温度应力变化引起MEMS传感器失效的概率

振动应力变化引起MEMS传感器失效的概率以及冲击应力变化引起MEMS传感器失效的概率 $P\left(\stackrel{\‾}{G}\right)=P(G>G_{\max });$

5)、根据步骤4)确定的各应力变化引起的MEMS传感器失效概率

，确定具体应用环境中MEMS传感器的使用可靠度-即在具体应用环境中温度应力变化、振动应力变化、冲击应力变化综合影响下MEMS传感器正常工作的总概率P(X)：

$P\left(X\right)=1-\{P\left(\stackrel{\‾}{T}\right)+[1-P\left(\stackrel{\‾}{T}\right)]\×P\left(\stackrel{\‾}{A}\right)+[1-P\left(\stackrel{\‾}{T}\right)]\×[1-P\left(\stackrel{\‾}{A}\right)]\×P\left(\stackrel{\‾}{G}\right)\}---\left(1\right).$

其中，式(1)的推导过程如下：

MEMS传感器在具体应用环境应用时，具体应用环境中分别由温度应力变化、振动应力变化、冲击应力变化引起的MEMS传感器失效视为基本事件，则MEMS传感器的失效集合可以表示为：

式中，

表示MEMS传感器的失效集合，表示由温度应力变化引起的MEMS传感器失效，

表示由振动应力变化引起的MEMS传感器失效，

表示由冲击应力变化引起的MEMS传感器失效；

则具体应用环境中分别由温度应力变化、振动应力变化、冲击应力变化引起的MEMS传感器失效概率分别为：

考虑到，MEMS传感器在具体应用环境中由温度应力变化、振动应力变化、冲击应力变化引起的MEMS传感器失效模式一般是相容的，即在温度应力变化、振动应力变化、冲击应力变化下会发生相同的失效模式，依据布尔运算中不相交的布尔和公式，则式(2)应转换为：

则在具体应用环境中温度应力变化、振动应力变化、冲击应力变化综合影响下MEMS传感器正常工作的总概率

$P\left(X\right)=1-P\left(\stackrel{\‾}{X}\right)=1-\{P\left(\stackrel{\‾}{T}\right)+[1-P\left(\stackrel{\‾}{T}\right)]\×P\left(\stackrel{\‾}{A}\right)+[1-P\left(\stackrel{\‾}{T}\right)]\×[1-P\left(\stackrel{\‾}{A}\right)]\×P\left(\stackrel{\‾}{G}\right)\}.$

Claims (1)

1.一种MEMS传感器在应用环境下使用可靠度的确定方法，其特征在于按如下步骤实现：

1)、测定MEMS传感器能正常工作的温度极限应力、振动极限应力以及冲击极限应力；

由同批加工出的同类型、同规格MEMS传感器中抽取样品，对样品分别就MEMS传感器能正常工作的温度应力、振动应力以及冲击应力三参数进行可靠性强化试验，获得MEMS传感器的温度极限应力、振动极限应力、冲击极限应力；

其中，温度应力以温度T标定，振动应力以振动功率谱密度A标定，冲击应力以冲击加速度G标定；则MEMS传感器的温度极限应力表示为温度上极限应力T_max和温度下极限应力T_min，振动极限应力表示为A_max，冲击极限应力表示为G_max；

依据对MEMS传感器样品进行可靠性强化试验的试验结果可以获得温度极限应力的测定值集合{(T_max)_i}和{(T_min)_i}，振动极限应力的测定值集合{(A_max)_i}，以及冲击极限应力的测定值集合{(G_max)_i}，其中i＝1，2，3…，n；

2)、根据步骤1)的测定值集合统计推断与MEMS传感器温度极限应力、振动极限应力、冲击极限应力对应的分布函数F(x)：温度上极限应力分布函数F(T_max)和温度下极限应力分布函数F(T_min)、振动极限应力分布函数F(A_max)、冲击极限应力分布函数F(G_max)；

3)、针对MEMS传感器具体应用环境的温度应力、振动应力以及冲击应力三参数进行数理统计，统计推断与MEMS传感器具体应用环境温度应力变化、振动应力变化、冲击应力变化对应的分布函数H(x)：温度应力分布函数H(T)、振动极限应力分布函数H(A)、冲击极限应力分布函数H(G)；

4)、对步骤2)、步骤3)确定的分布函数F(x)、H(x)进行数学分析，确定具体应用环境中温度应力变化、振动应力变化、冲击应力变化分别能引起MEMS传感器失效的概率

温度应力变化引起MEMS传感器失效的概率

振动应力变化引起MEMS传感器失效的概率

以及冲击应力变化引起MEMS传感器失效的概率 $P\left(\stackrel{\‾}{G}\right)=P(G>G_{\max });$

5)、根据步骤4)确定的各应力变化引起的MEMS传感器失效概率

确定具体应用环境中MEMS传感器的使用可靠度-即在具体应用环境中温度应力变化、振动应力变化、冲击应力变化综合影响下MEMS传感器正常工作的总概率P(X)：

$P\left(X\right)=1-\{P\left(\stackrel{\‾}{T}\right)+[1-P\left(\stackrel{\‾}{T}\right)]\×P\left(\stackrel{\‾}{A}\right)+[1-P\left(\stackrel{\‾}{T}\right)]\×[1-P\left(\stackrel{\‾}{A}\right)]\×P\left(\stackrel{\‾}{G}\right)\}---\left(1\right).$