高過(guò)載低量程測(cè)試傳感器的選擇比較

一、前言

    動(dòng)態(tài)測(cè)試領(lǐng)域中傳感器的高過(guò)載低量程一直是未能徹底解決的問(wèn)題，這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)工藝傳感器固有的特性或工藝不能滿(mǎn)足這一特定環(huán)境的要求。傳統(tǒng)的壓電傳感器由于輸出阻抗高，低頻特性較差，在高過(guò)載后常發(fā)生零漂現(xiàn)象，使得測(cè)量數(shù)據(jù)不能真實(shí)再現(xiàn)被測(cè)量的動(dòng)態(tài)過(guò)程，而傳統(tǒng)工藝的壓阻和電容傳感器雖然在頻響方面能滿(mǎn)足測(cè)試要求，低頻漂移較小，但由于制造工藝的原因，也不能較好解決這一測(cè)試問(wèn)題。

    現(xiàn)在，MEMS技術(shù)的發(fā)展為傳感器技術(shù)的發(fā)展提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，MEMS加速度傳感器尺寸小、質(zhì)量輕，抗過(guò)載能力高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，因此，在動(dòng)態(tài)測(cè)試領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊前景。

二、MEMS傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、工藝及特點(diǎn)

    MEMS加速度計(jì)主要由一個(gè)懸臂梁構(gòu)成，梁的一端固定，另一端懸掛一個(gè)能感應(yīng)由加速度產(chǎn)生的作用力的質(zhì)量塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前，已有壓阻式、電容式、隧道式、共振式、熱形式等幾種類(lèi)型

   [1]本文將主要介紹壓阻式加速度傳感器。

    壓阻式加速度傳感器一般為三層結(jié)構(gòu)：頂層和底座通常為玻璃或硅片，起密封和過(guò)載保護(hù)作用，底座上還有前置放大和各種補(bǔ)償電路

   [2]中間層是用體硅加工工藝加工出的懸臂和質(zhì)量塊，并且，在懸臂上用離子注入工藝制作出應(yīng)變電阻器，當(dāng)質(zhì)量塊受到力運(yùn)動(dòng)時(shí)，電阻器的阻值變化，通過(guò)惠斯通電橋檢出電阻變化量，以此求得加速度值。

    制作傳感器的微機(jī)械加工技術(shù)可分為體微機(jī)械加工和表面微機(jī)械加工兩種。體微機(jī)械加工技術(shù)是對(duì)單晶硅或有表膜的體硅進(jìn)行腐蝕，從而得到預(yù)期微結(jié)構(gòu)的一種加工技術(shù)；而表面微機(jī)械加工技術(shù)則是對(duì)沉積或生長(zhǎng)在基片上的多層膜進(jìn)行加工，得到各種微機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)。體微機(jī)械加工技術(shù)中關(guān)鍵的步驟是腐蝕工藝，分為濕法腐蝕和干法腐蝕兩種，目前被廣泛使用的是濕法腐蝕工藝，其包括各向同性與各向異性腐蝕。各向同性腐蝕是指在晶片各個(gè)方向上腐蝕速度相等，可以制作出任意橫向幾何形狀微細(xì)圖形結(jié)構(gòu)的方法，而各向異性腐蝕則是與被腐蝕晶片的結(jié)構(gòu)方向有關(guān)的腐蝕方法，利用掩蔽圖形與不同晶面的對(duì)準(zhǔn)角關(guān)系，可以制作出深度達(dá)幾十微米的不同種三維空間結(jié)構(gòu)，如V型槽、懸臂梁、懸臺(tái)結(jié)構(gòu)等。

    MEMS傳感器的特點(diǎn)是有質(zhì)量塊位移限位結(jié)構(gòu)，使質(zhì)量塊在高過(guò)載激勵(lì)下的位移被限制在安全的形變范圍內(nèi)。此外，傳感器和信號(hào)處理電路系統(tǒng)還都采用抗高過(guò)載封裝技術(shù)封裝在同一個(gè)硅片上。

三、典型應(yīng)用比較

  　1、壓電傳感器在高過(guò)載環(huán)境下的測(cè)量

    由于固有缺陷，壓電傳感器在受到高過(guò)載激勵(lì)后經(jīng)常出現(xiàn)零位偏移的現(xiàn)象，不能真實(shí)再現(xiàn)被測(cè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。圖2為采用壓電傳感器測(cè)試的某型號(hào)彈丸侵徹40mm鋼板的過(guò)載曲線，圖中曲線在高過(guò)載后沒(méi)有回零，這時(shí)，測(cè)試所得的低過(guò)載數(shù)據(jù)已經(jīng)沒(méi)有意義了。

    2、MEMS傳感器在高過(guò)載環(huán)境下的測(cè)量

    3255是EG&G公司的壓阻式硅加速度計(jì)，為兩片結(jié)構(gòu)，一片為用MEMS制造技術(shù)加工的懸臂式加速度傳感器，另一片為專(zhuān)用集成電路(ASIC)，其包括前置放大、自檢與各種補(bǔ)償電路，兩片封裝在同一基片上，有 ±50g、±250g、±500g三種量程和20～30倍量程的抗過(guò)載能力。

   （1）馬歇特落錘試驗(yàn)

    馬歇特錘的原理是用重力對(duì)沖擊錘加速，使其擊打鐵質(zhì)目標(biāo)，從而產(chǎn)生較大的加速度過(guò)載。這個(gè)裝置可產(chǎn)生200～50000gn、持續(xù)時(shí)間100～120ms的沖擊加速度?，F(xiàn)將量程為50gn的MEMS傳感器固定在馬歇特錘頭上，調(diào)整使其產(chǎn)生峰值約為30000gn以上的過(guò)載值，測(cè)試結(jié)果如下圖所示。圖3為第一次沖擊后錘頭反彈加速度從正到負(fù)的過(guò)渡過(guò)程。圖4是反彈后第二次沖擊后錘頭逐漸穩(wěn)定的過(guò)程，從曲線上可以看到MEMS傳感器有很好的歸零效果。

    （2）引信上膛過(guò)載測(cè)試

    火炮炮彈上膛過(guò)載是影響引信可靠性和安全性的關(guān)鍵因素之一。上膛過(guò)載的測(cè)量對(duì)引信的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義，選用量程50gn的3255傳感器對(duì)某火炮炮彈上膛過(guò)載進(jìn)行測(cè)試，火炮的膛內(nèi)發(fā)射過(guò)載達(dá)到23000gn，重復(fù)進(jìn)行了三次發(fā)射試驗(yàn)，傳感器工作性能正常，在進(jìn)行第四次試驗(yàn)后失效。圖5是用3255傳感器測(cè)試的某火炮引信上膛的過(guò)載曲線。

四、結(jié)論

    試驗(yàn)表明，傳統(tǒng)的壓電傳感器經(jīng)常發(fā)生高過(guò)載后的零位漂移，導(dǎo)致測(cè)試的高過(guò)載后的數(shù)據(jù)無(wú)效，而MEMS傳感器在測(cè)試量程和抗過(guò)載能力方面性能比較優(yōu)越，抗過(guò)載能力可以達(dá)到測(cè)量量程的400倍以上，但這是以可靠性為代價(jià)的，比較安全的做法是將過(guò)載值控制在量程的100倍以?xún)?nèi)。