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422通(tong)信(xin)接(jie)口(kou)回(hui)送(song)給(gei)彈(dan)上(shang)計(ji)算(suan)機(ji)控(kong)製(zhi)回(hui)路(lu)。同(tong)時(shi)


，本(ben)產(chan)品(pin)具(ju)有(you)自(zi)檢(jian)功(gong)能(neng)，能(neng)夠(gou)在(zai)發(fa)射(she)前(qian)對(dui)其(qi)通(tong)訊(xun)狀(zhuang)態(tai)和(he)設(she)備(bei)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)進(jin)行(xing)自(zi)檢(jian)。甲(jia)方(fang)在(zai)對(dui)進(jin)行(xing)一(yi)體(ti)化(hua)計(ji)算(suan)機(ji)進(jin)行(xing)振(zhen)動(dong)試(shi)驗(yan)後(hou)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)時(shi)，發(fa)現(xian)產(chan)品(pin)加(jia)速(su)度(du)參(can)數(shu)輸(shu)出(chu)異(yi)常(chang)。產(chan)品(pin)外(wai)觀(guan)如(ru)圖(tu)1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

 

此ci慣guan性xing測ce量liang組zu合he的de工gong作zuo原yuan理li為wei利li用yong三san個ge相xiang互hu垂chui直zhi軸zhou向xiang的de陀tuo螺luo和he加jia速su度du計ji敏min感gan角jiao速su度du和he加jia速su度du信xin息xi
，在zai傳chuan感gan器qi內nei轉zhuan化hua成cheng角jiao速su度du和he加jia速su度du的de數shu字zi量liang，通tong過guo數shu字zi係xi統tong進jin行xing整zheng合he、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

 

首(shou)先(xian)使(shi)用(yong)該(gai)電(dian)源(yuan)對(dui)同(tong)批(pi)次(ci)其(qi)他(ta)輸(shu)出(chu)正(zheng)常(chang)慣(guan)性(xing)測(ce)量(liang)組(zu)合(he)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)，未(wei)發(fa)生(sheng)異(yi)常(chang)，然(ran)後(hou)使(shi)用(yong)另(ling)一(yi)電(dian)源(yuan)對(dui)失(shi)效(xiao)慣(guan)性(xing)測(ce)量(liang)組(zu)合(he)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)，故(gu)障(zhang)現(xian)象(xiang)保(bao)持(chi)一(yi)致(zhi)，故(gu)可(ke)以(yi)排(pai)除(chu)電(dian)源(yuan)異(yi)常(chang)的(de)影(ying)響(xiang)。

 

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)。

 

為(wei)進(jin)一(yi)步(bu)確(que)認(ren)，將(jiang)加(jia)表(biao)板(ban)與(yu)陀(tuo)螺(luo)板(ban)互(hu)換(huan)位(wei)置(zhi)後(hou)與(yu)數(shu)字(zi)板(ban)連(lian)接(jie)，發(fa)現(xian)陀(tuo)螺(luo)的(de)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)仍(reng)然(ran)正(zheng)常(chang)，而(er)加(jia)表(biao)的(de)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)保(bao)持(chi)異(yi)常(chang)。因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)排(pai)除(chu)數(shu)字(zi)板(ban)異(yi)常(chang)的(de)可(ke)能(neng)性(xing)。

 

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

 

zaishangshupaizhaguochengzhong，jiasudujidexinhaoshuchushizhongyichang，yinciwufapaichujiasudujibanyichangdekenengxing。youyujiasudujibanbaokuolejiasudujihewaiweiyuanjianliangbufen，xuyaofenbiejinxingguzhangfenxihedingwei。

 

a.外圍元件異常定位

 

首shou先xian
，對dui故gu障zhang的de加jia速su度du計ji板ban進jin行xing目mu檢jian，未wei發fa現xian異yi常chang。在zai此ci基ji礎chu上shang，對dui加jia速su度du計ji進jin行xing了le更geng換huan，發fa現xian加jia速su度du計ji板ban輸shu出chu信xin號hao正zheng常chang。因yin此ci故gu障zhang原yuan因yin可ke以yi初chu步bu定ding位wei到dao加jia速su度du計ji故gu障zhang。

 

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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