MEMS惯性测量组合失效分析

0 引言

惯性导航技术不仅在军事领域，并且在陆地、航空、航天以及航海等许多领域都有广泛的应用。惯性器件是实现精确制导的关键子系统，用于实时测量载体的角速率、加速度，以及位置、速度和姿态等信息，并同时参与制导系统的控制回路和制导回路。传统的惯性系统由于体积大、成本高，已经越来越不适应现代武器装备小型化的需求。

微机械电子系统（MEMS）是20世纪末兴起的前沿性土程科学，它是随着半导体技术集成电路微细加工技术的迅速发展而崛起的一门多学科交叉的军民两用的高新技术。MEMS惯性器件是MEMS技术研究的一个重要方向，也是研制微型惯性导航系统的前提。MEMS惯性测量组合成本低、体积小、重力轻自主性强的特点，使得其在航空、航天、军事等众多领域中都有着十分广阔的应用前景。由于MEMS惯性测量组合在系统中的关键作用，导致其失效会给系统带来严重的后果。本文结合某型号MEMS惯性测量组合失效的案例，对其进行失效分析，详细描述了失效分析过程。

1 失效情况简介

MEMS惯性传感器的结构主要包括机械感应结构和检测电路两大部分[4]此惯性测量组合由三个陀螺仪、三个线加速度计、数字电路、电源转换电路、应用软件和结构本体组成。其中陀螺仪用于敏感载体在三个正交轴上的角速度信息；线加速度计用于敏感载体在三个正交轴上的加速度信息；数字电路及其软件用于对组件误差进行补偿，并将信息通过1路422通信接口回送给弹上计算机控制回路。同时，本产品具有自检功能，能够在发射前对其通讯状态和设备工作状态进行自检。甲方在对进行一体化计算机进行振动试验后进行测试时，发现产品加速度参数输出异常。产品外观如图1所示。

图1 惯性测量组合外观

2 故障树建立及失效定位

2.1 故障树建立

此惯性测量组合的工作原理为利用三个相互垂直轴向的陀螺和加速度计敏感角速度和加速度信息，在传感器内转化成角速度和加速度的数字量，通过数字系统进行整合、补偿，然后通过422串口发出。系统结构如图2所示。

图2 惯性测量组合系统结构示意图

组合采用两层的结构形式，陀螺和加速度计固定在PCB电路板上，电路板固定在底座的下层，实现角速率和线加速度的测量。信号转换模块单独在一块PCB板上，通过线缆与加速度计和陀螺连接，并被固定在底座的上层。其实物内部结构如图3所示。

图3 惯性测量组合内部结构照片

根据系统的构成特点进行分析，参考GJB 768A-1998，列出失效故障树如图4所示。

2.2 失效定位

跟据上述故障树，通过测试、分析、比对、排除等方式，进行失效定位。

（1）测试环境影响

首先使用该电源对同批次其他输出正常惯性测量组合进行测试，未发生异常，然后使用另一电源对失效惯性测量组合进行测试，故障现象保持一致，故可以排除电源异常的影响。

检查试验设备有效期、接地，未发现异常，检查振动试验输出图谱，符合试验要求，不存在过试验现象，故可以排除振动试验设备异常的影响。

（2）数据采集系统异常

通过两种不同的数据采集系统，分别对输出异常的惯性测量组合进行复测，故障现象均保持一致；用振动试验时采用的数据采集系统对输出正常的惯性测量组合进行反复测试，输出结果均符合要求。因此，数据采集系统的故障可以排除。

（3）软件功能异常

1）软件版本错误

对输出异常的惯性测量组合进行了软件版本的复查，确认惯性测量组合使用的软件版本不存在软件版本错误的问题，可以排除此项目。为确认软件运行是否有错，将此对故障的惯性测量组合进行了软件版本的修改，将陀螺和加表的原始输出引出，发现加表的输出存在异常现象。因此，可以排除软件版本错误的可能性。

图4 惯性测量组合输出异常故障树

2）参数加载错误

将失效惯性测量组合连接DSP仿真器，在线仿真，读取故障惯性测量组合的参数，并与备份的参数进行对比，发现两者一致，可以排除参数加载错误的可能性。

3）软件运行错误

将出现故障的惯性测量组合的数字处理单元与正常的加表连接，惯性测量组合输出数据正常，因此，可以排除软件运行错误。

（4）硬件电路异常

1）数字板异常定位

将惯性测量组合数字处理单元与故障加表连接，惯性测量组合输出数据异常，电流异常，将数字处理单元与正常加表连接时，惯性测量组合输出数据和电流均恢复正常。且在软件功能异常的排查过程中，惯性测量组合的信号输出正常，检测陀螺的原始输出也全部正常，因此可以排除数字处理单元和信号输出单元的故障，但无法排除数字板与加表板之间接口的异常。

为进一步确认，将加表板与陀螺板互换位置后与数字板连接，发现陀螺的输出信号仍然正常，而加表的输出信号保持异常。因此可以排除数字板异常的可能性。

2）陀螺板异常定位

在上述排查过程中，陀螺的信号输出始终保持正常，因此可以排除陀螺板异常的可能性。

3）加表板异常定位

在上述排查过程中，加速度计的信号输出始终异常，因此无法排除加速度计板异常的可能性。由于加速度计板包括了加速度计和外围元件两部分，需要分别进行故障分析和定位。

a.外围元件异常定位

首先，对故障的加速度计板进行目检，未发现异常。在此基础上，对加速度计进行了更换，发现加速度计板输出信号正常。因此故障原因可以初步定位到加速度计故障。

b.加表故障定位

为确认加速度计是否存在故障，对出现故障的电路板对应的加速度计进行开盖解剖分析。图5所示为异常加表开盖形貌。

图5 异常加表开盖形貌

通过开盖分析，发现加速度计存在键合点开裂现象，经过排查发现，该批加速度计芯片粘接工序采用了新的工艺，但未针对该工艺优化键合程序，导致键合经历试验后出现键合点开裂现象，造成加速度计失效。

3 结束语

既存在MEMS工艺，还存在采用表面贴装工艺，这就导致其结构较为复杂，因此，其失效分析工作也较为复杂，失效定位显得尤为重要。本文结合一个MEMS惯性测量组合失效的案例，列出了惯性测量组合的故障树，进行了失效定位，分析了其失效原因。本文对其他MEMS器件的失效分析有一定的借鉴意义。

本文内容转载自《电子质量》2018年第12期，版权归《电子质量》编辑部所有。

柳华光，张魁，黄杰，国家半导体器件质量监督检验中心