汽车 MEMS传感器可靠性设计探析

邱翠榕

摘 要：随着科学技术的不断发展，汽车电子已经成为了汽车工业发展的关键技术，传感器是汽车电子产品中的基础产品，也是关键产品。为了满足汽车工业的新需求，各种新技术和新材料的研发使传感器以及传感器系统不断进步和升级。微机电系统（MEMS）技术用于制作各种性能敏感的微型传感器，在汽车中得到了广

泛的运用。关键词：MEMS技术；传感器；可靠性设计

1 引言

汽车 MEMS传感器是运用 MEMS技术制作的一种微型传感器，热学量、力学量以及化学量等性能都非常敏感，体积小，便于安装，能耗低可节省大量的能源。此外，汽车 MEMS传感器还具有多种性能，精度非常高，容易构成多功能阵列，生产起来也非常方便，可以大批量的生产，并且单件的成本较低。 MEMS技术可以满足汽车对环境的苛刻性，使电子技术在汽车行业得到了广泛的运用。

2 汽车 MEMS传感器可靠性设计中存在的问题

汽车 MEMS传感器可靠性的探究式一个复杂的过程，在目前的传感器可靠性研究中，并没有从整个传感器的整个开发环节其研究系统的可靠性因素，还没有形成一种全面的汽车传感器的可靠性设计方式。 MEMS系统的工作原理比较复杂，涉及到多个领域和多个学科，一般在 MEMS装置中包含可动部件，这也是传感器在制造和使用的过程中容易出现各种问题的主要原因。由于 MEMS失效机理还尚没被人们所熟知，不同的失效机理缺乏内在联系和相互作用的研究，并没有在此基础上建立可靠的失效模型和可靠性因素评价体系。 MEMS产品在生产的过程中，可以看成是一个大规模生产集成电路的过程，但是人们对 MEMS的可靠性的要求却超过了集成电路的要求。目前在 MEMS可靠性的研究中，在制造环节和封装环节中存在各种不确定的因素，对这类不确定因素的分析并不完备，大多数的 MEMS可靠性的分析都是定性分析，而并没有向成熟的定量分析方向转变。此外，对传感器寿命的模型研究并不多见，有待加强。

3 汽车 MEMS传感器的可靠性设计方法

3.1 基于阶段主导可靠性因素的传感器可靠性设计

汽车传感器在开发的过程中，在不同的阶段受到不同可靠性因素的影响，在设计过程中材料的种类、零件的结构和传感器的设计参数之间也会相互影响。传感器设计的可靠性涉及到传感器设计的多个环节，例如设计环节、制造环节、封装环节和使用阶段等，产品的设计以及材料的选择都要考虑到不可靠的因素。在一个新产品的开发过程中，每一个环节和阶段出现的问题都会影响产品的可靠性。所以在开发一个产品的过程中，对每一个阶段都要引起高度的重视，做好各种评估和测试，确定每一个环节产品的可靠性主要受到哪些因素的影响，产品在开发设计的过程中，所有的材料和特性以及产品的设计参数都会相互影响。因此在设计汽车 MEMS传感器的时候，可以建立基于阶段主导可靠性因素的设计平台或者模拟设计平台。通过建立一个模拟的设计平台，可以对微机电系统和宏观设备在可靠性方面的要求的差异进行分析。

3.2 建立完整的可靠性因素评价体系和失效模型

通过分析微系统结构本身以及装配等各种因素对微机电系统的寿命的影响，从失效的原因上来分析传感器的失效机理和可靠性因素，从而建立有效的失效模型和可靠性的因素评价体系。在建立失效模型的时候，所有的测量都是使用微尺度，而在微尺度下表现出来的表面效应和尺度效应和宏观范畴的规律并不是完全等同的。在对汽车 MEMS传感器进行失效分析的时候，要从失效的现象找出失效的原因和失效的机理，从而建立失效模式。在对汽车传感器的整体可靠性进行分析的时候，应该从多个方面进行考虑，首先是分析在不同阶段传感器的可靠性受到哪些因素的影响，对于同一阶段的各种可靠性影响因素，对所有的因素进行重要性分析，找出关键因素，最终对主导可靠性因素进行分析。除此之外，还需要对各个因素间的相互关系进行分析。对 MEMS传感器造成失效的原因主要有机械的冲击载荷，湿度冲击以及温度冲击等。在对传感器的可靠性进行研究的时候，应该要重点分析各种物理因素化学因素等对系统和零件造成的影响。

3.3 定量描述传感器系统寿命分布模型

在设计 MEMS汽车传感器的时候，需要对传感器的工作寿命进行研究，此时可以通过定量描述传感器系统寿命分布模型来确定影响传感器系统寿命的可靠性因素，从而确定整个系统的工作寿命。一般而言，传感器的寿命周期主要分为三个阶段，初期、中期和末期。其中最关键的阶段就是中期，这也是传感器的工作期。在分析传感器的工作寿命的时候，通过研究影响系统工作寿命的因素来对产品的可靠性进行定量分析。在确定系统传感器系统的特性曲线的时候，需要确定各种可靠性的参数。在确定参数的时候，可以从传感器的预期作用和任务要求、传感器的工作环境，包括自然工作环境的分析和需要承受的机械应力的大小和系统的预期寿命来对系统的可靠性进行定量描述，确定其寿命分布。在描述寿命分布的概念函数的时候，首先应该定义可靠性的计算概念函数，常用的函数有概念密度函数、可靠性函数和失效率。建立函数之后，接下来就是确定可靠性参数，这个参数的确定一般是在实际的实验中获得的，采用人为加速老化的实验。通过实验获得可靠性参数之后，根据传感器的类型建立合适的模型，将实验的结果外推导实际的使用环境中。通过模拟和实验的共同方式，最终确定参数对系统的影响量化，从而优化传感器设计，提高传感器的使用寿命。

4 结语

在汽车 MEMS传感器的可靠性设计中，可以使用基于阶段主导可靠性因素的传感器可靠性设计方法，对可靠性因素评估体系和失效模型进行研究和分析，定量描述传感器系统寿命分布模型对传感器系统的使用寿命可靠性因素进行分析研究，从而实现汽车 MEMS传感器的可靠性设计。

参考文献：

[1]吕良，邓中亮，刘玉德，辛洪兵 . 基于MEMS技术的汽车传感器研究进展 [J].电工技术学报，2007，04：77-84.

[2]吕良 . MEMS汽车传感器设计关键技术的研究 [D].北京邮电大学，2011.

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