石云波，李 平，朱正強(qiáng)，劉 俊，張曉明

(中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

MEMS高g值加速度計(jì)主要用于高速運(yùn)動(dòng)的載體在啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中速度變化的測(cè)量與控制，廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域以及導(dǎo)彈和智能化炮彈的精確控制上，因此，對(duì)該類傳感器以及由此構(gòu)成的MEMS系統(tǒng)的研究具有重大意義。MEMS高g值加速度傳感器主要在沖擊、爆炸、侵徹等惡劣環(huán)境中應(yīng)用，在這些環(huán)境中應(yīng)用時(shí)，對(duì)高g加速度傳感器的抗過(guò)載能力有嚴(yán)格的要求，否則會(huì)導(dǎo)致傳感器結(jié)構(gòu)損壞，測(cè)試得不到有效信號(hào)［1，2]。

美國(guó)ENDEVCO公司研制出了量程可達(dá)200 000 g的高過(guò)載壓阻式加速度傳感器7270A，頻響可達(dá)到200 kHz。我國(guó)在高g傳感器方面還是以壓電結(jié)構(gòu)為主。北京大學(xué)微電子所研制的壓阻式高g值加速度傳感器，量程為50 000 g，對(duì)侵徹等環(huán)境下的超高過(guò)載需求仍未達(dá)到應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)［3]。

本文根據(jù)設(shè)計(jì)的高g加速度傳感器抗過(guò)載能力不足，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種新型的壓阻式高g加速度傳感器結(jié)構(gòu)，通過(guò)在高過(guò)載測(cè)試中結(jié)構(gòu)最易斷裂的懸臂梁根部和端部添加倒角的方法來(lái)提高加速度傳感器結(jié)構(gòu)的牢靠性，進(jìn)而提高加速度傳感器的抗高過(guò)載能力。Hopkinson桿沖擊測(cè)試方法對(duì)優(yōu)化前后的加速度傳感器進(jìn)行沖擊測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，加速度計(jì)的抗高過(guò)載能力從180 000 g提高到240 000 g，說(shuō)明該優(yōu)化方法明顯提高了該類加速度傳感器結(jié)構(gòu)的抗高過(guò)載能力。

1 傳感器結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的壓阻式高g值加速度傳感器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)計(jì)指標(biāo)是:量程為150 000 g，抗過(guò)載能力為200 000 g，采用四端固支的梁－島微結(jié)構(gòu)，梁的寬度和質(zhì)量塊的長(zhǎng)寬均一致，壓敏電阻對(duì)稱的布置在四根梁的端部［4]。

圖1 高g加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The stucture of high-g acceleration sensor

采用標(biāo)準(zhǔn)加工工藝加工設(shè)計(jì)的加速度傳感器，通過(guò)Hopkinson桿測(cè)試高g加速度傳感器的抗高過(guò)載性能，測(cè)試結(jié)果顯示，在200 000 g時(shí)加速度傳感器測(cè)試不到有效的沖擊信號(hào)，如圖2所示，經(jīng)分析是傳感器結(jié)構(gòu)已損壞，導(dǎo)致輸出電壓異常，成矩形波輸出，分析傳感器結(jié)構(gòu)的照片，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中一根梁的根部出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，如圖3所示。

圖2 傳感器輸出的異常信號(hào)圖Fig.2 Abnormal output signal of the sensor

2 抗過(guò)載能力的優(yōu)化

2.1 優(yōu)化方法

高g值加速度傳感器結(jié)構(gòu)在沖擊測(cè)試中普遍存在的問(wèn)題是沿梁的端部或根部易斷裂，設(shè)計(jì)的加速度傳感器在150 000 g作用下的應(yīng)力分布如圖4所示。

從圖4中分析可得，當(dāng)加速度傳感器受到高沖擊時(shí)，梁的根部和端部受到的應(yīng)力最大，對(duì)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)最大應(yīng)力的部位作局部分析，懸臂梁上局部應(yīng)力云圖如圖5所示，從圖中分析得到，最大應(yīng)力分布在懸臂梁的根部與邊框相連處，且對(duì)稱分布在懸臂梁的上表面和下表面處。

表1 不同倒角大小的仿真數(shù)值表Tab.1 The simulational rezults on different chamfer size

圖3 傳感器的結(jié)構(gòu)梁斷裂圖Fig.3 Fractured structure beam of the sensor

圖4 應(yīng)力分布云圖Fig.4 The distribution of stress

圖5 懸臂梁上局部應(yīng)力云圖Fig.5 The local stress distribution on the cantilever

經(jīng)分析，結(jié)構(gòu)梁的根部和端部最易損壞。為提高加速度傳感器的抗高過(guò)載能力，應(yīng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)受應(yīng)力最大的部位，以減小結(jié)構(gòu)受到的最大應(yīng)力。

圖6 添加倒角結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 The structure with a chamfer

針對(duì)以上問(wèn)題本文提出了一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，即在質(zhì)量塊、邊框和梁連接的直角處增加倒角，結(jié)構(gòu)如圖6所示，改進(jìn)結(jié)構(gòu)在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加倒角，以分散梁的根部和端部受到的最大應(yīng)力，避免了在梁的根部和端部處應(yīng)力的集中。

2.2 倒角設(shè)計(jì)

利用ANSYS軟件仿真在150 000 g作用下，添加不同大小的倒角時(shí)傳感器結(jié)構(gòu)的固有頻率和受到的最大應(yīng)力，最終確定出倒角的大小。根據(jù)所設(shè)計(jì)的高g加速度傳感器的結(jié)構(gòu)及性能要求，倒角結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮范圍為30μm～50μm，且其大小逐個(gè)增加1μm，該設(shè)計(jì)是結(jié)合了實(shí)際結(jié)構(gòu)加工工藝的最小分辨率為1μm。在不同大小的倒角下分別對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)仿真、模態(tài)仿真，得到結(jié)構(gòu)能承受的最大應(yīng)力及其固有頻率，如表1所示。

從表1分析可知，在150 000 g的作用下，添加不同大小的倒角對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)受到的最大應(yīng)力有較大的影響，當(dāng)?shù)菇谴笮?0μm時(shí)，結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力值最小。同時(shí)，傳感器結(jié)構(gòu)的固有頻率幾乎不受倒角大小的影響。

設(shè)計(jì)的高g加速度傳感器是硅材料的結(jié)構(gòu)，硅的斷裂強(qiáng)度參數(shù)決定了該高g加速度傳感器的最大量程。單晶硅的破壞強(qiáng)度大約為1 GPa，對(duì)于脆性材料，最大破壞強(qiáng)度采用的安全系數(shù)為30%，這樣硅實(shí)際可考慮的最大破壞強(qiáng)度為 330 MPa［5，6]。

因此，在滿量程150 000 g作用下，選取應(yīng)力值最小的倒角，根據(jù)仿真結(jié)果最終確定倒角為邊長(zhǎng)等于40 μm的等腰直角棱柱，此時(shí)，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為25 MPa，遠(yuǎn)小于硅的最大破壞強(qiáng)度330 MPa，因此結(jié)構(gòu)符合高g加速度傳感器的設(shè)計(jì)要求。

2.3 倒角特性分析

對(duì)優(yōu)化后的高g加速度傳感器結(jié)構(gòu)在工作方向加載150 000 g的慣性力，等效應(yīng)力分布如圖7所示，最大等效應(yīng)力由原結(jié)構(gòu)的44.47 MPa 降低到改進(jìn)結(jié)構(gòu)的 25 MPa，表明在相同的應(yīng)力作用下優(yōu)化后加速度傳感器的高過(guò)載能力更強(qiáng)。

圖7 150 000 g作用下傳感器改進(jìn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖Fig.7 The stress of improved structure under the action of 150 000 g

在上述仿真結(jié)果中沿梁和質(zhì)量塊交接的地方取路徑，兩種結(jié)構(gòu)沿路經(jīng)的應(yīng)力分布如圖8所示，圖中圓圈處為結(jié)構(gòu)倒角的位置，從圖8中可以清楚的看出添加倒角可以分散最大應(yīng)力，使得應(yīng)力沒(méi)有集中在梁的根部，而是緩慢的減小。

圖8 沿路徑方向的應(yīng)力分布Fig.8 Stress distribution along the direction of the path

圖9 加速度傳感器的整體結(jié)構(gòu)及倒角示意圖Fig.9 The overall structure of the accelerometer and the chamfer

改進(jìn)后高g加速度傳感器的整體結(jié)構(gòu)及倒角如圖9所示。

3 高過(guò)載能力測(cè)試

圖10 Hopkinson桿測(cè)試原理圖Fig.10 The schematic diagram of Hopkinson bar test

利用Hopkinson壓桿技術(shù)測(cè)試優(yōu)化前后高g加速度傳感器的抗高過(guò)載能力，測(cè)試原理圖如圖10所示，將被測(cè)微加速度計(jì)芯片安裝Hopkinson桿的尾部，壓縮空氣發(fā)射一子彈，同軸撞擊Hopkinson桿的起始端，將會(huì)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(guò)程中的激光多普勒干涉信號(hào)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［7，8]。

由于所設(shè)計(jì)的高g加速度傳感器量程為150 000 g，需 要 利 用Hopkinson桿對(duì)其進(jìn)行150 000g左右及以上的沖擊測(cè)試，從而得到其在高沖擊下的數(shù)據(jù)，多次測(cè)試進(jìn)行抗過(guò)載能力分析，如圖11所示為一次測(cè)試下的多普勒干涉信號(hào)及傳感器輸出信號(hào)。

圖10 傳感器輸出信號(hào)與多普勒干涉信號(hào)Fig.10 Sensor output signal and Doppler signal

原結(jié)構(gòu)與改進(jìn)結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果如表2、表3所示。

表2 原結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果Tab.2 The test results of original structure

表3 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果Tab.3 The test results of improved structure

對(duì)比分析表2、表3中測(cè)試結(jié)果，原結(jié)構(gòu)在200 000 g時(shí)已測(cè)試不到正常的輸出信號(hào)，經(jīng)檢測(cè)此時(shí)結(jié)構(gòu)的懸臂梁已斷裂;對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)測(cè)試，在250 000 g時(shí)加速度傳感器結(jié)構(gòu)才損壞，測(cè)試結(jié)果表明優(yōu)化后的高g加速度傳感器抗過(guò)載能力由180 000 g提高到240 000 g，說(shuō)明優(yōu)化效果明顯，在懸臂梁的根部和端部添加合適的倒角提高了高g加速度傳感器的抗過(guò)載能力。改進(jìn)的高g加速度傳感器能在更加惡劣的高沖擊、爆破等環(huán)境中應(yīng)用。

4 結(jié)論

本文通過(guò)在結(jié)構(gòu)梁的根部和端部添加倒角優(yōu)化高g加速度傳感器的抗過(guò)載能力，經(jīng)理論仿真及實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，優(yōu)化效果明顯、優(yōu)化后高g加速度傳感器結(jié)構(gòu)的抗過(guò)載能力更強(qiáng)，達(dá)到了240 000 g，表明優(yōu)化的高g加速度傳感器能夠勝任高沖擊、侵徹等惡劣環(huán)境下加速度的測(cè)試。

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