0 引言

 

慣性導航技術(shù)不僅在軍事領(lǐng)域，并且在陸地、航空、航天以及航海等許多領(lǐng)域都有廣泛的應用。慣性器件是實(shí)現精確制導的關(guān)鍵子系統，用于實(shí)時(shí)測量載體的角速率、加速度，以及位置、速度和姿態(tài)等信息，并同時(shí)參與制導系統的控制回路和制導回路。傳統的慣性系統由于體積大、成本高，已經(jīng)越來(lái)越不適應現代武器裝備小型化的需求。

 

微機械電子系統（MEMS）是20世紀末興起的前沿性土程科學(xué)，它是隨著(zhù)半導體技術(shù)集成電路微細加工技術(shù)的迅速發(fā)展而崛起的一門(mén)多學(xué)科交叉的軍民兩用的高新技術(shù)。MEMS慣性器件是MEMS技術(shù)研究的一個(gè)重要方向，也是研制微型慣性導航系統的前提。MEMS慣性測量組合成本低、體積小、重力輕自主性強的特點(diǎn)，使得其在航空、航天、軍事等眾多領(lǐng)域中都有著(zhù)十分廣闊的應用前景。由于MEMS慣性測量組合在系統中的關(guān)鍵作用，導致其失效會(huì )給系統帶來(lái)嚴重的后果。本文結合某型號MEMS慣性測量組合失效的案例，對其進(jìn)行失效分析，詳細描述了失效分析過(guò)程。

 

1 失效情況簡(jiǎn)介

 

MEMS慣性傳感器的結構主要包括機械感應結構和檢測電路兩大部分[4]此慣性測量組合由三個(gè)陀螺儀、三個(gè)線(xiàn)加速度計、數字電路、電源轉換電路、應用軟件和結構本體組成。其中陀螺儀用于敏感載體在三個(gè)正交軸上的角速度信息；線(xiàn)加速度計用于敏感載體在三個(gè)正交軸上的加速度信息；數字電路及其軟件用于對組件誤差進(jìn)行補償，并將信息通過(guò)1路422通信接口回送給彈上計算機控制回路。同時(shí)，本產(chǎn)品具有自檢功能，能夠在發(fā)射前對其通訊狀態(tài)和設備工作狀態(tài)進(jìn)行自檢。甲方在對進(jìn)行一體化計算機進(jìn)行振動(dòng)試驗后進(jìn)行測試時(shí)，發(fā)現產(chǎn)品加速度參數輸出異常。產(chǎn)品外觀(guān)如圖1所示。

 

圖1 慣性測量組合外觀(guān)

 

2 故障樹(shù)建立及失效定位

 

2.1 故障樹(shù)建立

 

此慣性測量組合的工作原理為利用三個(gè)相互垂直軸向的陀螺和加速度計敏感角速度和加速度信息，在傳感器內轉化成角速度和加速度的數字量，通過(guò)數字系統進(jìn)行整合、補償，然后通過(guò)422串口發(fā)出。系統結構如圖2所示。

 

圖2 慣性測量組合系統結構示意圖

 

組合采用兩層的結構形式，陀螺和加速度計固定在PCB電路板上，電路板固定在底座的下層，實(shí)現角速率和線(xiàn)加速度的測量。信號轉換模塊單獨在一塊PCB板上，通過(guò)線(xiàn)纜與加速度計和陀螺連接，并被固定在底座的上層。其實(shí)物內部結構如圖3所示。

 

圖3 慣性測量組合內部結構照片

 

根據系統的構成特點(diǎn)進(jìn)行分析，參考GJB 768A-1998，列出失效故障樹(shù)如圖4所示。

 

2.2 失效定位

 

跟據上述故障樹(shù)，通過(guò)測試、分析、比對、排除等方式，進(jìn)行失效定位。

 

（1）測試環(huán)境影響

 

首先使用該電源對同批次其他輸出正常慣性測量組合進(jìn)行測試，未發(fā)生異常，然后使用另一電源對失效慣性測量組合進(jìn)行測試，故障現象保持一致，故可以排除電源異常的影響。

 

檢查試驗設備有效期、接地，未發(fā)現異常，檢查振動(dòng)試驗輸出圖譜，符合試驗要求，不存在過(guò)試驗現象，故可以排除振動(dòng)試驗設備異常的影響。

 

（2）數據采集系統異常

 

通過(guò)兩種不同的數據采集系統，分別對輸出異常的慣性測量組合進(jìn)行復測，故障現象均保持一致；用振動(dòng)試驗時(shí)采用的數據采集系統對輸出正常的慣性測量組合進(jìn)行反復測試，輸出結果均符合要求。因此，數據采集系統的故障可以排除。

 

（3）軟件功能異常

 

1）軟件版本錯誤

 

對輸出異常的慣性測量組合進(jìn)行了軟件版本的復查，確認慣性測量組合使用的軟件版本不存在軟件版本錯誤的問(wèn)題，可以排除此項目。為確認軟件運行是否有錯，將此對故障的慣性測量組合進(jìn)行了軟件版本的修改，將陀螺和加表的原始輸出引出，發(fā)現加表的輸出存在異?，F象。因此，可以排除軟件版本錯誤的可能性。

 

圖4 慣性測量組合輸出異常故障樹(shù)

 

2）參數加載錯誤

 

將失效慣性測量組合連接DSP仿真器，在線(xiàn)仿真，讀取故障慣性測量組合的參數，并與備份的參數進(jìn)行對比，發(fā)現兩者一致，可以排除參數加載錯誤的可能性。

 

3）軟件運行錯誤

 

將出現故障的慣性測量組合的數字處理單元與正常的加表連接，慣性測量組合輸出數據正常，因此，可以排除軟件運行錯誤。

 

（4）硬件電路異常

 

1）數字板異常定位

 

將慣性測量組合數字處理單元與故障加表連接，慣性測量組合輸出數據異常，電流異常，將數字處理單元與正常加表連接時(shí)，慣性測量組合輸出數據和電流均恢復正常。且在軟件功能異常的排查過(guò)程中，慣性測量組合的信號輸出正常，檢測陀螺的原始輸出也全部正常，因此可以排除數字處理單元和信號輸出單元的故障，但無(wú)法排除數字板與加表板之間接口的異常。

 

為進(jìn)一步確認，將加表板與陀螺板互換位置后與數字板連接，發(fā)現陀螺的輸出信號仍然正常，而加表的輸出信號保持異常。因此可以排除數字板異常的可能性。

 

2）陀螺板異常定位

 

在上述排查過(guò)程中，陀螺的信號輸出始終保持正常，因此可以排除陀螺板異常的可能性。

 

3）加表板異常定位

 

在上述排查過(guò)程中，加速度計的信號輸出始終異常，因此無(wú)法排除加速度計板異常的可能性。由于加速度計板包括了加速度計和外圍元件兩部分，需要分別進(jìn)行故障分析和定位。

 

a.外圍元件異常定位

 

首先，對故障的加速度計板進(jìn)行目檢，未發(fā)現異常。在此基礎上，對加速度計進(jìn)行了更換，發(fā)現加速度計板輸出信號正常。因此故障原因可以初步定位到加速度計故障。

 

b.加表故障定位

 

為確認加速度計是否存在故障，對出現故障的電路板對應的加速度計進(jìn)行開(kāi)蓋解剖分析。圖5所示為異常加表開(kāi)蓋形貌。

 

圖5 異常加表開(kāi)蓋形貌

 

通過(guò)開(kāi)蓋分析，發(fā)現加速度計存在鍵合點(diǎn)開(kāi)裂現象，經(jīng)過(guò)排查發(fā)現，該批加速度計芯片粘接工序采用了新的工藝，但未針對該工藝優(yōu)化鍵合程序，導致鍵合經(jīng)歷試驗后出現鍵合點(diǎn)開(kāi)裂現象，造成加速度計失效。

 

3 結束語(yǔ)

 

既存在MEMS工藝，還存在采用表面貼裝工藝，這就導致其結構較為復雜，因此，其失效分析工作也較為復雜，失效定位顯得尤為重要。本文結合一個(gè)MEMS慣性測量組合失效的案例，列出了慣性測量組合的故障樹(shù)，進(jìn)行了失效定位，分析了其失效原因。本文對其他MEMS器件的失效分析有一定的借鑒意義。

 

本文內容轉載自《電子質(zhì)量》2018年第12期，版權歸《電子質(zhì)量》編輯部所有。

 

柳華光，張魁，黃杰，國家半導體器件質(zhì)量監督檢驗中心

 

 

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