0 引言

 

慣性導航技術不僅在軍事領域，並且在陸地、航空
、航天以及航海等許多領域都有廣泛的應用。慣性器件是實現精確製導的關鍵子係統，用於實時測量載體的角速率
、加速度，以及位置、速度和姿態等信息，並同時參與製導係統的控製回路和製導回路。傳統的慣性係統由於體積大
、成本高，已經越來越不適應現代武器裝備小型化的需求。

 

微機械電子係統（MEMS）是20世shi紀ji末mo興xing起qi的de前qian沿yan性xing土tu程cheng科ke學xue，它ta是shi隨sui著zhe半ban導dao體ti技ji術shu集ji成cheng電dian路lu微wei細xi加jia工gong技ji術shu的de迅xun速su發fa展zhan而er崛jue起qi的de一yi門men多duo學xue科ke交jiao叉cha的de軍jun民min兩liang用yong的de高gao新xin技ji術shu。MEMS慣性器件是MEMS技術研究的一個重要方向，也是研製微型慣性導航係統的前提。MEMS慣性測量組合成本低、體積小、重力輕自主性強的特點

，使得其在航空
、航天、軍事等眾多領域中都有著十分廣闊的應用前景。由於MEMS慣性測量組合在係統中的關鍵作用，導致其失效會給係統帶來嚴重的後果。本文結合某型號MEMS慣性測量組合失效的案例
，對其進行失效分析，詳細描述了失效分析過程。

 

1 失效情況簡介

 

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陀螺儀、三個線加速度計、數字電路
、電源轉換電路、應用軟件和結構本體組成。其中陀螺儀用於敏感載體在三個正交軸上的角速度信息；線加速度計用於敏感載體在三個正交軸上的加速度信息；數字電路及其軟件用於對組件誤差進行補償
，並將信息通過1路422tongxinjiekouhuisonggeidanshangjisuanjikongzhihuilu。tongshi，benchanpinjuyouzijiangongneng


，nenggouzaifasheqianduiqitongxunzhuangtaiheshebeigongzuozhuangtaijinxingzijian。jiafangzaiduijinxingyitihuajisuanjijinxingzhendongshiyanhoujinxingceshishi
，faxianchanpinjiasuducanshushuchuyichang。chanpinwaiguanrutu1所示。

 

圖1 慣性測量組合外觀

 

2 故障樹建立及失效定位

 

2.1 故障樹建立

 

ciguanxingceliangzuhedegongzuoyuanliweiliyongsangexianghuchuizhizhouxiangdetuoluohejiasudujiminganjiaosuduhejiasuduxinxi

，zaichuanganqineizhuanhuachengjiaosuduhejiasududeshuziliang，tongguoshuzixitongjinxingzhenghe、補償，然後通過422串口發出。係統結構如圖2所示。

 

圖2 慣性測量組合係統結構示意圖

 

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，實現角速率和線加速度的測量。信號轉換模塊單獨在一塊PCB板上，通過線纜與加速度計和陀螺連接，並被固定在底座的上層。其實物內部結構如圖3所示。

 

圖3 慣性測量組合內部結構照片

 

根據係統的構成特點進行分析

，參考GJB 768A-1998，列出失效故障樹如圖4所示。

 

2.2 失效定位

 

跟據上述故障樹，通過測試、分析、比對
、排除等方式

，進行失效定位。

 

（1）測試環境影響

 

shouxianshiyonggaidianyuanduitongpiciqitashuchuzhengchangguanxingceliangzuhejinxingceshi，weifashengyichang，ranhoushiyonglingyidianyuanduishixiaoguanxingceliangzuhejinxingceshi，guzhangxianxiangbaochiyizhi，gukeyipaichudianyuanyichangdeyingxiang。

 

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

 

（2）數據采集係統異常

 

通過兩種不同的數據采集係統
，分別對輸出異常的慣性測量組合進行複測，故障現象均保持一致
；yongzhendongshiyanshicaiyongdeshujucaijixitongduishuchuzhengchangdeguanxingceliangzuhejinxingfanfuceshi，shuchujieguojunfuheyaoqiu。yinci，shujucaijixitongdeguzhangkeyipaichu。

 

（3）軟件功能異常

 

1）軟件版本錯誤

 

duishuchuyichangdeguanxingceliangzuhejinxingleruanjianbanbendefuzha，querenguanxingceliangzuheshiyongderuanjianbanbenbucunzairuanjianbanbencuowudewenti
，keyipaichucixiangmu。weiquerenruanjianyunxingshifouyoucuo，jiangciduiguzhangdeguanxingceliangzuhejinxingleruanjianbanbendexiugai，jiangtuoluohejiabiaodeyuanshishuchuyinchu，faxianjiabiaodeshuchucunzaiyichangxianxiang。yinci，keyipaichuruanjianbanbencuowudekenengxing。

 

圖4 慣性測量組合輸出異常故障樹

 

2）參數加載錯誤

 

將失效慣性測量組合連接DSP仿真器

，在線仿真
，讀取故障慣性測量組合的參數，並與備份的參數進行對比，發現兩者一致，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jiang慣guan性xing測ce量liang組zu合he數shu字zi處chu理li單dan元yuan與yu故gu障zhang加jia表biao連lian接jie，慣guan性xing測ce量liang組zu合he輸shu出chu數shu據ju異yi常chang，電dian流liu異yi常chang，將jiang數shu字zi處chu理li單dan元yuan與yu正zheng常chang加jia表biao連lian接jie時shi，慣guan性xing測ce量liang組zu合he輸shu出chu數shu據ju和he電dian流liu均jun恢hui複fu正zheng常chang。且qie在zai軟ruan件jian功gong能neng異yi常chang的de排pai查zha過guo程cheng中zhong
，慣guan性xing測ce量liang組zu合he的de信xin號hao輸shu出chu正zheng常chang


，檢jian測ce陀tuo螺luo的de原yuan始shi輸shu出chu也ye全quan部bu正zheng常chang，因yin此ci可ke以yi排pai除chu數shu字zi處chu理li單dan元yuan和he信xin號hao輸shu出chu單dan元yuan的de故gu障zhang，但dan無wu法fa排pai除chu數shu字zi板ban與yu加jia表biao板ban之zhi間jian接jie口kou的de異yi常chang。

 

weijinyibuqueren，jiangjiabiaobanyutuoluobanhuhuanweizhihouyushuzibanlianjie，faxiantuoluodeshuchuxinhaorengranzhengchang
，erjiabiaodeshuchuxinhaobaochiyichang。yincikeyipaichushuzibanyichangdekenengxing。

 

2）陀螺板異常定位

 

在上述排查過程中，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(zai)上(shang)述(shu)排(pai)查(zha)過(guo)程(cheng)中(zhong)，加(jia)速(su)度(du)計(ji)的(de)信(xin)號(hao)輸(shu)出(chu)始(shi)終(zhong)異(yi)常(chang)，因(yin)此(ci)無(wu)法(fa)排(pai)除(chu)加(jia)速(su)度(du)計(ji)板(ban)異(yi)常(chang)的(de)可(ke)能(neng)性(xing)。由(you)於(yu)加(jia)速(su)度(du)計(ji)板(ban)包(bao)括(kuo)了(le)加(jia)速(su)度(du)計(ji)和(he)外(wai)圍(wei)元(yuan)件(jian)兩(liang)部(bu)分(fen)，需(xu)要(yao)分(fen)別(bie)進(jin)行(xing)故(gu)障(zhang)分(fen)析(xi)和(he)定(ding)位(wei)。

 

a.外圍元件異常定位

 

shouxian
，duiguzhangdejiasudujibanjinxingmujian，weifaxianyichang。zaicijichushang，duijiasudujijinxinglegenghuan，faxianjiasudujibanshuchuxinhaozhengchang。yinciguzhangyuanyinkeyichubudingweidaojiasudujiguzhang。

 

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行開蓋解剖分析。圖5所示為異常加表開蓋形貌。

 

圖5 異常加表開蓋形貌

 

tongguokaigaifenxi，faxianjiasudujicunzaijianhediankailiexianxiang，jingguopaizhafaxian，gaipijiasudujixinpianzhanjiegongxucaiyonglexindegongyi，danweizhenduigaigongyiyouhuajianhechengxu，daozhijianhejinglishiyanhouchuxianjianhediankailiexianxiang，zaochengjiasudujishixiao。

 

3 結束語

 

既存在MEMS工(gong)藝(yi)，還(hai)存(cun)在(zai)采(cai)用(yong)表(biao)麵(mian)貼(tie)裝(zhuang)工(gong)藝(yi)
，這(zhe)就(jiu)導(dao)致(zhi)其(qi)結(jie)構(gou)較(jiao)為(wei)複(fu)雜(za)，因(yin)此(ci)，其(qi)失(shi)效(xiao)分(fen)析(xi)工(gong)作(zuo)也(ye)較(jiao)為(wei)複(fu)雜(za)，失(shi)效(xiao)定(ding)位(wei)顯(xian)得(de)尤(you)為(wei)重(zhong)要(yao)。本(ben)文(wen)結(jie)合(he)一(yi)個(ge)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，進行了失效定位，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《電子質量》2018年第12期，版權歸《電子質量》編輯部所有。

 

柳華光
，張魁，黃傑，國家半導體器件質量監督檢驗中心

 

 

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