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振動環(huán)境下碳化硅電容式壓力傳感器的零漂分析方法

2021-06-26 08:25楊榮森杜玉玲劉成藝
科學技術(shù)創(chuàng)新 2021年16期
關(guān)鍵詞:電容式碳化硅正弦

楊榮森 杜玉玲* 劉成藝

(1、畢節(jié)市工業(yè)和信息化局,貴州 畢節(jié)551700 2、電子科技大學,四川 成都610054)

碳化硅(SiC)電容式壓力傳感器具有靈敏度高、溫度漂移小、結(jié)構(gòu)更健壯、功耗低等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用在航天、航空等領(lǐng)域[1-3]。在航空發(fā)動機進氣口,壓力的變化直接影響發(fā)動機壓氣機進口壓力流場的均勻度,從而影響發(fā)動機機體和推進系統(tǒng)的穩(wěn)定性,壓力是發(fā)動機中的一個關(guān)鍵參數(shù)[4,5]。壓力傳感器作為航空發(fā)動機進氣口壓力的測量設(shè)備,所處環(huán)境較為復(fù)雜,容易受到鹽霧、沖擊、振動環(huán)境載荷影響而失效[6]。振動應(yīng)力已成為影響壓力傳感器可靠性的主要環(huán)境因素,振動是除溫度外造成航空航天類電子元器件及系統(tǒng)失效的第二大原因,占失效原因的20%以上[7],振動環(huán)境中壓力傳感器的失效主要包括:當振動激勵頻率處于傳感器固有頻率附近,導致傳感器發(fā)生共振現(xiàn)象,破壞傳感器結(jié)構(gòu)從而喪失正常功能;振動應(yīng)力雖未破壞器件內(nèi)部結(jié)構(gòu),但造成關(guān)鍵電氣參數(shù)漂移超過閾值,從而導致器件失效[8,9]。判斷壓力傳感器失效的關(guān)鍵電氣參數(shù)一般采用零點漂移[10],本文采用ANSYS有限元分析軟件對振動環(huán)境下碳化硅電容式壓力傳感器零漂進行時域分析,采用振動試驗對碳化硅電容式壓力傳感器進行零漂測量。

1 仿真和測試原理

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

如圖1(a)和圖1(b)所示,碳化硅芯片模型主要包括襯底、敏感膜、絕緣層、鈍化層、參考極板以及電極電容式壓力傳感器。常規(guī)情況下,當敏感膜上施加壓力載荷時,采用撓度理論和平板電容理論求得電容式壓力傳感器的電容值[11,12],在振動環(huán)境仿真中,由于傳感器敏感膜形變復(fù)雜,難以用常規(guī)的電容求解方法來計算電容值,本文采用微元法求解振動環(huán)境中電容式壓力傳感器的電容[13]。

圖1 碳化硅電容式壓力傳感器模型

1.2 評判依據(jù)

振動環(huán)境下,采用零點漂移作為電容式壓力傳感器的失效判據(jù)[10]。

式中,YS0為傳感器振動環(huán)境仿真或測試中零點輸出最大值,Y0為無振動載荷或振動測試前的零點輸出值,YFS為碳化硅電容式壓力傳感器滿量程輸出值。根據(jù)傳感器相關(guān)規(guī)范,當傳感器的量程為100kPa、精度為3%FS時,若∣α∣>0.03,則判定傳感器失效。同時,在振動測試過程中,若碳化硅電容式壓力傳感器出現(xiàn)破裂、裂紋、機械損傷等結(jié)構(gòu)損傷情況,則傳感器失效。

1.3 振動時頻信號的轉(zhuǎn)換

1.3.1 隨機振動時頻信號轉(zhuǎn)換

圖2(a)為隨機振動功率譜密度圖,根據(jù)功率譜(PSD、加速度譜(ASD)以及加速度均方根之間的關(guān)系來轉(zhuǎn)化時頻信號,采用IFFT快速傅里葉逆變換將圖2(a)所示的隨機振動功率譜密度頻域信號轉(zhuǎn)化成圖2(b)所示隨機振動時域信號。利用MATLAB中功率譜密度估算函數(shù)periodogram對轉(zhuǎn)化后的時域信號進行處理,得到圖2(c)所示的時域信號生成的功率譜度,轉(zhuǎn)化前后的功率譜差值幾乎為0,轉(zhuǎn)換精度滿足要求。

圖2 隨機振動時頻信號轉(zhuǎn)換

1.3.2 正弦掃描時頻信號轉(zhuǎn)換

正弦振動掃描轉(zhuǎn)換方法利用正弦掃描的加速度頻譜以及掃描率的關(guān)系,將每一個正弦信號首尾相接,得到最終的時域信號。按照正弦振動測試要求,根據(jù)3(a)正弦掃描振動加速度譜,確定頻譜段中的頻率點數(shù),并通過已知的掃描率,獲得掃描振動頻域中每個頻率點的循環(huán)次數(shù)[14],并將每個頻率正弦信號首尾拼接,得到如圖3(b)所示的正弦掃描振動時域信號。

圖3 正弦掃描時頻信號轉(zhuǎn)換

1.3.3 沖擊時頻信號轉(zhuǎn)換

在沖擊頻域信號轉(zhuǎn)換成時域信號時,一般采用合成小波的方法[15],根據(jù)4(a)的沖擊頻域信號,采用合成小波的正弦窗波作為基波,確定每一個基波的幅值、頻率、延遲時間和半弦波數(shù),將所有的基波相加得到初始的沖擊信號,并通過四階龍格庫塔法計算每個頻率下的最大響應(yīng),將最大響應(yīng)作為該頻率下的幅值,不斷修正時域信號,直至4(b)中的沖擊頻譜在標準沖擊譜±3dB誤差范圍內(nèi),最終得到4(c)所示的沖擊時域信號。

圖4 沖擊時頻信號轉(zhuǎn)換

1.4 振動測試

本次傳感器失效測試主要是測試傳感器的電學性能,將傳感器的零漂作為振動實驗后傳感器性能是否發(fā)生退化的主要判斷依據(jù)。圖5為本次可靠性測試的傳感器,在振動環(huán)境測試中,主要測試SiC電容式壓力傳感器零點輸出和滿量程輸出。其中,“零點輸出”是將壓力傳感器與其配套的壓力變換器連接,壓力傳感器所處壓力為500 Pa時,變換器的輸出電壓值;“滿量程輸出”則是壓力傳感器所處壓力為滿量程時,變換器的輸出電壓值,本次測試傳感器的滿量程為100KPa。

圖5 SiC電容式壓力傳感器實物圖

振動伴隨在傳感器的運輸和使用過程中,振動影響傳感器電學性能和機械性能,本次振動環(huán)境測試實驗包括正弦掃描、隨機振動和沖擊,高量級的振動能夠影響傳感器的電學特性。在振動試驗前,要測出傳感器零點電壓及滿量程電壓,測試的接線如圖6所示,記錄變換器的零點輸出值Y0和滿量程輸出值YFS;將傳感器安裝在振動臺上,振動試驗后,測出傳感器零點輸出電壓YS0。

圖6 電容式壓力傳感器測試線路

2 結(jié)果與討論

2.1 輸出特性

圖7為不同壓力下傳感器敏感膜的形變,壓力增大,敏感膜的形變增大,當壓力大于60KPa后,傳感器敏感膜和襯底逐漸發(fā)生接觸。圖8為傳感器仿真和測試輸出特性曲線,傳感器芯片在整個區(qū)域的線性度比較高,線性度均大于0.9,接觸區(qū)域的線性度較好,非接觸區(qū)域的靈敏度較大。

圖7 不同壓力下傳感器敏感膜的形變

圖8 傳感器仿真和測試輸出特性曲線

2.2 固有頻率

傳感器的固有頻率是判斷振動頻率范圍對傳感器形變影響的主要參數(shù),經(jīng)模態(tài)分析,得到傳感器的固有頻率。如圖9所示,碳化硅電容式壓力傳感器仿真模型的最小的固有頻率為75.8 KHz,其遠遠大于振動實驗的最大頻率6KHz,傳感器幾乎不會發(fā)生諧振影響。

圖9 碳化硅電容式壓力傳感器固有頻率

2.3 零漂

按照振動載荷的施加要求,本次測試分別施加了正弦掃描、隨機振動和沖擊載荷,圖10為傳感器#1和傳感器#2的輸出零點電壓變化階梯圖,在沖擊測試后,傳感器的零點輸出電壓最大變化量為7mV,沖擊對傳感器的零點輸出電壓變化量影響最大;在隨機振動測試后,傳感器的零點輸出電壓最大變化量為3mV;在正弦掃描前后,傳感器的零點輸出電壓最大變化量為2mV,正弦掃描對傳感器的零點輸出電壓變化量影響最小。圖11為振動環(huán)境中傳感器零漂值,沖擊造導致傳感器有較大的零漂,傳感器的最大零漂測量值為0.1143 ,仿真值為0.1933 ;隨機振動下,傳感器的最大零漂測量值為0.0618 ,仿真值為0.05739 ;正弦掃描下,傳感器的零漂值最小,最大零漂測量值為0.04129,仿真值為7.346×10-5。在正弦掃描、隨機振動和沖擊等振動環(huán)境中,碳化硅電容式壓力傳感器的零漂均小于3%,傳感器的外觀并未出現(xiàn)破裂,傳感器均未失效。

圖10 振動環(huán)境下傳感器零點電壓測試值

圖11 振動環(huán)境下傳感器零點漂移

3 結(jié)論

本文提出了一種結(jié)合時域仿真和振動測試的方法來分析振動環(huán)境下的傳感器零漂,通過研究分析,在正弦掃描、隨機振動和沖擊等振動環(huán)境中,本次所用的碳化硅電容式壓力傳感器零漂均小于3%,傳感器的外觀并未出現(xiàn)破裂,零漂值主要與振動的量級相關(guān)。

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