李曉博，趙玉龍，程榮俊

(西安交通大學(xué)，機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安　710054)

0　引言

導(dǎo)彈、侵徹彈、火箭等武器攻擊目標(biāo)時，引信系統(tǒng)的激活與工作是通過撞擊目標(biāo)所產(chǎn)生的加速度決定的。侵徹武器的惡劣工作條件對引信系統(tǒng)中的加速度傳感器提出了高過載、快速響應(yīng)、高環(huán)境壓力、體積小、成本低等要求[1]。在武器侵徹過程中產(chǎn)生的加速度可達(dá)到數(shù)萬至數(shù)十萬個g，因此侵徹武器引信用加速度傳感器必須要有能承受高沖擊的結(jié)構(gòu)和足夠大的測量量程范圍，即量程需達(dá)到100 000g～200 000g[2]。

隨著國防技術(shù)與侵徹武器的不斷發(fā)展，對高g值加速度傳感器的性能要求也越來越高。國外在這方面已經(jīng)進(jìn)行了深入的研究工作，并取得了一定的成果。美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室研制的高g值加速度傳感器量程可達(dá)50 000g．美國Endevco公司生產(chǎn)的高g值加速度傳感器最高量程可達(dá)200 000g[3]。國內(nèi)也有許多單位對高g值加速度傳感器進(jìn)行了研究，并且取得了一定的進(jìn)展。但目前還未見100 000g以上量程產(chǎn)品的公開報道和相關(guān)工程應(yīng)用。鑒于其特殊的軍事應(yīng)用背景，獨(dú)立開發(fā)研制我國自主技術(shù)的高g值加速度傳感器對于我國的國防事業(yè)具有重大意義。

針對侵徹武器引信系統(tǒng)對高g值加速度傳感器的測量性能需要，利用SOI硅片，以梁膜結(jié)構(gòu)為敏感元件，研制出一種MEMS高g值加速度傳感器，其設(shè)計量程為100 000g．對該傳感器工作原理及仿真分析進(jìn)行了論述，并給出了傳感器的加工工藝流程和性能測試結(jié)果。

1　傳感器設(shè)計

1．1傳感器的工作原理

保證高g值加速度傳感器具有優(yōu)良性能的第一步是設(shè)計具有較好性能的敏感元件，而用于制作敏感元件的材料選擇也是很重要的，這決定了傳感器靈敏度和測量精度等性能。綜合考慮，選擇了SOI硅片作為傳感器芯片的制作材料，SOI傳感器芯片具有長期工作穩(wěn)定性和較寬工作溫度范圍的特性，同時具有較高的測量靈敏度[4]。

硅微機(jī)械高g值加速度傳感器的工作原理大多采用壓阻式和電容式。壓阻式加速度傳感器制造工藝簡單，線性度好，易配置后接放大電路，但其缺點(diǎn)是橫向靈敏度較大，溫度效應(yīng)大。電容式加速度傳感器靈敏度高，功耗低，溫度線性小，但其缺點(diǎn)是具有固有的非線性，雜散電容對測量影響大[5]。綜合各種考慮因素，研制的高g值加速度傳感器利用壓阻效應(yīng)導(dǎo)致的電阻變化來敏感外界加速度。

硅的壓阻效應(yīng)，即是當(dāng)外部加速度作用于傳感器上時，敏感梁結(jié)構(gòu)在慣性力的作用下發(fā)生變形、產(chǎn)生應(yīng)力。敏感梁上有4個通過硼離子注入形成的阻值完全相同的壓敏電阻，敏感梁的變形則會導(dǎo)致其電阻率的變化。引起的電阻(電阻率)變化如下式所示：

式中：π為壓阻系數(shù)；E為彈性模量；ε為應(yīng)變。

為了提高傳感器的輸出線性度、減小零點(diǎn)漂移，將4個阻值相同的壓敏電阻連接成惠斯登電橋，惠斯登電橋設(shè)計為全橋結(jié)構(gòu)，通過測量惠斯登電橋輸出的電壓值變化，便可得到待測加速度信號。

1．2傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于壓阻式高g值加速度傳感器，彈性元件最多采用的結(jié)構(gòu)是單懸臂梁、雙端固置梁、四邊四梁等結(jié)構(gòu)[6]。綜合分析各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)以及設(shè)計要求，采用了十字梁與平膜結(jié)合的結(jié)構(gòu)，簡稱梁膜結(jié)構(gòu)。該高g值加速度傳感器芯片的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，膜的長寬與十字梁的長度相同，壓敏電阻對稱分布在十字梁的根部。該結(jié)構(gòu)的對稱性可以有效地降低傳感器的橫向靈敏度，而且使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定的同時提高了其抗過載能力[7]。

圖1　高g值加速度傳感器芯片的結(jié)構(gòu)簡圖

在該傳感器芯片中，十字梁和膜不僅是用來感受變形、應(yīng)力的敏感彈性元件，同時也充當(dāng)了質(zhì)量塊的作用。由于梁膜結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，不可能像單懸臂梁一樣將芯片結(jié)構(gòu)的受力和頻率用公式表達(dá)，因此采用單一變量原則，使用軟件對等間隔選取的離散點(diǎn)逐一分析受力情況與固有頻率，對傳感器芯片結(jié)構(gòu)加載100 000g的加速度，得到了梁膜結(jié)構(gòu)的最大的應(yīng)力、固有頻率與十字梁長度、十字梁厚度、膜厚度的關(guān)系圖，分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2　最大應(yīng)力、固有頻率與十字梁長度關(guān)系圖

圖3　最大應(yīng)力、固有頻率與十字梁厚度關(guān)系圖

圖4　最大應(yīng)力、固有頻率與膜厚度關(guān)系圖

從圖2、圖3、圖4可以看到，傳感器芯片最大應(yīng)力與十字梁長度、厚度呈正相關(guān)，與膜厚呈負(fù)相關(guān)；固有頻率與十字梁長度呈負(fù)相關(guān)，與十字梁厚度、膜厚呈正相關(guān)。為了保證傳感器能安全工作，芯片結(jié)構(gòu)承受的最大應(yīng)力不得超過硅的許用應(yīng)力340 MPa；此外芯片結(jié)構(gòu)的固有頻率還必須要高于被測信號的3～5倍。根據(jù)上述分析，綜合考慮設(shè)計要求與加工工藝的限制，初步確定了芯片的結(jié)構(gòu)參數(shù)。傳感器芯片尺寸為3 mm×3 mm×0．4 mm；十字梁尺寸為1 000 μm×284 μm×20 μm；膜尺寸為1 000 μm×1 000 μm×40 μm．

2　傳感器的仿真分析

2．1靜態(tài)分析

采用ANSYS軟件對傳感器芯片進(jìn)行靜態(tài)仿真分析，在芯片工作方向加載過載加速度150 000g，分析芯片結(jié)構(gòu)的受力情況。如圖5所示。

圖5　150 000 g加速度加載下芯片應(yīng)力分布

從圖5可以看出，芯片結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為36．3 MPa，小于硅的許用應(yīng)力，因此該結(jié)構(gòu)的參數(shù)選取對傳感器芯片來說是安全的，傳感器在設(shè)計量程內(nèi)可以安全工作。

2．2模態(tài)分析

模態(tài)分析可以確定結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型等參數(shù)，由此可以使設(shè)計結(jié)構(gòu)避免在工作時發(fā)生共振或以特定頻率進(jìn)行振動。采用ANSYS軟件對傳感器芯片進(jìn)行模態(tài)仿真分析，如圖6所示。

(a)一階模態(tài)

(b)二階模態(tài)

(c)三階模態(tài)

(d)四階模態(tài)

(e)五階模態(tài)

(f)六階模態(tài)

通過對傳感器芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，確定了其一至六階的模態(tài)，計算出了各階的頻率，如表1所示。

表1　傳感器的各階頻率　kHz

對加速度傳感器來說，如果被測加速度信號的頻率與其結(jié)構(gòu)固有頻率相近，那么傳感器結(jié)構(gòu)就有可能因共振會被破壞。從表1數(shù)據(jù)分析可得，傳感器的一階固有頻率為621．11 kHz，該頻率遠(yuǎn)高于一般的加速度信號，而且與其他各階工作模態(tài)頻率相距較遠(yuǎn)，滿足一般情況下固有頻率不小于20 kHz的設(shè)計要求[8]?？紤]到傳感器在封裝后可能因封裝材料的特性而導(dǎo)致固有頻率有所降低，設(shè)計的傳感器具有較高的固有頻率也是合理的[9]。由此證明該傳感器設(shè)計安全，能夠穩(wěn)定工作。

3　傳感器的加工及測試

3．1傳感器的加工與封裝

為提高高g值加速度傳感器在惡劣環(huán)境下的適應(yīng)能力，該傳感器采用SOI材料作為原始制作材料。傳感器芯片的工藝流程總共包括6張掩模板，結(jié)合光刻、感應(yīng)耦合等離子(ICP)刻蝕、低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)、KOH各向異性濕法腐蝕等加工技術(shù)，逐步制作出傳感器芯片。芯片上壓敏電阻采用硼離子注入工藝制作而成，硅片背面通過陽極鍵合工藝將硅片與玻璃鍵合在一起。圖7為加工完成的傳感器芯片照片。

圖7　傳感器芯片實(shí)物圖

傳感器芯片加工完成后，需要對芯片進(jìn)行封裝，一方面配置連接相應(yīng)的電路用以輸出信號，另一方面可以保護(hù)傳感器芯片的正常工作。將傳感器芯片上的壓敏電阻引出的焊盤與設(shè)計的電路轉(zhuǎn)接板相連接，構(gòu)成惠斯登電橋，最后輸出4根引線，其中2根引線為給傳感器供電的正負(fù)輸入，另外2根引線用以輸出壓敏電阻因受加速度而發(fā)生電阻改變的信號。最后將傳感器芯片、電路轉(zhuǎn)接板一并封裝在用45號鋼制作的外殼里，這樣便可以有效地保護(hù)傳感器芯片在工作時不受到外界的直接物理接觸而發(fā)生損壞。如圖8所示為封裝好的傳感器。

圖8　傳感器封裝實(shí)物圖

3．2傳感器的測試結(jié)果

傳感器封裝好之后，需要對傳感器進(jìn)行標(biāo)定、測試，以評價分析傳感器的性能。由于傳感器芯片上的敏感結(jié)構(gòu)在感受到加速度信號時，發(fā)生的變形屬于微小變形，因此通過惠斯登電橋輸出的信號非常小，再伴隨著周圍環(huán)境的干擾信號，如果直接用儀器測量，可能觀測不到需要的信號[10]。因此設(shè)計了放大濾波電路對傳感器輸出的信號進(jìn)行處理，先對傳感器輸出的信號進(jìn)行放大，放大倍數(shù)為50倍，再將環(huán)境中的干擾信號濾掉，由此測得的信號將會比較準(zhǔn)確。

采用SY13-1A加速度沖擊臺對加速度傳感器進(jìn)行測試。將傳感器固定在沖擊臺面上，傳感器的4根線中，兩根線供以5 V直流電壓，另外2根連接放大濾波電路，最后與示波器的輸入端連接。隨著沖擊臺設(shè)定固定的高度，下落沖擊后示波器便可測量出加速度信號。當(dāng)沖擊臺設(shè)定高度為200 mm時，沖擊可以獲得10 164．56 g的加速度，圖9為沖擊臺設(shè)定高度為200 mm時示波器測得的信號，從圖中可以看出測得信號的峰值為1．0 V．多次測量取平均值，并選擇多個測量高度，對每個高度的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，使用MATLAB軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，如圖10所示。

從圖9可以估算出被測信號的周期為40μs，則信號的頻率為25 kHz，遠(yuǎn)小于表1中使用ANSYS軟件進(jìn)行仿真分析時計算的傳感器的一階固有頻率621．11 kHz，這也

圖9　200 mm高度(10 164．56 g)下測得的加速度信號

圖10　加速度信號數(shù)據(jù)擬合曲線

驗(yàn)證了軟件仿真的正確與傳感器芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理安全。圖10中各數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合的直線方程為：

U=5.397 9×10-5·a+0.440 7

式中：U為輸出電壓，V；a為被測加速度，g．

通過計算得到高g值加速度傳感器的靈敏度為1．08 μV/g，線性度為1．163%。由于試驗(yàn)設(shè)備條件限制，無法在更高量程(50 000g)上對傳感器進(jìn)行測試。將加速度沖擊臺提高到超出量程的高度進(jìn)行過載沖擊，得到曲線顯示被測信號峰值達(dá)到4．5 V，代入擬合的直線方程可以計算出，此時的加速度值為75 201．467g．該試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，加速度傳感器在75 201．467g的加速度沖擊下仍能正常工作，且成功測得了被測加速度信號。這證明該加速度傳感器具有良好的工作性能，可以有效地滿足侵徹武器使用、炮擊實(shí)驗(yàn)等高沖擊、強(qiáng)振動等沖擊測試。

4　結(jié)束語

設(shè)計并研制了一種具有梁膜結(jié)構(gòu)的高g值加速度傳感器，測試結(jié)果表明該高g值加速度傳感器具有較高的靈敏度和較好的線性度。

隨著科技的進(jìn)步與國防能力的提高，對侵徹武器引信系統(tǒng)用高g值加速度傳感器的需求與性能必將越來越高。該高g值加速度傳感器的研究工作及成果將對后續(xù)的研究工作起到的借鑒、支持的作用。

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