基于故障树分析的薄膜压力传感器可靠性

范迎新 何峰 蓝镇立

（中国电子科技集团公司第四十八研究所 湖南省长沙市 410110）

1 简介

压力传感器广泛应用于工业过程、信息装备、武器装备等领域，压力传感器产值占世界传感器市场份额的第一位，用量仅次于温度传感器。其中溅射薄膜压力传感器由于具有优越的耐恶劣环境、良好的抗冲击能力、温漂小、精度高等特点，已成为压力传感器的主要发展方向，成为国内外研究热点[1][2]。

但是溅射薄膜压力传感器设计因素复杂，影响其可靠性不确定因素较多。因此，如何加强可靠性设计，是溅射薄膜压力传感器应用的关键问题之一。故障树分析法（Fault Tree Analysis，简称FTA）是传感器可靠性分析的有效工具，通过故障树分析法，找出产品薄弱环节，为改善和评估产品可靠性提供有益数据，可进一步提高传感器的可靠性。

2 故障树基本概念

通过分析可能造成产品故障的硬软件、人为、环境等因素，画出相应的故障树，从而确定产品出现故障原因的各种可能组合方式及发生概率，这种分析技术叫故障树分析。它是以图形的方式表明“产品是怎样失效的”[3][4]。

其一般步骤如下：

2.1 熟悉系统

必须深入学习产品的设计原理、电气性能、使用环境、失效模式等。广泛搜集实际故障诊断的第一手资料，分析、归纳并提炼出典型故障，建立故障症状与故障原因集。

2.2 选择顶事件

选好顶事件非常重要，有利于使整个系统故障分析相互联系起来。顶事件选择依据有两点：一是找出所有故障模式，选择对产品影响最大的故障模式作为顶事件；二是顶事件必须能够分解成若干独立的事件，以供分析。

2.3 建造故障树

找出故障症状，故障原因的层级关系，确定构建连接事件与事件的逻辑结构图，即故障树，把系统最不希望发生的故障事件作为故障分析的目标。

目前建树方法有两种，一种是计算机辅助法，另一种是最常用的演绎法，首先选择合适顶事件；再找出所有可能引起顶事件发生的事件原因，如设计缺陷、工艺问题、物料原因等；然后再深入挖掘引起各个子事件的下一层子事件原因，直至找到最底层的事件原因，称为底事件，才算完成失效分析的初步过程；最后，将顶事件与各个事件用清晰明了逻辑符号连接，故障树就构建完成。

2.4 故障树分析

通过该分析技术，帮助设计、生产人员发现潜在的故障，用于指导产品优化设计、故障判断和维修方案，提高产品可靠性。

3 故障树分析在薄膜压力传感器可靠性研究中的实际运用

薄膜压力传感器的工作原理是采用离子束溅射工艺在弹性体上制备四个薄膜合金电阻，构成惠斯通电桥。压力P 作用在弹性体上，使弹性体产生变形，弹性体变形使电阻阻值发生变化，使惠斯通电桥输出与压力成比例的电信号。其原理图如图1 所示。

表1：薄膜压力传感器失效模式

表2：传感器故障次数统计表

图1：薄膜压力传感器的基本原理图

图2：薄膜压力传感器调理电路

在信号调理方面，采用高精密仪用放大器对差分信号进行放大，通过满量程和零点偏移调整，输出标准电压信号。电路原理图见图2。

图3：薄膜压力传感器故障树分析图

结合薄膜压力传感器配套某武器装备系统出现的故障情况，应用故障树理论，以输出信号异常为顶事件进行故障诊断研究，选定“压力传感器故障”作为传感器故障树的顶事件。图3 是薄膜压力传感器故障树分析图，选定“E1调理电路故障”、“E2 敏感芯体故障”、“E3 结构故障”作为传感器故障树的第二级事件。

通过对薄膜压力传感器的故障树分析，找出3 大类21 小类的常见传感器失效机理模型，具体见表1。为了更好地制定传感器可靠性改进的方案，通过对近万只交付薄膜压力传感器的故障现象进行了分析，对其发生原因及频率进行统计。结果如表2 所示。

由表2 可知，调理电路失效、敏感芯体失效及结构件失效是薄膜压力传感器产生故障的主要原因。下面我们针对失效多发的模式进行深入地研究分析，找出具体的失效机理。

薄膜压力传感器调理电路故障是最多的。包括稳压器件、运算放大器、电阻、电感等失效。经统计分析，这些电子元器件的失效，一方面是由于元器件自身存在质量问题，因此，需要从元器件的选型和采购源头上解决，并进一步通过装机前的筛选试验来加强质量管控，提高元器件的可靠性。另一方面，由于元器件受到强电磁干扰、静电放电以及电压过载等影响，导致元器件性能下降甚至发生不可逆的损伤，造成传感器工作可靠性差和故障的主要原因之一。针对这种情况，在电路设计时需充分考虑传感器的EMC 设计，提高产品的抗电磁干扰和抗静电损伤的能力，同时，需要兼顾产品的冗余设计，确保产品在工作过程中发生意外导致激励电压变大、超出产品正常工作电压情况下不损坏，甚至可正常工作。因此，合理的电路设计和元器件选型，不仅可以提高产品可靠性，在使用寿命、后期维护维修成本、性价比上均会有显著改善，带来更好的经济和社会效益。

薄膜压力传感器敏感芯体是基于半导体工艺制备而成，其核心是压敏薄膜电阻的性能稳定性。从敏感芯体故障原因中发现薄膜电阻变化引起传感器故障占主要因素。影响薄膜电阻稳定性的原因包括压敏芯片的内应力释放，静电损伤等。针对内应力释放问题，可通过热处理和温度循环方法加速应力释放，提高薄膜芯体稳定性。静电损伤一直以来都是电子元器件故障发生的最主要原因之一，特别是在我国的北方，静电现象十分严重，因此，一方面通过优化设计和工艺方法提高压敏芯体抗静电能力，另一方面在使用过程中还需要采取有效的静电防护措施，避免产品在安装、储运、使用过程中发生静电损伤事件。

此外，由于焊接熔深、密封等问题导致的结构故障也是传感器失效的主要原因。这些故障主要与传感器的金属结构焊接工艺和设备相关，焊接参数的合理性、环境温湿度控制、设备性能状态、焊接件表面清洁度等都会对焊接的结果造成影响。需要设备维护保养人员定期和不定时的进行检查与巡检，排除设备的不稳定因素，需要工艺人员对焊接件进行焊接试验与验证，确保足够的强度冗余，需要在温湿度可控的环境下进行焊接操作，避免温湿度对设备状态和焊接件表面质量造成不利影响。

4 结论

本文采用故障树分析法对薄膜压力传感器发生故障的模式和原因进行了梳理，总结归类出3 大类21 小类的常见传感器失效机理模型。结合产品失效统计情况，分别从传感器芯体、信号调理电路、结构这三方面对传感器的故障原因进行分析，得到薄膜压力传感器的主要故障原因，并针对故障原因提出了改进措施及建议。