CN110686849A - 一种mems电容式加速度传感器电-机械冲击下的试验方法 - Google Patents

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高成
王怡豪
黄姣英
陈炳印
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Abstract

本发明提供一种微机电系统(MEMS：Micro‑Electro‑mechanical System)电容式加速度传感器电‑机械冲击下的试验方法。它主要针对MEMS电容式加速度传感器的电‑机械冲击试验的使用需求，提出其目的、试验要求、程序、失效判据，属于试验方法领域。该发明的优点是：1)能获得MEMS电容式加速度传感器在工作状态下的机械冲击可靠性信息，满足MEMS电容式加速度传感器在工程应用中的需求；2)形成覆盖MEMS电容式加速度传感器在电‑机械冲击状态下的试验方法，获得在电‑机械冲击条件下MEMS电容式加速度传感器的失效判据。能支撑MEMS电容式加速度传感器电‑机械冲击应力下的鉴定检验工作。

Description

一种MEMS电容式加速度传感器电-机械冲击下的试验方法
(一)技术领域：
本发明提供一种微机电系统(MEMS：Micro-Electro-mechanical System)电容式加速度传感器电-机械冲击下的试验方法。它主要针对MEMS电容式加速度传感器的电-机械冲击试验的使用需求，提出其目的、试验要求、程序、失效判据。可以支撑MEMS电容式加速度传感器电-机械冲击应力下的鉴定检验工作，属于试验方法领域。
(二)背景技术
MEMS广泛的应用于航空、航天、舰船系统、汽车、家电、通讯生物医疗等领域，是将传感器、机械机构、执行器、信息处理以及控制电路等集成于一体的微型集成器件或系统，其是基于超精密机械加工技术和微电子技术发展起来的，内部结构一般是微米级甚至是纳米量级。微机电系统与传统的器件相比，具有可大批量生产、功耗少、成本低和集成化程度高等特点。其中MEMS电容式加速度传感器在汽车防撞气囊、智能穿戴设备以及智能手机等方面有着大量应用，是一款典型MEMS器件。
由于IC与MEMS器件在制造工艺、材料、封装等方面的共通性，目前大部分MEMS试验依据的是微电子的可靠性试验标准，例如：军用微电子试验方法标准MIL-STD-883J就已经为许多MEMS的试验计划所使用，是许多机构却对这一标准对MEMS的适用性提出了质疑。由于MEMS中微机械可动结构的存在，MEMS器件对机械冲击的响应不同于传统的电子元器件，进而也带来了新的失效模式和失效机理，如微机械可动结构断裂、裂纹扩展、粘连、颗粒短路及不同电势的部件之间的接触所引起的短路等，如图1所示。
特别对于上电工作状态下的MEMS器件，冲击载荷可能会引起不同电势的部件之间发生接触而短路，从而引起输出信号的异常。这种异常情况对于传统电子元器件是很少见的，按照非加电状态下的冲击试验方法也难以覆盖到。
GJB548B-2005(方法2002机械冲击)中规定的要求是冲击试验设备应能按规定对器件本体施加4900m/s2～294000m/s2(峰值加速度)的冲击脉冲，其脉冲宽度为0.1ms～1.0ms。冲击脉冲应是半正弦波，其允许失真不大于规定的峰值加速度的20％。在上升时间的峰值加速度的10％处与下降时间的峰值加速度的10％处之间测量脉冲宽度。脉冲宽度的绝对偏差应不大于规定宽度的±0.1ms或±30％。除另有规定，器件应在X1、X2、Y1、Y2、Z1和Z2的各个方向上承受五次脉冲冲击。具体的实验条件如表1所示。
表1 GJB548B规定机械冲击试验条件
Figure BDA0002279059210000011
Figure BDA0002279059210000021
如果直接参照GJB548B-2005(方法2002机械冲击)标准中相关的冲击试验方法，仅在非上电条件下开展MEMS传感器的冲击试验，则无法获得MEMS传感器在工作状态下的冲击可靠性信息，难以满足MEMS传感器在工程应用中的需求。
中电49所编写了企业军用标准Q/UN 20491-2013，对CA-DR-4195型MEMS三维电流型加速度传感器制定详细标准，其主要参考GJB360B-2009中的内容，冲击试验参考的内容为GJB360B-2009方法213：冲击(规定脉冲)试验。GJB360B-2009中规定的冲击试验条件如表2所示。
表2 GJB360B-2009冲击试验试验条件
Figure BDA0002279059210000022
GJB360B-2009方法213-冲击(规定脉冲)试验中同样没有指明加电情况下的冲击试验应该如何施行。
国外关于机械冲击试验的标准主要有MIL-STD-883J，其与GJB548B规定的试验条件没有区别。除此之外还有JEDEC固态技术协会制定的JESD22-B104C，其中对于机械冲击的试验条件规定为：器件应在选定的试验条件下规定的峰值级别进行5次冲击脉冲，在X1、X2、Y1、Y2、Z1和Z2每一个方向，施加规定的脉冲持续时间，总共30次冲击。具体试验条件如表3所示。
表3 JESD22-B104C冲击试验试验条件
Figure BDA0002279059210000023
如果直接参照GJB548B-2005(方法2002机械冲击)等标准中的冲击试验方法，仅在非上电条件下开展MEMS电容式加速度传感器的冲击试验，则无法获得MEMS电容式加速度传感器在工作状态下的冲击可靠性信息，难以满足MEMS电容式加速度传感器在工程应用中的需求，
因此，考虑到MEMS微观机械结构的特殊性，需建立能够覆盖MEMS电容式加速度传感器在电-冲击状态下失效模式和失效机理的试验方法，获得在电-机械冲击条件下产品的失效判据，支撑MEMS电容式加速度传感器电-机械冲击应力下的鉴定检验工作。
(三)发明内容：
1.目的：
本发明的目的是提供一种MEMS电容式加速度传感器电-机械冲击下的试验方法。测定MEMS加速度传感器在正常工作状态下(加电)承受机械冲击的能力，这种情况是在使用中由于突然受力或者改变运动状态发生的。这种类型的电-机械冲击可能破坏器件本身的微机械结构或引起器件内部短路，造成器件外部结构损坏或者工作特性改变。针对MEMS电容式加速度传感器的电-机械冲击试验的使用需求，提出其目的、试验要求、程序、失效判据，支撑MEMS电容式加速度传感器电-机械冲击应力下的鉴定检验工作。
2.技术方案：
本发明提供一种MEMS电容式加速度传感器电-机械冲击下的试验方法，其流程图如图2所示，它包括以下步骤：
步骤一：选定MEMS电容式加速度传感器，根据器件手册，确定机械冲击下电应力参数的测试条件，以及设计对应的测试电路板及夹具；
步骤二：根据MEMS电容式加速度传感器标定的最大机械冲击应力值，选择最大机械冲击应力值以及在表4中选择仅次于最大机械冲击应力值的两个试验条件，将这三组机械冲击脉冲值作为施加的机械冲击应力；
表4试验条件
Figure BDA0002279059210000041
步骤三：对器件施加半正弦冲击脉冲，脉冲宽度与峰值加速应在选择的试验条件中规定，详见表4所示。器件应牢固的固定在供电平台上(如焊接至PCB上)，采取预防措施防止冲击设备“弹跳”产生重复冲击，以及防止供电平台对冲击波的影响。每个应力下试验器件为三只，每只器件X1、X2、Y1、Y2、Z1和Z2各方向承受三次电-机械冲击应力；
步骤四：对于电-机械冲击过程器件的输出数据使用示波器或其他数据采集设备进行记录，包括每次冲击前输出、冲击过程输出波形、冲击后输出；
步骤五：外部目检，若发现器件产生裂纹，密封缺陷等现象，视为失效。以器件输出标称值4％取输出上下界限，器件在冲击前后输出不在此范围内，冲击前后输出误差超过10％，同样视为失效；
其中，在步骤一中述的“MEMS电容式加速度传感器”，是指一种能够测量加速度的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中，电容极板产生位移，通过对电容变化的测量，获得加速度值；
其中，在步骤一中述的“电应力参数的测试条件”，是指器件正常工作施加的电应力；
其中，在步骤二中述的“三组机械冲击脉冲值”，是指电-机械冲击中“机械冲击”的应力条件；
其中，在步骤三中述的“每个应力下试验器件为三只，每只器件X1、X2、Y1、Y2、Z1和Z2各方向承受三次电-机械冲击应力”，是指三组电-机械冲击试验共需9只器件，每只器件6个方向都承受3次试验，因此共需要162次试验；
其中，在步骤三中述的“X1、X2、Y1、Y2、Z1和Z2”，可将与器件内部主要元件主基座平面垂直的轴定为Z轴，把元件趋向于脱离该主基平面的方向定为Z2方向，相反为Z1方向。X1、X2、Y1、Y2方向在垂直于Z轴的平面内，互为90度夹角；
其中，在步骤四中述的“冲击前输出、冲击后输出”，可用示波器记录在一段时间内器件输出的平均值；
其中，在步骤四中述的“冲击过程输出波形”，可用示波器设置单次触发以及触发条件，以便及时捕获短暂电-机械冲击波形。
3.优点及功效：
本发明的目的是提供一种MEMS电容式加速度传感器电-机械冲击下的试验方法，该发明的优点是：
1)能获得MEMS电容式加速度传感器在工作状态下的机械冲击可靠性信息，满足MEMS电容式加速度传感器在工程应用中的需求；
2)形成覆盖MEMS电容式加速度传感器在电-机械冲击状态下的试验方法，获得在电-机械冲击条件下MEMS电容式加速度传感器的失效判据。能支撑MEMS电容式加速度传感器电-机械冲击应力下的鉴定检验工作。
(四)附图说明：
图1MEMS电容式加速度传感器梳状结构的失效模式
图2本发明所述方法流程图
图3测试电路原理图
图中符号代号说明如下：
Arm是MEMS微机械结构的梳臂
Finger是MEMS微机械结构梳臂上的梳齿
VS是电源正极电压，5V
COM是电源负极
Cdc1是去耦电容，大小为10μF
Cdc2是去耦电容，大小为0.1μF
ST是器件自测引脚
NC是器件悬空引脚
Xout(或X)是X轴输出电压
Yout(或Y)是Y轴输出电压
C2是实现Y轴低通滤波抗混叠和噪声抑制的输出电容，大小为2nf
C3是实现X轴低通滤波抗混叠和噪声抑制的输出电容，大小为2nf
P1、P2是输出连接端子
ADXL203是MEMS电容式加速度传感器型号
(五)具体实施方式：
本发明所描述的试验方法以ADXL203为例进行演示。结合具体的实际试验，对本发明所述的一种MEMS电容式加速度传感器电-机械冲击下的试验方法进行详细说明。
本发明提供一种MEMS电容式加速度传感器电-机械冲击下的试验方法，具体实施步骤如下：
步骤一：选定MEMS电容式加速度传感器ADXL203，根据器件手册，确定机械冲击下电应力参数的测试条件，设计的测试电路如图3所示，VS＝5V；
步骤二：根据MEMS电容式加速度传感器标定的最大机械冲击应力值(3000g)，选择在表5中峰值加速度为1500g、2000g以及3000g的三组机械冲击脉冲值作为施加的机械冲击应力；
表5试验条件
峰值加速度(g) 脉冲持续时间(ms) 速度变化量(m/s)
30 11 2.10
50 11 3.50
75 6 2.86
100 6 3.82
500 1 3.18
1000 0.5 3.18
1500 0.5 4.78
2000 0.5 /
3000 0.3 /
>3000 0.2 /
步骤三：对器件施加半正弦冲击脉冲，脉冲宽度与峰值加速应在选择的试验条件中规定，详见表4所示。器件应牢固的固定在供电平台上(如焊接至PCB上)，采取预防措施防止冲击设备“弹跳”产生重复冲击，以及防止供电平台对冲击波的影响。每个应力下试验器件为三只，每只器件X1、X2、Y1、Y2、Z1和Z2各方向承受三次电-机械冲击应力，器件试验分组信息如表6所示；
表6器件试验分组
步骤四：对于电-机械冲击过程器件的输出数据使用示波器或其他数据采集设备进行记录，包括每次冲击前输出、冲击过程输出波形、冲击后输出，数据记录结果如表7.8.9所示；
表7 1500g电-机械冲击试验数据
Figure BDA0002279059210000072
表8 2000g电-机械冲击试验数据
Figure BDA0002279059210000082
表9 3000g电-机械冲击试验数据
Figure BDA0002279059210000091
步骤五：外部目检，1#-9#器件均未发现器件产生裂纹，密封缺陷等现象。器件零点下输出标称值为2.5V，以器件输出标称值4％取输出上下界限，定义失效为器件在零点下输出不在2.4-2.6V范围内，器件在-1g下输出不在1.36-1.64V范围内，器件在+1g下输出不在3.36-3.64V范围内。冲击前后输出误差超过10％，同样视为失效。根据失效判据，在三组电-机械冲击试验中，ADXL203器件均未失效，通过电-机械冲击试验考核。

Claims (3)

1.一种MEMS电容式加速度传感器电-机械冲击下的试验方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：选定MEMS电容式加速度传感器，根据器件手册，确定机械冲击下电应力参数的测试条件，以及设计对应的测试电路板及夹具；
步骤二：根据MEMS电容式加速度传感器标定的最大机械冲击应力值，选择最大机械冲击应力值以及在表4中选择仅次于最大机械冲击应力值的两个试验条件，将这三组机械冲击脉冲值作为施加的机械冲击应力；
表4试验条件
峰值加速度(g) 脉冲持续时间(ms) 速度变化量(m/s) 30 11 2.10 50 11 3.50 75 6 2.86 100 6 3.82 500 1 3.18 1000 0.5 3.18 1500 0.5 4.78 2000 0.5 / 3000 0.3 / >3000 0.2 /
步骤三：对器件施加半正弦冲击脉冲，脉冲宽度与峰值加速应在选择的试验条件中规定，详见表4所示。器件应牢固的固定在供电平台上(如焊接至PCB上)，采取预防措施防止冲击设备“弹跳”产生重复冲击，以及防止供电平台对冲击波的影响。每个应力下试验器件为三只，每只器件X1、X2、Y1、Y2、Z1和Z2各方向承受三次电-机械冲击应力；
步骤四：对于电-机械冲击过程器件的输出数据使用示波器或其他数据采集设备进行记录，包括每次冲击前输出、冲击过程输出波形、冲击后输出；
步骤五：外部目检，若发现器件产生裂纹，密封缺陷等现象，视为失效。以器件输出标称值4％取输出上下界限，器件在冲击前后输出不在此范围内，冲击前后输出误差超过10％，同样视为失效。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS电容式加速度传感器电-机械冲击下的试验方法，其特征在于：
在步骤三中述的“每个应力下试验器件为三只，每只器件X1、X2、Y1、Y2、Z1和Z2各方向承受三次电-机械冲击应力”，是指三组电-机械冲击试验共需9只器件，每只器件6个方向都承受3次试验，因此共需要162次试验。
3.根据权利要求1所述的一种MEMS电容式加速度传感器电-机械冲击下的试验方法，其特征在于：
在步骤五中述的“外部目检，若发现器件产生裂纹，密封缺陷等现象，视为失效。以器件输出标称值4％取输出上下界限，器件在冲击前后输出不在此范围内，冲击前后输出误差超过10％，同样视为失效”此为试验方法的失效判据。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114018729A (zh) * 2021-11-02 2022-02-08 上海交通大学 基于mems技术的微粒子加速装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61111597A (ja) * 1984-11-06 1986-05-29 松下電器産業株式会社 軸リード型電子部品の自動挿入適合化試験法
CN101368869A (zh) * 2008-09-28 2009-02-18 唐德尧 一种检测振动冲击的广义共振复合传感器
CN101476970A (zh) * 2009-01-14 2009-07-08 大连理工大学 一种用于mems动态特性测试的底座激励装置
CN106370330A (zh) * 2015-07-21 2017-02-01 北京大学 一种基于片上冲击强度检测试验机利用电流变化检测微结构冲击碰撞应力波脉宽和峰值方法
CN206074210U (zh) * 2016-10-15 2017-04-05 渤海大学 一种用于mems微结构动态特性测试的高温环境加载装置
CN206876369U (zh) * 2017-06-30 2018-01-12 中国石油大学(北京) 测试mems构件振动特性的系统

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61111597A (ja) * 1984-11-06 1986-05-29 松下電器産業株式会社 軸リード型電子部品の自動挿入適合化試験法
CN101368869A (zh) * 2008-09-28 2009-02-18 唐德尧 一种检测振动冲击的广义共振复合传感器
CN101476970A (zh) * 2009-01-14 2009-07-08 大连理工大学 一种用于mems动态特性测试的底座激励装置
CN106370330A (zh) * 2015-07-21 2017-02-01 北京大学 一种基于片上冲击强度检测试验机利用电流变化检测微结构冲击碰撞应力波脉宽和峰值方法
CN206074210U (zh) * 2016-10-15 2017-04-05 渤海大学 一种用于mems微结构动态特性测试的高温环境加载装置
CN206876369U (zh) * 2017-06-30 2018-01-12 中国石油大学(北京) 测试mems构件振动特性的系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DANELLE M. TANNER ET.AL: "MEMS reliability in shock environments", 《2000 IEEE INTERNATIONAL RELIABILITY PHYSICS SYMPOSIUM PROCEEDINGS》 *
谭杨康: ""MEMS高g值加速度传感器的失效分析", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114018729A (zh) * 2021-11-02 2022-02-08 上海交通大学 基于mems技术的微粒子加速装置
CN114018729B (zh) * 2021-11-02 2022-05-17 上海交通大学 基于mems技术的微粒子加速装置

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