張 賀，石云波，2* ，唐 軍，趙 銳，2，劉 俊，2

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guò)程的動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試，也可用于大當(dāng)量沖擊波場(chǎng)爆炸威力的評(píng)估測(cè)試，為該系列武器的攻擊性能研究提供有效的測(cè)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(duì)加強(qiáng)我國(guó)的國(guó)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(cè)試傳感器在高沖擊載荷下的性能及分析失效機(jī)理已經(jīng)成為高g值加速度傳感器研究中重要一個(gè)方面。

1 高量程加速度傳感器

本文用于測(cè)試的高量程加速度傳感器的量程為150 000gn，抗過(guò)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(jìn)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(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)傳感器失效分析

利用Hopkinson桿測(cè)試裝置對(duì)高g加速度傳感器進(jìn)行沖擊測(cè)試，測(cè)試裝置如圖2所示，主要由Hopkinson桿、多普勒激光干涉儀、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀組成。Hopkinson桿測(cè)試傳感器的方法是，將被測(cè)微加速度計(jì)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(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，在此加速度傳感器的激勵(lì)下，加速度傳感器輸出電壓信號(hào)［2－4］。

本次測(cè)試共有傳感器5支，測(cè)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(cè)試結(jié)果如表1、2所示。

表1 1#傳感器測(cè)試結(jié)果

表2 3#傳感器測(cè)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(zhǎng)，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(jì)算當(dāng)沖擊的峰值加速度為243 658.2g時(shí)梁的根部受到的應(yīng)力值。發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有超過(guò)硅材料的斷裂強(qiáng)度7 GPa。由此可以說(shuō)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(qiáng)度。

傳感器上的微電路是通過(guò)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(qiáng)度不是很強(qiáng)，造成傳感器在受到?jīng)_擊時(shí)發(fā)生引線脫落。

3 實(shí)彈侵徹中傳感器失效分析

在雙層鋼靶侵徹測(cè)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(cè)試現(xiàn)場(chǎng)效果圖如圖5所示。

圖5 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)效果圖

測(cè)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(shí)際安裝如圖7所示。在侵徹中測(cè)試到了炮彈在膛內(nèi)的加速信息，彈體侵徹兩層鋼靶板時(shí)的過(guò)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(chǔ)器中讀出的侵徹測(cè)試數(shù)據(jù)［10－11］經(jīng)過(guò)處理后得到測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 侵徹測(cè)試結(jié)果

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

其中l(wèi)炮彈的等效長(zhǎng)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(gè)響應(yīng)分兩個(gè)階段，在沖擊力作用時(shí)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(hào)的脈寬。

在上述分析中忽略了阻尼，由于實(shí)際試驗(yàn)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(jì)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(guò)式(2)、式(3)計(jì)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(jì)的傳感器抗過(guò)載能力為200 000gn，傳感器在侵徹第一層鋼靶板時(shí)不會(huì)失效。

由此可以看出一個(gè)剛度較大的結(jié)構(gòu)對(duì)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(shí)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?cái)?shù)據(jù)中可以看到，炮彈在侵徹第二層鋼靶板的同時(shí)，傳感器已經(jīng)失效，這說(shuō)明在侵徹第一層鋼靶板時(shí)由于高頻信號(hào)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(dá)到承受的最大過(guò)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(shí)傳感器無(wú)法再承受高過(guò)載而發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂。

4 結(jié)論

本文通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、實(shí)彈測(cè)試環(huán)境下測(cè)試傳感器，并對(duì)其失效進(jìn)行分析得到以下結(jié)論:

(1)在實(shí)驗(yàn)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(guò)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(qiáng)度不是很強(qiáng)，若采用鋁引線將明顯提高鍵合強(qiáng)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(méi)有超過(guò)其斷裂強(qiáng)度，加速度傳感器的梁就發(fā)生了斷裂。

(2)在實(shí)彈測(cè)試環(huán)境下傳感器在侵徹測(cè)試中失效的主要原因是與侵徹信號(hào)中高頻分量發(fā)生共振導(dǎo)致過(guò)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(guò)對(duì)不同測(cè)試環(huán)境下傳感器失效機(jī)理進(jìn)行分析，對(duì)提高高量程加速度傳感器在測(cè)試中的可靠性有實(shí)際的參考價(jià)值，為傳感器的進(jìn)一步研究打下了基礎(chǔ)。

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