降低加速度信号粘连的传感器二次封装材料

张海涛，张　康，李朝阳，徐蓬朝

(西安机电信息技术研究所，西安　710065)



降低加速度信号粘连的传感器二次封装材料

张海涛，张康，李朝阳，徐蓬朝

(西安机电信息技术研究所，西安710065)

摘要：针对战斗部高速侵彻多层硬目标时，时域内出现的加速度信号粘连影响引信计层准确性的问题，提出通过传感器二次封装降低侵彻计层信号粘连，而选择灌封材料的原则是提高振动模型的阻尼比；弹性模量相对较高、阻尼系数与刚度系数比值较大的灌封材料可以获得更高的阻尼比；仿真及试验表明：与石蜡相比，用环氧树脂灌封使振动模型阻尼比增大，战斗部高速侵彻多层硬目标时加速度信号衰减迅速、信号粘连程度降低，实现引信计层准确性的提高。

关键词：引信；传感器；信号粘连；二次封装；阻尼比

本文引用格式：张海涛，张康，李朝阳，等.降低加速度信号粘连的传感器二次封装材料[J].兵器装备工程学报，2016(7):37-41.

Citation format:ZHANG Hai-tao, ZHANG Kang, LI Zhao-yang, et al.Secondary Packaging Materials to Reduce the Acceleration Sensor Signal Blocking[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):37-41.

计层起爆控制是硬目标侵彻引信起爆控制方式之一，工作原理是用高g值加速度传感器测取战斗部侵彻加速度时间历程，实时计算加速度信号，利用加速度信息判断战斗部着靶、出靶，实现计层。

在弹丸侵彻速度高于600 m/s时，侵彻过载淹没在高频振荡信号中，弹丸侵彻下一层靶标时应力波未完全衰减，使加速度信号在前一层与后一层之间相互粘连，分层特性不明显。文献[1]提出基于小波包络分解的多层侵彻信号分析及处理方法，基于小波变换的冲击振动时频特征分析，可以给出所侵彻的目标层信息，但该方法仅在数据后期处理中实现，且处理器配置要求较高。文献[2]提出一种基于加速度传感器和MEMS开关信号融合的计层算法，消除弹丸高速侵彻过程中加速度信号受应力波等干扰影响造成分层特性不明显或信号异常产生的计层误差。文献[3]提出调整加速度计的阻尼，可以消弱谐振现象，但加速度计阻尼较小时其响应信号谐振情况严重，幅值误差大。文献[4]研究了灌封材料对压阻式高g值加速度传感器动态特性的影响，指出弹性模量大于2 GPa的环氧树脂是适于压阻式高g值加速度计的二次灌封材料，但没有研究传感器二次封装材料与侵彻多层硬目标时加速度信号粘连的内在联系。综上所查阅的文献，信号融合方法能解决问题，但对经济性和产品小型化不利，时域内出现的加速度信号粘连没有消除或降低，加速度信号粘连影响引信计层准确性的问题解决不彻底。针对战斗部高速侵彻多层硬目标时，时域内出现的加速度信号粘连影响引信计层准确性的问题，提出通过传感器二次封装降低侵彻计层信号粘连的途径，而选择灌封材料的原则是提高振动模型的阻尼比。

1芯片级封装传感器及动态特性

1.1压阻式传感器结构

压阻式加速度传感器是基于单晶硅的压阻效应制成，具有上升时间短、固有频率高的特性，在冲击、爆炸、高速碰撞等环境中使用广泛。其工作原理是当传感器内的质量块受到惯性力的作用时，梁受压发生变形，对称布置在四根梁端部的压敏电阻的电阻率随之按一定规律变化，传感器的输出电压会因质量块的惯性力不同而随时改变。压阻式加速度传感器结构原理如图1所示，这种传感器也称为芯片封装传感器，其外部用不锈钢管壳封装[4]。

图1　压阻式加速度传感器结构

1.2影响芯片级封装传感器动态特性的阻尼比

文献[4]中针对芯片级封装传感器建立等效数学模型是二阶系统绝对式模型，如图2所示。

图2　芯片级封装传感器等效模型

假设基座受冲击后相对于大地的运动位移x，质量块相对于基座的运动位移为y，则质量块相对于大地参考系的运动位移z=x+y，依据牛顿第二定律可得：

(1)

其中：c为阻尼系数，m为质量块的质量，k为弹性元件的刚度系数。

f(t)代表加速度传感器的实际输入，即基座的加速度d2x/dt2，在此将冲击信号近似为半正弦脉冲信号。激励加速度均可近似为半正弦脉冲信号[4]：

(2)

(3)

依据单位脉冲激励的冲击响应，阻尼比不同时，理论计算得到的冲击响应曲线如图3所示，可以看出阻尼比不同时，冲击响应幅值和信号衰减速率有很大差异。当传感器的阻尼比在0.1～0.25时，响应信号幅值持续降低，自由振动部分的衰减速率加快，系统自由振动部分的能量降低，系统稳定时间缩短，从而明显改善加速度计的动态特性[4，6]。

图3　单位脉冲激励信号响应曲线

1.3加速度信号粘连机理

战斗部侵彻多层硬目标时，第一层目标侵彻后，传感器获得初始激励，战斗部穿靶后传感器在初始激励后加速度信号逐渐衰减，传感器自身还没有达到稳定状态时，第二层靶侵彻开始，此时传感器的第一层穿靶激励的响应与第二层穿靶激励的响应叠加在一起，前两层靶侵彻加速度信号粘连在一起，有效层信号包络淹没在高频振荡信号中，分层特性不明显。加速度信号粘连的本质原因是战斗部侵彻多层硬目标工况特殊，引信内的加速度传感器要在极短时间内经受多次连续冲击。由于弹速较高、层间距较小、传感器自身阻尼不足，致使加速度信号在战斗部穿相邻两层靶之间的空档时信号来不及衰减至稳定状态，下一层靶的侵彻就开始了，在整个时域内出现加速度信号粘连。

2降低加速度信号粘连的传感器二次封装材料

2.1高g值压阻式加速度传感器二次封装

侵彻引信内置高g值压阻式加速度传感器，为实现其计层起爆功能，起爆控制电路实时采集加速度传感器的输出信号，用采集的加速度信息判断战斗部是否着靶、出靶，实现计层。用环氧树脂灌封传感器的结构原理如图4所示，国产压阻式高g值加速度传感器均为芯片级封装，需要在PCB板上匹配适配放大电路，传感器自身有4个引脚，引出4根线连接到PCB板上，传感器和PCB板分别灌封到独立的腔室内。传感器二次封装方法是将芯片级封装传感器用弹性模量相对较高、阻尼系数与刚度系数比值较大的材料，用专用工装将芯片级封装传感器固定到铝本体预制孔内，传感器底面与预制孔底面保持一定距离，用环氧树脂灌封到铝本体预制孔内，孔内壁预制细牙螺纹以增大环氧树脂附着力。传感器用环氧树脂灌封后，传感器振动模型的阻尼比会改变，传感器的幅频特性发生改变，其工作频带降低。

图4　传感器二次封装结构原理图

2.2提高振动模型阻尼比降低加速度信号粘连

灌封后的加速度传感器本质是二阶线性系统，建立其等效力学模型，进行计算分析。将灌封材料的非线性缓冲简化为基础激励，灌封后的传感器系统等效为由芯片级传感器和灌封材料组成的二自由度系统，灌封后传感器等效力学模型如图5所示。ma、ka、ca为芯片级封装加速度传感器的惯性质量、刚度系数和阻尼系数。高g值加速度传感器的自身阻尼ca相对较小，计算时忽略。mc、kc、cc分别为外部灌封材料的等效质量、刚度系数和阻尼系数。xa加速度传感器芯片的绝对位移，xc灌封材料的绝对位移，z加速度传感器芯片的惯性质量ma相对于灌封材料质量mc的位移，θ，ψ初始相位角。

图5　灌封后传感器等效力学模型

侵彻引信中使用的高g值压阻式加速度传感器动态性能指标有上升时间tr、峰值时间tp、稳定建立时间ts，和超调量σ等。图6是加速度传感器的时域内的动态响应曲线，其中上升时间tr反映传感器响应速度的快慢，ts是指传感器受激励后稳定信号建立时间。引信内部使用环氧树脂灌封传感器，传感器灌封后的传感器振动模型的阻尼比灌封前传感器自身的阻尼比大，缩短传感器动态指标中的稳定信号建立时间ts，降低了战斗部侵彻多层硬目标时加速度信号粘连，同时降低传感器共振的振幅。

图6　加速度传感器时域动态响应

3验证

3.1理论分析

灌封后的加速度传感器等效力学模型为二自由度振动系统，等效模型见图5。该振动系统两个不同的自由振动频率。当加速度传感器的基础位移输入y=y0sinωt。

系统的运动方程组：

(4)

通过求解系统的运动方程组，可得芯片质量m的动态响应：

(5)

解算式(5)，可以得到灌封后加速度传感器系统的幅频特性和相频特性：

灌封后传感器振动模型的阻尼比μ是阻尼系数与临界阻尼系数的比值，反映的是振幅按指数规律衰减效率。阻尼比μ增大，可以使式z(t)中的第一项衰减加快，缩短传感器激励后到达稳定状态的时间，同时也能降低z(t)幅值。

依据式(6)给出的灌封后的加速度传感器系统的幅频特性函数，灌封材料为环氧树脂，令β=0.5，δ=γ/6，阻尼比μ取不同值时，仿真得到灌封后传感器系统幅频特性曲线如图7所示。

由图7可以看出，阻尼比对传感器系统幅频特性的曲线影响较大，即灌封材料的特性参数对系统幅频特性的影响较大。灌封前芯片级封装传感器的幅频特性只有一个谐振峰。灌封后二次封装的传感器有两个谐振峰值，随着阻尼比值由小到大不断的变化，曲线的第一谐振峰值明显也在逐渐降低，第二谐振峰值变化不大。对于二次封装传感器，外界激励信号的频率等于传感器的固有频率时系统并不发生共振，而是在其接近整个二次封装传感器的谐振频率时，才会出现共振现象。灌封后传感器的第一谐振点往左移动，第二谐振点往右移动，传感器幅频特性曲线的平直段范围缩小，工作频带降低。

图7　不同阻尼比时传感器的幅频特性

3.2侵彻多层硬目标仿真

选用不同灌封材料对芯片级封装传感器进行灌封，侵彻多层硬目标时，传感器响应信号的衰减特性不同。通过式(5)分析表明弹性模量相对较高、阻尼系数与刚度系数比值较大的材料对传感器进行灌封，可以提高灌封后传感器振动模型的阻尼比。由于芯片级封装传感器的模型复杂，传感器在仿真模型中用等效质量模块代替，PCB板灌封腔室与传感器灌封腔室先互独立，互不影响，忽略了PCB板灌封腔室部分的建模。引战仿真模型中引信传感器安装位置及灌封结构如图8所示。

建立侵彻多层硬目标仿真模型，用LS-DYNA软件进行仿真，引战仿真模型如图9所示。

图8　传感器安装位置及灌封结构

图9　引战仿真模型

仿真模型中战斗部初速650 m/s。战斗部壳材料为30CrMnSi钢，选用双线性随动塑性材料模型；引信壳、压螺材料为钛合金，选用JOHNSON-COOK材料模型；封装体和配重模块的材料和传感器的材料均为硬铝2A12，均选用随动塑性材料模型；灌封材料选择石蜡与环氧树脂以便于对比，选用线弹性材料模型。8层钢筋混凝土靶，层间距3 m，厚度0.3 m，混凝土抗压强度40 MPa，选用J-H-C模型。环氧树脂与铝本体之间采用共节点连接方式模拟增强附着力的螺纹结构。在其他条件不变的情况下，在引战模型中调整灌封材料参数，为对比不同封装材料即石蜡与环氧树脂，两种条件下进行仿真，仿真结果如图10和图11。

图10　石蜡封装传感器的仿真结果

图10是石蜡灌封传感器的仿真结果，弹丸在连续侵彻多层靶所形成的层与层之间的侵彻过载包络不清晰，层与层之间的加速度信号发生相互粘连。由于弹速较高、层间距较小、灌封材料阻尼比小，致使加速度信号在战斗部穿越层层衰减慢，侵彻过载层次不清晰，出现加速度信号粘连。

图11　环氧树脂封装传感器的仿真结果

图11是环氧树脂灌封传感器的仿真结果，弹丸在侵彻每一层靶板时，其所形成的层与层之间的侵彻过载包络较为清晰，侵彻过载曲线特征层次比较分明，与石蜡灌封传感器仿真结果相比，层与层之间加速度信号相互粘连程度降低。

3.3冲击试验

选用不同的灌封材料对芯片级封装传感器进行灌封，灌封后传感器的阻尼比不同，传感器的冲击响应信号的衰减速率也不同。与石蜡相比，环氧树脂的弹性模量相对较高、阻尼系数与刚度系数比值较大，为验证环氧树脂是否适合对传感器进行灌封，与石蜡灌封材料做对比。

选用量程3万g，抗过载能力5万g，灵敏度3．5 μV/g，谐振频率250 kHz的压阻式高g值加速度传感器，传感器灌封后放入引信壳体内，引信壳体通过底部的外螺纹与锤头连接，用马歇特锤击设备进行冲击试验。具体试验方法是冲击过程中的加速度数据的采集存储由数据采集存储模块负责，加速度传感器灌封到铝本体内，用压螺压紧，然后与锤头连接，将马歇特锤齿数设置在8齿释放后锤头与铁砧产生碰撞，被试产品的安装结构示意图如图12所示。

图12　被试产品安装示意图

用石蜡灌封的加速度传感器，在8齿条件下进行冲击试验，试验结果如图13所示，加速度传感器的响应信号中有比较明显谐振现象，从18 000g衰减至4 000g历时140 ms，衰减至2 000g历时350 ms，衰减速率较慢。

图13　石蜡封装传感器的试验结果

用环氧树脂灌封的加速度传感器，在8齿条件下进行冲击试验，试验结果如图14所示，响应信号有较小的谐振现象。从17 000g衰减之4 000g历时30 ms，衰减至2 000g历时60 ms。与图13试验结果相比，加速度传感器响应信号的衰减速率明显加快。

图14　环氧树脂封装传感器的试验结果

对比图13和图14的试验数据，尽管两次试验中传感器响应信号的幅值特性不完全相同，但加速度传感器响应信号的衰减速率差异明显，环氧树脂灌封的传感器响应信号衰减特性优于石蜡灌封的传感器。

4结论

本文提出通过传感器二次封装来降低侵彻计层信号粘连的途径，而其中选择灌封材料的原则是提高振动模型的阻尼比。该方法是用弹性模量相对较高、阻尼系数与刚度系数比值较大的环氧树脂材料，用专用工装将芯片级封装传感器固定到铝本体预制孔内，传感器底面与预制孔底面保持一定距离，用环氧树脂灌封到铝本体预制孔内，孔内壁预制细牙螺纹以增大环氧树脂附着力。芯片级封装传感器用环氧树脂灌封后，传感器振动模型阻尼比增大，加速度信号的衰减加快，动态响应指标中的稳定建立时间缩短。仿真及试验表明：与石蜡相比，用环氧树脂灌封使振动模型阻尼比增大，战斗部高速侵彻多层硬目标时加速度信号衰减迅速、信号粘连程度降低，实现引信计层准确性的提高。

由于试验成本较高，传感器灌封材料的差异性及何种灌封料效果最佳，还需进一步通过大量试验来验证。

参考文献：

[1]董力科.基于小波包分解的多层侵彻信号分析及处理方法研究[J].电子测试，2012(12):20-22.

[2]欧阳科,杨永辉,阮朝阳.基于加速度传感器和开关信号融合的计层算法[J].探测与控制学报，2012，34(2):8-9.

[3]王钻开,陆德仁.传感器固有频率和阻尼对冲击加速度检测的影响[J].功能材料与器件学报,2003,9(2):61-64.

[4]刘爱莉.压阻式高g值加速度传感器的动态特性研究[D].太原：中北大学，2013.

[5]齐飞.面向硬涂层阻尼减振的测试方法研究[D].沈阳：东北大学，2012.

[6]杨杏敏.大过载压阻式加速度计设计、封装与测试[D].太原：中北大学,2011.

(责任编辑周江川)

收稿日期：2016-02-18；修回日期：2016-03-02

作者简介：张海涛(1982—)，男，工程师，主要从事机电引信技术研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.009

中图分类号：TP274

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)07-0037-06

Secondary Packaging Materials to Reduce the Acceleration Sensor Signal Blocking

ZHANG Hai-tao, ZHANG Kang, LI Zhao-yang, XU Peng-zhao

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China)

Abstract:For the problem that acceleration signal appears in time domain impacts accuracy issue of blocking layer of fuze meter when warhead penetrated multi-warhead hard targets in high-speed, the second package of the sensor was proposed to reduce meter penetration adhesion layer signal, and the selection potting material principle was to improve the damping ratio of the vibration model. The modulus of elasticity is relatively high and potting material with large damping and stiffness coefficient ratio can achieve higher damping ratio. Simulation and experiments show that: compared with paraffin, the vibration model damping ratio increases with epoxy potting, and the acceleration signal attenuation rapidly when warhead penetrated multi-warhead hard targets in high-speed, and the degree of adhesion signals is reduced, which realizes the improvement of accuracy of fuze meter level.

Key words:fuze; sensor; signal blocking; the second package; damping ratio

【装备理论与装备技术】