高量程加速度傳感器在測試中的失效分析*

張 賀，石云波，2* ，唐 軍，趙 銳，2，劉 俊，2

(1.中北大學(xué)電子測試國家重點實驗室，太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051)

高g值加速度傳感器可用于各種導(dǎo)彈侵徹混凝土目標(biāo)、侵徹航母鋼板跑道等侵徹過程的動態(tài)參數(shù)測試，也可用于大當(dāng)量沖擊波場爆炸威力的評估測試，為該系列武器的攻擊性能研究提供有效的測試數(shù)據(jù)和技術(shù)支持［1］。因此，該類傳感器以及由此構(gòu)成的MEMS系統(tǒng)的研究，對加強我國的國防建設(shè)和航空航天事業(yè)具有重大的意義。高g值加速度傳感器應(yīng)用于高沖擊環(huán)境，測試傳感器在高沖擊載荷下的性能及分析失效機理已經(jīng)成為高g值加速度傳感器研究中重要一個方面。

1 高量程加速度傳感器

本文用于測試的高量程加速度傳感器的量程為150 000gn，抗過載能力200 000gn。傳感器的整體結(jié)構(gòu)為梁島型，將芯片封裝到不銹鋼管殼內(nèi)并用環(huán)氧進行灌封，封裝好的傳感器如圖1所示。

圖1 封裝完成的高g加速度傳感器

2 實驗室測試時傳感器失效分析

利用Hopkinson桿測試裝置對高g加速度傳感器進行沖擊測試，測試裝置如圖2所示，主要由Hopkinson桿、多普勒激光干涉儀、動態(tài)信號分析儀組成。Hopkinson桿測試傳感器的方法是，將被測微加速度計芯片安裝在Hopkinson桿的尾部，壓縮空氣發(fā)射子彈，同軸撞擊 Hopkinson桿的起始端，將會在Hopkinson桿中產(chǎn)生近似半正弦的壓應(yīng)變脈沖，并沿Hopkinson桿縱向傳播，沖擊過程中的激光多普勒干涉信號經(jīng)解算，可以得到?jīng)_擊速度曲線，將沖擊速度曲線微分，可以得到?jīng)_擊加速度曲線，在此加速度傳感器的激勵下，加速度傳感器輸出電壓信號［2－4］。

本次測試共有傳感器5支，測試完成后有3支傳感器完好，2支出現(xiàn)失效。其中失效的傳感器測試結(jié)果如表1、2所示。

表1 1#傳感器測試結(jié)果

表2 3#傳感器測試結(jié)果

2支傳感器失效原因傳感器芯片結(jié)構(gòu)中的微梁發(fā)生斷裂、引線脫落，如圖3、圖4所示。

圖3 傳感器微梁斷裂

圖4 傳感器鍵合引線脫落

對結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析［5－9］，得到梁根部或端部所受到的最大應(yīng)力為:式中涉及到的參數(shù)分別代表:a2為梁長，b2為梁寬，h2為梁厚，為質(zhì)量塊質(zhì)量，a為加速度。

根據(jù)式(1)可以計算當(dāng)沖擊的峰值加速度為243 658.2g時梁的根部受到的應(yīng)力值。發(fā)現(xiàn)并沒有超過硅材料的斷裂強度7 GPa。由此可以說明重復(fù)性沖擊加速了硅材料的疲勞損傷，降低了材料的強度。

傳感器上的微電路是通過濺射鋁形成的，而采用的鍵合引線是金，不同材料間的粘結(jié)強度不是很強，造成傳感器在受到?jīng)_擊時發(fā)生引線脫落。

3 實彈侵徹中傳感器失效分析

在雙層鋼靶侵徹測試中采用152 mm口徑的滑膛炮，炮口與靶板的距離為120 m，兩層靶板間的距離為3.2 m，測試現(xiàn)場效果圖如圖5所示。

圖5 測試現(xiàn)場效果圖

測試中彈體侵徹兩層鋼靶板，如圖6所示，靶板參數(shù)如表3所示。裝配好的記錄器及傳感器的實際安裝如圖7所示。在侵徹中測試到了炮彈在膛內(nèi)的加速信息，彈體侵徹兩層鋼靶板時的過載信息，如圖8所示。

圖6 鋼靶板

圖7 安裝傳感器的彈體

圖8

從存儲器中讀出的侵徹測試數(shù)據(jù)［10－11］經(jīng)過處理后得到測試結(jié)果如表3所示。

表3 侵徹測試結(jié)果

為使分析簡單化，把炮彈簡化為兩端自由的等直桿，其長度等于炮彈除去其錐形頭部后余下的長度。根據(jù)桿縱向振動理論，求得炮彈的自由振動頻率為

其中l(wèi)炮彈的等效長度，ρ炮彈的密度，E炮彈的楊氏模量。

用振型疊加法可求得炮彈中傳感器受到的加速度響應(yīng)，整個響應(yīng)分兩個階段，在沖擊力作用時間內(nèi)的響應(yīng)稱主響應(yīng)，在沖擊力結(jié)束后的響應(yīng)稱余響應(yīng)［12］。余響應(yīng)幅值可表示為:

其中τ沖擊信號的脈寬。

在上述分析中忽略了阻尼，由于實際試驗中不可避免地存在阻尼。在小阻尼情況下，幅值A(chǔ)i仍可用式(3)計算。

分析得出，侵徹第一層靶板有效加速度值為81 078gn，脈寬 175 μs，通過式(2)、式(3)計算傳感器侵徹第一層鋼靶板得到余響應(yīng)的部分幅值如表4所示。

表4 余響應(yīng)幅值 單位：g

所設(shè)計的傳感器抗過載能力為200 000gn，傳感器在侵徹第一層鋼靶板時不會失效。

由此可以看出一個剛度較大的結(jié)構(gòu)對脈寬較小的脈沖力的加速度余響應(yīng)中，高頻分量的幅值很大。

炮彈侵徹第二層鋼靶板時發(fā)生失效，失效的傳感器如圖9所示。

圖9 失效傳感器

從侵徹數(shù)據(jù)中可以看到，炮彈在侵徹第二層鋼靶板的同時，傳感器已經(jīng)失效，這說明在侵徹第一層鋼靶板時由于高頻信號產(chǎn)生的共振產(chǎn)生的總余響應(yīng)的幅值是一系列余響應(yīng)幅值的和，使傳感器已達到承受的最大過載，并且發(fā)生的損傷，造成炮彈與第二層鋼靶板撞擊的同時傳感器無法再承受高過載而發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂。

4 結(jié)論

本文通過在實驗室環(huán)境、實彈測試環(huán)境下測試傳感器，并對其失效進行分析得到以下結(jié)論:

(1)在實驗室沖擊環(huán)境下的主要失效模式為鍵合引線的脫落和微梁的斷裂。主要原因是，加速度傳感器上的微電路是通過濺射鋁形成的，而采用的鍵合引線是金，不同材料間的粘結(jié)強度不是很強，若采用鋁引線將明顯提高鍵合強度;重復(fù)性的沖擊加速了材料的疲勞，導(dǎo)致沖擊應(yīng)力還沒有超過其斷裂強度，加速度傳感器的梁就發(fā)生了斷裂。

(2)在實彈測試環(huán)境下傳感器在侵徹測試中失效的主要原因是與侵徹信號中高頻分量發(fā)生共振導(dǎo)致過載增大，傳感器芯片上的微結(jié)構(gòu)位移失控，造成傳感器結(jié)構(gòu)斷裂。

通過對不同測試環(huán)境下傳感器失效機理進行分析，對提高高量程加速度傳感器在測試中的可靠性有實際的參考價值，為傳感器的進一步研究打下了基礎(chǔ)。

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