一种MEMS器件电-机械冲击试验设计方法与流程

本发明涉及微机电系统(mems)，具体是涉及一种mems器件电-机械冲击试验设计方法。

背景技术：

1、mems器件广泛的应用于航空、航天、舰船系统、汽车、家电、通讯生物医疗等领域，是将传感器、机械机构、执行器、信息处理以及控制电路等集成于一体的微型集成器件或系统，其是基于超精密机械加工技术和微电子技术发展起来的，内部结构一般是微米级甚至是纳米量级。微机电器件与传统的器件相比，具有可大批量生产、功耗少、成本低和集成化程度高等特点。

2、由于ic与mems器件在制造工艺、材料、封装等方面的共通性，目前大部分mems试验依据的是微电子的可靠性试验标准，例如：军用微电子试验方法标准mil-std-883j就已经为许多mems的试验计划所使用，许多机构却对这一标准对mems的适用性提出了质疑。由于mems中微机械可动结构的存在，mems器件对机械冲击的响应不同于传统的电子元器件，进而也带来了新的失效模式和失效机理，如微机械可动结构断裂、裂纹扩展、粘连、颗粒短路及不同电势的部件之间的接触所引起的短路等。

3、特别对于上电工作状态下的mems器件，冲击载荷可能会引起不同电势的部件之间发生接触而短路，从而引起输出信号的异常。这种异常情况对于传统电子元器件是很少见的，按照非加电状态下的冲击试验方法也难以覆盖到。

4、因此，考虑到mems微观机械结构的特殊性，需建立能够覆盖mems器件在电-冲击状态下失效模式和失效机理的试验方法，获得在电-机械冲击条件下产品的失效判据，支撑mems器件电-机械冲击应力下的鉴定检验工作。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、本发明主要针对以上问题，提出了一种mems器件电-机械冲击试验设计方法，其目的是解决在电-机械冲击条件下mems器件失效模式和失效机理的问题。

3、(二)技术方案

4、为实现上述目的，本发明提供了一种mems器件电-机械冲击试验设计方法，包括如下步骤：

5、步骤一：选定mems器件，确定机械冲击下电应力参数的测试条件，设计测试电路板；

6、步骤二：根据冲击试验台底座与设计的电路板尺寸，设计制作夹具；

7、步骤三：选择labvi ew作为mems器件电信号串口控制、数据采集、数据分析、数据显示以及存储工具，设计labvi ew在线测试软件；

8、步骤四：搭建试验系统，包括冲击试验台、冲击测量控制仪、pc机、直流稳压稳流电源、示波器；

9、步骤五：对器件施加半正弦冲击脉冲，脉冲宽度与峰值加速在选择的试验条件中规定；

10、步骤六：使用示波器对于电-机械冲击过程器件的输出数据进行记录，包括每次冲击前输出、冲击过程输出波形、冲击后输出；

11、步骤七：外部目检，若发现器件产生裂纹，密封缺陷现象，视为失效。

12、进一步地，步骤一中的测试电路板设计包括cde1与cde2分别选用10μf和0.1μf的电容对mems器件进行充分的去耦；c2、c3是y轴和x轴的输出电容，大小选用2nf。

13、进一步地，步骤二中夹具的设计需满足：

14、夹具与受试件连接面上各点的响应需要一致，使得激励1:1的传递至试件；

15、夹具选用比刚度大的材料制作；

16、夹具质量大于受试件的两倍以上；

17、避免或减小夹具在垂直冲击方向上的横向运动；

18、夹具第一阶固有频率大于试验的最高频率。

19、进一步地，步骤三中的labview控制程序中包括示波器水平轴设置、触发设置、通道设置、通讯地址设置、测量设置以及示波器图形显示。

20、进一步地，步骤四中试验系统组成包括cl-02型冲击试验台、kc-2000冲击测量控制仪、pc机、直流稳压稳流电源、tektronix tbs2000示波器。

21、进一步地，所述步骤五中，每个应力下试验器件为三只，每只器件x1、x2、y1、y2、z1和z2各方向承受三次电-机械冲击应力。

22、进一步地，在步骤七中，定义失效为器件在零点下输出不在2.4-2.6v范围内，器件在-1g下输出不在1.36-1.64v范围内，器件在+1g下输出不在3.36-3.64v范围内。

23、进一步地，所述步骤七中，器件视为失效还包括：以器件输出标称值4％取输出上下界限，器件在冲击前后输出不在此范围内，冲击前后输出误差超过10％。

24、(三)有益效果

25、本发明提供的一种mems器件电-机械冲击试验设计方法，相较现有技术，实现了全面的测试流程从设备选择、测试条件设置、测试电路板设计、夹具设计、控制系统及软件设计到实际测试操作与数据采集。该方法针对mems微观机械结构的特殊性，形成覆盖mems器件在电-机械冲击状态下的试验方法，并获取在电-机械冲击条件下产品的失效判据，为工程应用和鉴定检验提供了更准确、可靠的依据。

技术特征：

1.一种mems器件电-机械冲击试验设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种mems器件电-机械冲击试验设计方法，其特征在于，步骤一中的测试电路板设计包括cde1与cde2分别选用10μf和0.1μf的电容对mems器件进行充分的去耦；c2、c3是y轴和x轴的输出电容，大小选用2nf。

3.根据权利要求1或2所述的一种mems器件电-机械冲击试验设计方法，其特征在于，步骤二中夹具的设计需满足：

4.根据权利要求1所述的一种mems器件电-机械冲击试验设计方法，其特征在于，步骤三中的labview控制程序中包括示波器水平轴设置、触发设置、通道设置、通讯地址设置、测量设置以及示波器图形显示。

5.根据权利要求1所述的一种mems器件电-机械冲击试验设计方法，其特征在于，步骤四中试验系统组成包括cl-02型冲击试验台、kc-2000冲击测量控制仪、pc机、直流稳压稳流电源、tektronix tbs 2000示波器。

6.根据权利要求1所述的一种mems器件电-机械冲击试验设计方法，其特征在于，所述步骤五中，每个应力下试验器件为三只，每只器件x1、x2、y1、y2、z1和z2各方向承受三次电-机械冲击应力。

7.根据权利要求1所述的一种mems器件电-机械冲击试验设计方法，其特征在于，在步骤七中，定义失效为器件在零点下输出不在2.4-2.6v范围内，器件在-1g下输出不在1.36-1.64v范围内，器件在+1g下输出不在3.36-3.64v范围内。

8.根据权利要求1所述的一种mems器件电-机械冲击试验设计方法，其特征在于，所述步骤七中，器件视为失效还包括：以器件输出标称值4％取输出上下界限，器件在冲击前后输出不在此范围内，冲击前后输出误差超过10％。

技术总结
本发明涉及微机电系统(MEMS)技术领域，具体是涉及一种MEMS器件电‑机械冲击试验设计方法。包括如下步骤：选定MEMS器件，确定机械冲击下电应力参数的测试条件，设计测试电路板；根据冲击试验台底座与设计的电路板尺寸，设计制作夹具；选择LabVI EW作为MEMS器件电信号串口控制、数据采集、数据分析、数据显示以及存储工具，设计LabVI EW在线测试软件；搭建试验系统；对器件施加半正弦冲击脉冲；使用示波器对于电‑机械冲击过程器件的输出数据进行记录；外部目检，若发现器件产生裂纹，密封缺陷现象，视为失效。该方法实现了全面的测试流程从设备选择、测试条件设置、测试电路板设计、夹具设计、控制系统及软件设计到实际测试操作与数据采集。

技术研发人员：王怡豪,毛德龙,何凛,王康硕,李旭,王奔
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司系统工程研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25