高g 值加速度計的設計與沖擊特性分析*

石云波,朱政強,劉曉鵬,杜 康,劉 俊,2

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,山西 太原030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,山西 太原030051)

1 引 言

高g 值加速度計主要用于高速運動載體在啟動和著靶過程中速度變化的測量與控制,例如在航空航天領域以及導彈和侵徹引信的精確控制方面已經得到了廣泛應用。美國ENDEVCO 公司研制出了量程可達2×105g 的高過載壓阻式加速度傳感器7270 A,頻響可達到200 kH z。我國在高g 傳感器方面還是以壓電結構為主,北京大學微電子所研制的壓阻式高g 值加速度傳感器,量程為5×104g;對侵徹環境下超高過載加速度傳感器的需求仍未達到應用標準[1]。鑒于我國在高g 傳感器研究中與國外的差距,以及高g 加速度傳感器的特殊應用背景,對該類傳感器及其沖擊特性進行深入研究十分重要。本文中設計加工了一種新型的壓阻式結構的高g 值加速度計,并對其進行了實驗測試與標定,測試結果表明,該高g 值加速度計具有良好的抗過載能力,可應用到沖擊、爆破、侵徹等惡劣的環境中。

2 加速度傳感器的結構

圖1 是加速度傳感器模型的截面示意圖,量程為1.5×105g,經Ansys 軟件模擬一階固有頻率可達300 kHz[2]。該結構梁的寬度和質量塊的長寬一致,壓阻對稱放置于四梁根部,可以很好地抑制非對稱性結構引起的沿梁長度方向橫向加速度的影響。

圖1 加速度傳感器模型截面圖Fig.1 Sectional drawing of acceleration sensor

考慮到MEMS 加速度計加工工藝和技術指標的要求,在梁的寬度和質量塊寬度相等的前提下,為保證質量塊經KOH 腐蝕后形成的完整性,以及結構參數對應力等的影響,采用北京大學微電子研究所的標準加工工藝進行加工。加工好的加速度計芯片如圖2 所示,整體為“田”字形梁島結構,材料為單晶硅。結構的中心為活動質量塊,尺寸為800 μm×800 μm,由“十”字梁懸浮連接到邊框上,邊框作為錨區鍵合在玻璃基底上。傳感器封裝采用電子科技集團13 所的陶瓷合金封裝,用氮氣密封,未封蓋的封裝結構見圖3。

圖2 樣片正表面照片Fig.2 Photo of print surface

圖3 傳感器封裝示意圖Fig.3 Schematic plan of sensor

3 加速度計的測試

利用H opkinson 桿技術對加速度計進行沖擊加載,實驗裝置如圖4 所示,由H opkinson 桿、多普勒激光干涉儀、動態信號分析儀組成。Hopkinson 桿用于在校準端面獲得波形良好、橫向運動小的沖擊過程;多普勒激光干涉儀用于檢測由于光柵運動產生的多普勒頻移信號;動態信號分析儀用來采集多普勒信號和記錄被校加速度計輸出信號。沖擊過程中的激光多普勒干涉信號經計算,可以得到沖擊速度曲線;將沖擊速度曲線微分,可以得到沖擊加速度曲線。

將被測加速度計芯片安裝在H opkinson 桿的尾部,如圖5 所示。由壓縮空氣發射一子彈,同軸撞擊Hopkinson 桿的起始端,將會在Hopkinson 桿中產生近似半正弦的壓應變脈沖,并沿H opkinson 桿縱向傳播作用到加速度計上[3-4]。當加速度計承受到沖擊運動時,運動速度時間函數v(t)和激光干涉系統的多普勒頻移時間函數Δfd(t)之間存在確定的數學關系

式中:λ為入射光波長,θ為入射角。

圖4 Hopkinson 桿實驗裝置Fig.4 Experimental provision of Hopkinson

圖5 加速度計的安裝Fig.5 Setting of sensor

測量方向與運動方向垂直,光柵的衍射公式為

式中:d 為光柵常數,m、n 為光柵衍射級數。綜合式(1)、(2),得速度v(t)與多普勒瞬時頻率Δf(t)數學關系為

因此,只要獲得瞬時頻率Δf(t),即可求出實時速度v(t)。對速度1 次微分可得加速度a(t)。

利用瞬時頻率定義計算多普勒信號,進而求加速度。信號的瞬時頻率定義為其解析信號相位對時間的導數。多普勒信號為xr(t),其解析信號為xc(t)=xr(t)+j xi(t),實部為原多普勒信號xr(t),虛部xi(t)為多普勒信號的希爾伯特變換。可用下式計算xc(t)的瞬時相位[5]

由定義,得瞬時頻率

圖6 多普勒與傳感器信號圖Fig.6 Doppler and sensor signal charts

由于速度v(t)與瞬時頻率f(t)成正比

且光柵位移d(t)與速度v(t)有關系式

綜合式(6)、(7)有

對式(8)進行微分即可得速度和加速度。

實驗共對2 只加速度計芯片進行測試,每只芯片進行了6 次沖擊,共獲得11 組完整數據,測試結果如表1 所示。圖6 所示為其中一次實驗測得的信號。

表1 測試數據Table 1 Experimental results

4 測試結果分析

通過分析表1 中被測傳感器的輸出電壓與輸入加速度之間的關系,可以認為其基本屬于線性關系,為此采用一元線性回歸模型對被標定傳感器數據進行直線擬合,其結果如圖7 所示。擬合直線方程為

圖7 擬合曲線圖Fig.7 Linear fit curves

傳感器的端基線性度δ,即傳感器實際輸出與擬合直線的最大偏差ΔU max 與傳感器滿量程輸出U F,S 的百分比為

根據方程(9)可以分析出:N1-1 靈敏度為1.256 μV/g,N1-2 靈敏度為1.287 μV/g。分析表1 中的測試結果可知,加速度計在2×105g 左右時還可測試到正常的電壓輸出信號,表明設計的高g 加速度計的抗過載能力可高達2×105g。

5 結 論

設計的高g 加速度傳感器制作工藝相對簡單,具有體積小、功耗低等特點,抗過載能力可達到2×105g。通過進一步對該傳感器進行工程化應用研究,可以有效地滿足侵徹混合土、混凝土、鋼圈復合靶炮擊試驗等高沖擊、強烈振動場合的沖擊測試。

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[2] 石云波,祈曉謹,劉俊.引信用MEMS 加速度傳感器敏感元件的設計[J].半導體技術,2006,31(7):537-541.SH I Yun-bo, QI Xiao-jin, LIU Jun.Design of sensitivity component of M EM S accelerometer sensor basedon fuze[J].Semiconductor Technology,2006,31(7):537-541.

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