(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111445378.9 (22)申请日 2021.11.30 (71)申请人 中国兵器 工业集团第二 一四研究所 苏州研发中心 地址 215000 江苏省苏州市高新区龙山路 89号 (72)发明人 苏亚慧　鞠莉娜　乔伟　黄艳辉　 (74)专利代理 机构 苏州创元专利商标事务所有 限公司 3210 3 代理人 范晴　孙佳佳 (51)Int.Cl. G01C 25/00(2006.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种复杂工况下MEMS惯性器件可靠性评测 方法 (57)摘要 本发明公开了一种复杂工况下MEMS惯性器 件可靠性评测方法， 包括： 确定复杂工况下MEMS 惯性器件的失 效模式与失效机理； 根据MEMS器件 的材料、 结构、 工艺等本构特性以及器件在复杂 工况下的失效机制及两者的关联性分析， 确定 MEMS惯性器件在各敏感应力下的可靠性评价模 型； 根据确定的可靠性评价模型及加速因子， 设 计确定评价MEMS惯性传感器在复杂工况下可靠 性评估方法； 设计形成适应多复杂工况的加速评 价试验方法。 本发明从MEMS惯性器件中材料 ‑工 艺‑结构的失效模式、 失效机理出发， 构建关键结 构相关失效物理模型， 并引入环境载荷因子， 最 终建立MEMS惯性器件在复杂工况下的可靠性加 速模型， 可 快速评价器件可靠性。 权利要求书4页 说明书10页 附图3页 CN 114088117 A 2022.02.25 CN 114088117 A 1.一种复杂工况 下MEMS惯性器件可靠性评测方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： S1、 确定复杂工况 下MEMS惯性器件的失效模式与失效机理； 具体按以下子步骤执 行： S11、 确定MEMS惯性器件在寿命周期内的环境载荷剖面； S12、 确定 MEMS惯性器件中的材 料体系和工艺特点； S13、 根据S11和S12确定的器件的环境载荷剖面、 材料体系和工艺特点， 建立微观退化 机理和外界环境载荷的关联性矩,为建立复杂环境的可靠性评价模型提供基础支撑； S2、 根据步骤S1对MEMS器件的材料、 结构、 工艺等本构特性以及器件在复杂工况下的失 效机制及两者的关联性分析， 确定 MEMS惯性器件在各 敏感应力下的可靠性评价模型； 具体按以下子步骤执 行： S21、 根据 步骤S1确定的MEMS惯性器件中的主要失效模式与失效机理， 构建典型MEMS惯 性器件在典型环境载荷作用下的失效物理模型； S22、 根据步骤S21确定的单应力可靠性模型， 构建MEMS惯性器件在典型复杂环境载荷 作用下的可靠性评价模型； S23、 根据S2 2建立的复杂环境下的可靠性评价模型， 确定各模型的加速因子； S3、 根据步骤S2确定的各敏感应力的可靠性评价模型及加速因子， 设计确定具体的评 价MEMS惯性传感器在复杂工况 下可靠性评估方法； S4、 根据步骤S3确定的加速 评价模型， 设计形成适应多复杂工况的加速 评价试验方法。 2.根据权利要求1所述的复杂工况下MEMS惯性器件可靠性评测方法， 其特征在于， S11 中确定MEMS惯性器件在寿命周期内的环境载荷剖面包括： 在获得MEMS器件详细应用环境的前提下， 确定其在不同工况下的环境载荷剖面； 环境 载荷剖面是指温度、 振动、 电的应力 及其组合， 影响MEMS器件可靠性的外因参数是各应力组 合及其它们的幅值、 持续时间、 以及应力间的相互耦合及影响； 环境载荷基于其物理特性分 解为热、 力、 电的载荷； S12中确定 MEMS惯性器件中的材 料体系和工艺特点包括： 考虑失效和退化面向MEMS惯性器件的基础和共性问题， 从基础理论和底层材料的角度 自下而上地解释材料特性、 工艺过程、 传感器微结构的失效和退化的关联性； 通过分析与 MEMS惯性传感器相关的材料、 工艺、 结构本构关系以及器件在多工况即多物理场耦合作用 下的失效机制， 为评估M EMS惯性传感器的可靠性 提供理论基础。 3.根据权利要求2所述的复杂工况下MEMS惯性器件可靠性评测方法， 其特征在于， S21 中根据步骤S1确定的MEMS惯 性器件中的主要失效模式与失效机理， 构建典型MEMS惯 性器件 在典型环境载荷作用下的失效物理模型包括： (1)与机械应力相关的振动疲劳加速试验 模型 机械应力产生的振动疲劳损伤建立在断裂力学疲劳定律之上， 从描述材料疲劳现象的 S－N曲线出发， 得到 机械应力与寿命的关系如下： LF＝AP‑m                                 (1) 式中， LF是某振动疲劳寿命特征量， P为应力幅值或功率谱密度值， A和m为材料双对数S ～N曲线中的常数； (2)与热应力相关的阿伦尼斯模型权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114088117 A 2高温能使器件内部加快物理化学反应， 促使器件提前失效， 以温度作为加速应力的加 速寿命模型如下： 式中， LT是某寿命特征量； B是一个常数， 且B＞0， Ea是激活能， 与材料有关， 单位是电子 伏特； k是波尔兹曼常数； T是绝对温度； (3)与电应力相关的逆幂律模型 加大电压能促使器件提前失效； 以电应力作为加速应力的加速模型如下： LE＝CV‑n                                  (3) 式中， LE是某寿命特征量； C 是一个正 常数； n是一个与激活能有关的正 常数； V是应力， 常 取电压。 4.根据权利要求3所述的复杂工况下MEMS惯性器件可靠性评测方法， 其特征在于， S22 中根据步骤S21确定的单应力可靠性模型， 构建MEMS惯性器件在典型复杂环境载荷作用下 的可靠性评价模型， 包括： (1)构建多应力耦合的加速寿命试验通用模型 通用假设f(x)为机械应力 x对器件性能与可靠性特征量的影响； f(y)为温度热应力y对 器件性能与可靠性特征量的影响； f(z)为机械应力z对器件性能与可靠性特征量的影响； 机 械应力、 热应力和电应力对产品性能与可靠性特征量的影响函数关系表达式为F(x,y,z)， 则： F(x,y,z)＝f(x)f(y)f(z)                  (4) 求全微分方程得: dF(x,y,z)＝f(y)f(z)f'(x)+f(x)f(z)f'(y)+f(x)f(y)f'(z)          (5) 即 F(x,y,z)＝f(y)f(z)∫ f(x)dx+f(x)f(z)∫ f(y)dy+f(x)f(y)∫ f(z)dz          (6) 根据应力条件特 征研究， 明确机电热三个 应力因素的确 切范围后， 可 得到: 求全微分得: 即 式中， f(x)、 f(y)、 f(z)为单应力条件下， 应力 因素对产品性能与可靠性影响的函数关 系表达式， 根据现有机理模 型获取， 或根据试验数据或仿真数据拟合获得； a、 b、 c、 a'、 b'、 c' 为常数系数， 可根据单应力、 双应力的仿真结果或试验数据求得；权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114088117 A 3