基于失效机理的引信微结构可靠性分析方法_涂宏茂

关 键 词 ：引 信 可 靠 性 ；结 构 可 靠 度 ；失 效 机 理 分 析 ；失 效 机 理 建 模 ；可 靠 性 灵 敏 度 中 图 分 类 号 ：ＴＢ１１４．３ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００８－１１９４（２０１６）０４－０００９－０６
Ｆｕｚｅ Ｍｉｃｒｏ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆａｉｌｕｒｅ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
光谱分析设备开 展 了 ＭＥＭＳ 结 构 动 态 应 力 测 试 方
法研 究，并 基 于 此 进 行 可 靠 性 的 分 析；Ｊａｄａａｎ 等 人［１２］ 基 于 威 布 尔 分 布 研 究 ＭＥＭＳ 脆 性 材 料 性 质，
因 此 ，本 文 以 引 信 微 结 构 为 研 究 对 象 ，从 失 效 机 理的层面，给出量化 的 微 结 构 可 靠 性 分 析 方 法 与 流 程，并以 ＡＮＳＹＳ为 例 证 明 如 何 结 合 仿 真 方 法 进 行 可靠性分析。
１ 基本问题描述
根 据 结 构 可 靠 度 理 论 ，微 结 构 失 效 概 率 模 型 为
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｕｚｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ；ｆａｉｌｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｐｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ
０ 引言
与微电子器件不同，ＭＥＭＳ 器件 不 仅 包 含 电 子 元 件 还 包 含 机 械 元 件 ，并 且 这 些 机 械 元 件 （如 引 信 用 的 ＭＥＭＳ悬臂 梁、弹 簧 等，结 构 特 征 尺 寸 在 １μｍ 至１ｍｍ 范围内，后续统称为引信微结构）之间常具 有相对的运动或相互的表面作用。在微观尺度下，
磨损
在相对运动 情 况 下，由 于 摩 擦、腐 蚀、粘 附 等 导致磨损失效
分层
由于光刻对位误差、热膨胀系数失配 等，导 致 的分层失效
在冲击、碰撞等情况下，由碎片和微粒 等 导 致 粒子污染
的粒子污染
涂 宏 茂 等 ：基 于 失 效 机 理 的 引 信 微 结 构 可 靠 性 分 析 方 法
１１
谓基于失效机理的微 结 构 可 靠 性 分 析 方 法，它 的 基
本 流 程 如 图 １ 所 示 。可 以 看 出 ，基 于 失 效 机 理 的 微 结
构可靠性分析有两个 主 要 的 问 题 需 要 解 决：一 是 功
能 函 数ｇ（ｘ）的 建 立 与 简 化 ，涉 及 失 效 原 因 和 机 理 分
这些微结构的力学 特 性 发 生 了 很 大 变 化，结 构 失 效 模 式 更 多 样 、失 效 机 理 更 复 杂 。 例 如 ，在 冲 击 作 用 下 微悬臂梁常发生粘附失效包括Ｓ形和弓形两类变形 失 效 形 式［１］，采 用 一 般 意 义 上 的 悬 臂 梁 力 学 模 型 难 以描述该失效问 题。 那 么，相 应 的 微 结 构 可 靠 性 设 计分析需要充分考虑 ＭＥＭＳ的特点，更关注结构在 微观尺寸下的失效 原 因 和 机 理，并 以 此 开 展 可 靠 性 的分析和预计 。 ［２］ 同时，由于仿真分析方法能够有
冲击等）进 行 了 分 类，并 针 对 每 种 类 型 给 出 了 失 效
原因和 机 理 的 分 析。Ｔａｎｎｅｒ等 人［９］ 分 析 振 动、冲 击
和湿度环境对微机械 系 统 的 影 响，结 合 试 验 结 果 确
定主要 的 失 效 模 式 与 失 效 机 理；Ｓｈｅａ［１０］ 分 析 了 真
空、辐射、温度冲击环境下的 ＭＥＭＳ结构失效机理， 给出相应的可靠性改进措施；Ｐｏｍｅｒｏｙ等人［１１］ 采用
析 、失 效 判 据 确 定 等 ；二 是 失 效 概 率 模 型 或 可 靠 度 模
型的求解，包括失效 概 率 或 可 靠 度 的 计 算 和 可 靠 性
灵敏度的分析等。
图１ 基于失效机理的微结构可靠性分析流程 Ｆｉｇ．１ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｏｆ ｍｉｃｒｏ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
量 向 量 。对 应 的 微 结 构 可 靠 度 模 型 为
Ｒ ＝１－Ｐｆ ＝ Ｐ （ｇ（ｘ）≥０）
（２）
由 式 （１）和 式 （２）可 以 看 出 ，若 已 知 微 结 构 失 效
事 件 （ｇ（ｘ）＜０的 事 件 ）的 统 计 数 据 ，则 可 以 获 取 微
结构失效的概率，这 就 是 所 谓 的 基 于 统 计 的 微 结 构
摘 要：针对引信微结构设计分析中仍缺乏有效的可靠性评估方法的问题，结合结构可靠度计算原理，给 出 基
于失效机理的引信微结构可靠性分析方法。该方法以微 结 构 失 效 模 式 和 失 效 机 理 分 析 为 基 础 ，建 立 表 征 微 结 构失效的数学模型，并以此为基础，进行微结构可靠性模型建立，以及可靠度和灵敏度的量 化 分 析。 同 时，针 对 可靠度分析程序对 ＣＡＥ 软件的调用 需 求，提 出 了 通 用 的 可 靠 性 分 析 程 序 对 ＣＡＥ 软 件 的 集 成 模 式，并 以 ＡＮ－ ＳＹＳ为例给出了相应的可靠性分析流程。最后，以 ＭＥＭＳ安 全 系 统 用 微 弹 簧 的 可 靠 性 分 析 为 例 ，证 明 该 方 法 在量化评估微结构可靠性水平方面的可行性和实用性。
表１ 微结构常见失效模式与机理
Ｔａｂ．１ Ｃｏｍｍｏｎ ｍｉｃｒｏ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅｓ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
失效模式
失效机理
断裂
过载 导 致 的 瞬 时 断 裂，或 反 复 受 载 导 致 的 疲 劳断裂失效
粘附
在微尺寸效应下，由毛细力、范德瓦尔 斯 力 或 静电力导致的粘附失效
１０
探测与控制学报
效 地 预 测 结 构 性 能 ，可 以 在 设 计 早 期 改 进 结 构 设 计 ， 其越来 越 多 地 应 用 于 引 信 微 结 构 的 设 计 分 析 。 ［３－４］ 若能在可靠性设计 分 析 中，充 分 集 成 已 有 的 仿 真 分 析方法和工具手段，将 有 助 于 提 高 微 结 构 可 靠 性 设 计分析的效率，对于 预 测 产 品 的 可 靠 性 并 提 出 具 有 针 对 性 的 改 进 建 议 ，具 有 重 要 作 用 。
ＴＵ Ｈｏｎｇｍａｏ１，２，ＬＯＵ Ｗｅｎｚｈｏｎｇ３，ＷＡＮＧ Ｆｕｆｕ３，ＬＩＵ Ｆａｎｇｙｉ ３
（１．Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８９，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０８１９，Ｃｈｉｎａ；
ｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｎｄ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ．Ｔｏ ｆａｃｉｌｉｔａｔｅ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ＣＡＥ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｐｒｏｇｒａｍ，ｗｈｉｃｈ ｇａｖｅ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ＣＡＥ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｆｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｒｅｌｉａ－ ｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ ｗａｓ ｄｅｐｉｃｔｅｄ．Ａ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ｍｉｃｒｏ－ｓｐｒｉｎｇ ｉｎ ｆｕｚｅ ｓａｆｅｔｙ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｆｕｚｅ ｍｉｃｒｏ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｐｒｏｂ－ ｌｅｍｓ．
Ｐｆ ＝ Ｐ （ｇ（ｘ）＜０）
（１）
式（１）中，Ｐ（＊ ）表示事件“＊”发生的概率；ｇ（ｘ）是
表 征 微 结 构 状 态 的 函 数 ，常 称 为 功 能 函 数 ，ｇ（ｘ）＜０
表示 微 结 构 失 效，ｇ（ｘ）＞ ０ 表 示 微 结 构 安 全， ｇ（ｘ）＝０表示极限状态；ｘ＝ （ｘ１，…，ｘｎ）Ｔ 为随机变
可 靠 度 方 法 。但 是 ，这 一 方 法 的 问 题 在 于 无 法 获 知 微
结构失效的原因 和 规 律，无 法 判 别 随 机 变 量 向 量 ｘ
对微结构的作用情况。如 果 微 结 构 失 效 概 率 预 计 结
果不满足要求，那么 基 于 统 计 的 分 析 方 法 难 以 提 出
有 针 对 性 改 进 措 施 。相 反 ，如 果 能 够 进 行 微 结 构 失
３．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｚｅ ｍｉｃｒｏ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ｄｅｓｉｇｎ ｓｔａｇｅ，ａ ｒｅｌｉａ－
在微结构失效机理分析方 面，国 内 外 很 多 专 家
学 者 主 要 从 外 部 载 荷 、材 料 特 性 等 方 面 入 手 ，做 了 很
多的研究 工 作。如 Ｗａｌｒａｖｅｎ［８］ 依 据 ＭＥＭＳ 结 构 不