MEMS高g值加速度传感器的失效分析

发布时间：2017-03-22 19:06

  本文关键词：MEMS高g值加速度传感器的失效分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在各类运动过程的监控系统中都广泛的需要用到加速度传感器,用以对物体的加速度特性进行检测监测,得到被测物体的运动信息,为后期进行的运动分析提供参考数据。作为本文的研究对象,MEMS高g值加速度传感器具有较高的量程,主要在冲击、爆炸、侵彻等恶劣环境中使用。因此为了保证传感器在实际应用中的可靠性,对其抗过载能力有着严格的要求。本文针对MEMS高g值传感器在工作过程中出现失效的情况,通过多种手段对这个问题进行了研究。首先阐述了MEMS微加速度传感器的失效的基本理论,介绍了MEMS器件的常用结构,以及失效问题的常用研究手段。随后介绍了作为本文研究对象的MEMS高g值加速度传感器,包括传感器的结构、工作原理。针对传感器在高冲击载荷作用下的失效问题建立了理论模型,通过准静态理论、振动理论以及应力波理论从三个角度对传感器在高过载下的响应特性进行了理论分析。通过仿真计算的手段研究了MEMS高g值加速度传感器在经受了高冲击过载之后,结构中产生的残余形变对传感器性能的影响,以及MEMS加速度传感器在加工过程中所采用的工艺手段对结构失效产生的影响。最后使用分离式霍普金森压杆以及马歇特落锤等设备,对MEMS加速度传感器的抗过载性能以及失效情况进行了实验研究,通过与标准传感器的输出进行对比,研究MEMS高g值加速度传感器的输出性能。
【关键词】：微机电系统 加速度传感器 过载 失效机理 仿真计算
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 本论文研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-19
• 1.2.1 微机械加速度传感器的研究状况11-15
• 1.2.2 MEMS器件可靠性的国外研究状况15-18
• 1.2.3 MEMS器件可靠性的国内研究状况18-19
• 1.3 论文主要工作19-21
• 第2章 MEMS微加速度传感器失效问题概述21-30
• 2.1 MEMS器件可靠性研究方法21-23
• 2.1.1 MEMS器件的常用结构21
• 2.1.2 MEMS器件可靠性21-23
• 2.2 材料特性和失效准则23-26
• 2.2.1 硅材料特性23
• 2.2.2 材料的失效准则23-26
• 2.3 常见失效模式26-29
• 2.3.1 脆性断裂26-27
• 2.3.2 粘附失效27-28
• 2.3.3 分层失效28
• 2.3.4 疲劳失效28-29
• 2.3.5 封装失效29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 MEMS高g值加速度传感器的结构与工作原理30-37
• 3.1 传感器结构30-32
• 3.2 传感器工作原理32-36
• 3.2.1 压阻效应32-33
• 3.2.2 半导体电阻材料特性33-35
• 3.2.3 传感器的输出分析35-36
• 3.3 本章小结36-37
• 第4章 传感器结构力学分析以及FTA分析37-52
• 4.1 传感器在冲击载荷作用下动力学响应分析37-45
• 4.1.1 结构模型简化37-38
• 4.1.2 准静态响应分析38-39
• 4.1.3 振动模态分析39-42
• 4.1.4 应力波理论分析42-45
• 4.2 故障树法分析加速度传感器的失效情况45-51
• 4.2.1 故障树分析法简介45-46
• 4.2.2 故障树用的图形符号46-47
• 4.2.3 加速度传感器的故障树模型建立47-50
• 4.2.4 故障树定性分析50-51
• 4.3 本章小结51-52
• 第5章 传感器失效的仿真分析52-74
• 5.1 结构的模态分析52-53
• 5.2 结构断裂情况分析53-57
• 5.3 残余形变对结构的影响57-61
• 5.4 MEMS加工工艺简介61-65
• 5.4.1 光刻工艺62-63
• 5.4.2 引线键合63-64
• 5.4.3 MEMS高g值加速度传感器结构的加工过程64-65
• 5.5 加工工艺对结构的影响65-72
• 5.5.1 加工工艺产生的误差分析65-68
• 5.5.2 仿真分析68-72
• 5.6 本章小结72-74
• 第6章 MEMS高g值加速度传感器失效的实验测试74-83
• 6.1 马歇特锤测试74-78
• 6.1.1 测试系统介绍74-75
• 6.1.2 测试结果及分析75-78
• 6.2 霍普金森杆测试78-82
• 6.2.1 测试系统介绍78-80
• 6.2.2 测试结果及分析80-82
• 6.3 本章小结82-83
• 总结与展望83-85
• 参考文献85-88
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单88-89
• 致谢89

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