加速度计贮存寿命与可靠性的步进应力加速退化试验评估方法

针对加速度计长期贮存环境下贮存可靠性无法准确快速评估的难题,应用步进应力加速退化试验方法快速评估某加速度计的贮存可靠性。首先对加速度计实施故障模式影响及危害性分析和故障树分析,确定敏感应力为温度应力,加速模型为阿伦尼斯模型。其次,对其实施步进应力加速退化试验,并建立数学模型拟合其在各温度应力下性能退化曲线,结合失效阀值求解各样本的伪寿命。通过对各应力水平下样本的伪寿命进行分布假设检验,确定其贮存寿命服从威布尔分布,最终利用加速模型外推正常温度下的寿命分布参数,进行正常温度下贮存期寿命和可靠性指标的评估,得到加速度计在贮存140 160 h(16 a)时的可靠度为0.988。     

高量程压阻式加速度计的Hopkinson杆冲击测试及失效分析

为了保证高量程加速度计在冲击过程中的可靠性、有效性,减小其失效几率,以Hopkinson杆作为加载手段,采用激光干涉法对量程为1.0′10~5 g_n的4端全固支压阻式梁-岛结构微加速度计进行冲击试验,并分析了高量程加速度计抗过载能力及在冲击环境下失效模式和失效机理。试验中抽样对同种结构的10只传感器分别进行了冲击测试,根据测试结果可知,该结构的微加速度计抗过载能力为1.3′10~5g_n。通过分析可知失效模式主要表现为微结构梁的断裂、裂纹、键合点脱落现象。通过研究失效模式产生的原因发现,造成结构出现断裂、裂纹现象的原因主要有两种:一是重复连续冲击测试引起微结构疲劳产生失效;二是由于在冲击过程中加速度计芯片与该过程中产生的高频信号分量发生共振导致过载瞬间增大加速度计芯片结构位移失控使结构失效。通过采用不同手段完善传感器结构,提高了其可靠性。     

蝶翼式MEMS加速度计温度稳定性提升方法

环境温度变化造成的热应力是影响MEMS加速度计性能的关键因素。为了提升MEMS加速度计温度稳定性，以蝶翼式MEMS加速度计为研究对象，分别在敏感芯片上设计应力释放结构和敏感芯片与陶瓷基底之间设计应力隔离结构。利用有限元分析工具COMSOL对有无应力释放和隔离结构的情况进行了对比仿真，结果表明敏感单元上的敏感梁应用应力释放结构只有原结构最大应力水平的0.3%，封装时采用应力隔离结构间接连接比原直接连接方式最大应力下降一个数量级。采用微机械加工技术和微电子工艺技术结合的MEMS加工工艺实现含应力隔离结构的加速度计原理样机制作。对样机进行温度测试，试验结果表明有应力释放与隔离结构在-40?°C~60?°C区间的漂移量比无应力释放与隔离结构提升约3.5倍，验证了应力释放与隔离结构对温度稳定性提升的有效性，研究结果可以为加速度计在高性能、恶劣环境下的应用提供参考。     

基于加速退化模型的加速度计非线性特征分析及贮存寿命预测

针对具有非线性退化特征的加速度计在长期贮存环境下贮存寿命难以有效评估的问题,在恒定应力加速退化试验条件下利用非线性退化模型评估某加速度计贮存寿命。首先通过分析加速度计性能退化机理,确定作用温度为主要应力,Arrhenius模型为加速模型。其次,建立非线性退化模型,分析模型特征参数与应力水平的关系,推导出受加速模型限制的寿命分布概率密度函数。最后用极大似然估计与统计分析结合的参数辨识法估计特征参数。实验结果表明:该加速度计的期望贮存寿命为64 200h,其漂移系数与扩散系数均随温度升高而增大,形状参数则保持不变。     

基于加速因子不变原则的加速度计可靠性分析

针对加速退化建模时过多依靠主观经验容易造成可靠性评估结果不准确,提出一种基于加速因子不变原则的加速退化建模方法。考虑了三个具有随机参数的Wiener过程模型,通过加速因子不变原则,推导得到了三类模型各参数的变化规律。在此基础上,以Arrhenius模型为加速模型得到了加速应力下三类模型的可靠度函数,从而克服依赖假定进行加速退化建模容易造成较大误差的不足。针对模型适用但并非相对最优的问题,提出综合利用分位数图(QQ图)、箱线图、偏差信息准则(DIC)值等确定相对最优模型的方法。加速度计加速退化数据应用验证了所提方法的有效性,为加速退化可靠性评估提供了一种相对客观的技术方法。     

光纤陀螺加速退化试验的可行性

以可靠性试验技术为基础,对加速退化试验方法在光纤陀螺产品中实施的可行性进行了探索研究。对光纤陀螺所用器件在长期使用条件下性能变化及其对陀螺整机性能的影响进行了分析,阐述了光纤陀螺性能退化存在的可能性,并通过光纤陀螺长期使用实验数据进行验证,得出了光纤陀螺具有性能退化特性的结论。采用可靠性摸底试验方法对光纤陀螺性能退化在温度环境应力下的可加速性进行了探索,通过温度加速应力下光纤陀螺实际工作性能数据分析得出其性能退化具有加速性,对光纤陀螺实施加速退化试验可行。     

MEMS惯性器件敏感电容结构相关温度漂移特性仿真（英文）

基于MEMS器件的微型惯导系统的精度和MEMS惯性器件的全温稳定性具有很高的相关性。MEMS结构相关的温度漂移主要来自材料之间的热失配应力,工艺引入的应力,以及封装应力等。而相关应力在MEMS结构中的分布以及所造成的应变又和MEMS结构具有一定相关性。通过ANSYS有限元分析软件建立了多种MEMS惯性器件常用梁-质量块结构的FEM模型,具体包括悬臂梁结构、双端固支梁结构、L形梁结构、对角支撑梁结构。通过热-力耦合仿真,研究了热失配应力在上述结构中的分布以及所产生的结构变形。对比分析了不同芯片粘胶形式,包括中心粘胶、三点粘胶、整片粘胶对上述MEMS结构引入的封装应力以及其全温(-40℃~60℃)温度漂移特性。此外,还分析研究了不同衬底厚度对MEMS结构封装应力的隔离效果。     

MEMS惯性器件敏感电容结构相关温度漂移特性仿真

基于MEMS器件的微型惯导系统的精度和MEMS惯性器件的全温稳定性具有很高的相关性.MEMS结构相关的温度漂移主要来自材料之间的热失配应力,工艺引入的应力,以及封装应力等.而相关应力在MEMS结构中的分布以及所造成的应变又和MEMS结构具有一定相关性.通过ANSYS有限元分析软件建立了多种MEMS惯性器件常用梁-质量块结构的FEM模型,具体包括悬臂梁结构、双端固支梁结构、L形梁结构、对角支撑梁结构.通过热-力耦合仿真,研究了热失配应力在上述结构中的分布以及所产生的结构变形.对比分析了不同芯片粘胶形式,包括中心粘胶、三点粘胶、整片粘胶对上述MEMS结构引入的封装应力以及其全温(-40℃～60℃)温度漂移特性.此外,还分析研究了不同衬底厚度对MEMS结构封装应力的隔离效果.     

翘翘板摆式MEMS加速度计振动整流误差

MEMS加速度计凭借其体积小、成本低、可靠性高及可批量生产等优势,已经在战术级精度的武器领域得到了广泛应用。但是,在振动环境下的输出误差(振动整流误差)成为其向导航级精度发展的主要指标瓶颈。为了减小MEMS加速度计的振动整流误差,对传感器芯片结构不对称性和电路零位误差引起的力矩器结构非线性进行了理论分析,然后按照振动法测非线性的方式对上述误差源引起的系统级误差模型进行了仿真试验验证,确定了各误差源与加速度计非线性系数间的影响关系。最后,对主要误差源(电路零位)优化前后的MEMS加速度计振动整流误差和非线性系数进行了测试对比,结果表明:优化后,在50~1500 Hz频率范围内MEMS加速度计二阶非线性的最大值可由1E-4g/g~2降至5E-6g/g~2。     

小子样条件下某型加速度计步降加速寿命试验优化设计

为了解决小样本条件下某型加速度计进行步降应力加速寿命试验的方案优劣难以评估的难题,提出一套适合于工程应用的优化设计方法。首先针对自然贮存试验的统计数据,采用基于极小卡方估计和拟合优度检验相结合的贮存可靠性评估方法以及最小二乘法建立寿命分布模型和加速方程。然后进行高温老化试验,依据失效模式分析机制和已建的失效树确定加速应力上限,完善加速寿命试验先验知识。最后对试验样本量进行可信度评定并根据先验知识采用基于思维进化算法优化BP神经网络的仿真方法进行优化设计,得到最优试验方案并通过试验进行验证。结果表明,该最优试验方案计算得到的先验参数值与原值之间的相对误差不超过1.7%,可以满足工程应用。