高g 值加速度计的设计与冲击特性分析*

石云波,朱政强,刘晓鹏,杜 康,刘 俊,2

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西 太原030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西 太原030051)

1 引 言

高g 值加速度计主要用于高速运动载体在启动和着靶过程中速度变化的测量与控制,例如在航空航天领域以及导弹和侵彻引信的精确控制方面已经得到了广泛应用。美国ENDEVCO 公司研制出了量程可达2×105g 的高过载压阻式加速度传感器7270 A,频响可达到200 kH z。我国在高g 传感器方面还是以压电结构为主,北京大学微电子所研制的压阻式高g 值加速度传感器,量程为5×104g;对侵彻环境下超高过载加速度传感器的需求仍未达到应用标准[1]。鉴于我国在高g 传感器研究中与国外的差距,以及高g 加速度传感器的特殊应用背景,对该类传感器及其冲击特性进行深入研究十分重要。本文中设计加工了一种新型的压阻式结构的高g 值加速度计,并对其进行了实验测试与标定,测试结果表明,该高g 值加速度计具有良好的抗过载能力,可应用到冲击、爆破、侵彻等恶劣的环境中。

2 加速度传感器的结构

图1 是加速度传感器模型的截面示意图,量程为1.5×105g,经Ansys 软件模拟一阶固有频率可达300 kHz[2]。该结构梁的宽度和质量块的长宽一致,压阻对称放置于四梁根部,可以很好地抑制非对称性结构引起的沿梁长度方向横向加速度的影响。

图1 加速度传感器模型截面图Fig.1 Sectional drawing of acceleration sensor

考虑到MEMS 加速度计加工工艺和技术指标的要求,在梁的宽度和质量块宽度相等的前提下,为保证质量块经KOH 腐蚀后形成的完整性,以及结构参数对应力等的影响,采用北京大学微电子研究所的标准加工工艺进行加工。加工好的加速度计芯片如图2 所示,整体为“田”字形梁岛结构,材料为单晶硅。结构的中心为活动质量块,尺寸为800 μm×800 μm,由“十”字梁悬浮连接到边框上,边框作为锚区键合在玻璃基底上。传感器封装采用电子科技集团13 所的陶瓷合金封装,用氮气密封,未封盖的封装结构见图3。

图2 样片正表面照片Fig.2 Photo of print surface

图3 传感器封装示意图Fig.3 Schematic plan of sensor

3 加速度计的测试

利用H opkinson 杆技术对加速度计进行冲击加载,实验装置如图4 所示,由H opkinson 杆、多普勒激光干涉仪、动态信号分析仪组成。Hopkinson 杆用于在校准端面获得波形良好、横向运动小的冲击过程;多普勒激光干涉仪用于检测由于光栅运动产生的多普勒频移信号;动态信号分析仪用来采集多普勒信号和记录被校加速度计输出信号。冲击过程中的激光多普勒干涉信号经计算,可以得到冲击速度曲线;将冲击速度曲线微分,可以得到冲击加速度曲线。

将被测加速度计芯片安装在H opkinson 杆的尾部,如图5 所示。由压缩空气发射一子弹,同轴撞击Hopkinson 杆的起始端,将会在Hopkinson 杆中产生近似半正弦的压应变脉冲,并沿H opkinson 杆纵向传播作用到加速度计上[3-4]。当加速度计承受到冲击运动时,运动速度时间函数v(t)和激光干涉系统的多普勒频移时间函数Δfd(t)之间存在确定的数学关系

式中:λ为入射光波长,θ为入射角。

图4 Hopkinson 杆实验装置Fig.4 Experimental provision of Hopkinson

图5 加速度计的安装Fig.5 Setting of sensor

测量方向与运动方向垂直,光栅的衍射公式为

式中:d 为光栅常数,m、n 为光栅衍射级数。综合式(1)、(2),得速度v(t)与多普勒瞬时频率Δf(t)数学关系为

因此,只要获得瞬时频率Δf(t),即可求出实时速度v(t)。对速度1 次微分可得加速度a(t)。

利用瞬时频率定义计算多普勒信号,进而求加速度。信号的瞬时频率定义为其解析信号相位对时间的导数。多普勒信号为xr(t),其解析信号为xc(t)=xr(t)+j xi(t),实部为原多普勒信号xr(t),虚部xi(t)为多普勒信号的希尔伯特变换。可用下式计算xc(t)的瞬时相位[5]

由定义,得瞬时频率

图6 多普勒与传感器信号图Fig.6 Doppler and sensor signal charts

由于速度v(t)与瞬时频率f(t)成正比

且光栅位移d(t)与速度v(t)有关系式

综合式(6)、(7)有

对式(8)进行微分即可得速度和加速度。

实验共对2 只加速度计芯片进行测试,每只芯片进行了6 次冲击,共获得11 组完整数据,测试结果如表1 所示。图6 所示为其中一次实验测得的信号。

表1 测试数据Table 1 Experimental results

4 测试结果分析

通过分析表1 中被测传感器的输出电压与输入加速度之间的关系,可以认为其基本属于线性关系,为此采用一元线性回归模型对被标定传感器数据进行直线拟合,其结果如图7 所示。拟合直线方程为

图7 拟合曲线图Fig.7 Linear fit curves

传感器的端基线性度δ,即传感器实际输出与拟合直线的最大偏差ΔU max 与传感器满量程输出U F,S 的百分比为

根据方程(9)可以分析出:N1-1 灵敏度为1.256 μV/g,N1-2 灵敏度为1.287 μV/g。分析表1 中的测试结果可知,加速度计在2×105g 左右时还可测试到正常的电压输出信号,表明设计的高g 加速度计的抗过载能力可高达2×105g。

5 结 论

设计的高g 加速度传感器制作工艺相对简单,具有体积小、功耗低等特点,抗过载能力可达到2×105g。通过进一步对该传感器进行工程化应用研究,可以有效地满足侵彻混合土、混凝土、钢圈复合靶炮击试验等高冲击、强烈振动场合的冲击测试。

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