(中国电子科技集团公司第四十九研究所 黑龙江哈尔滨 150001)
摘要：随着加速度计全自动振动、冲击校准系统和信号适调仪和数据采集、分析、处理系统开发成功，这就为振动、冲击测量和试验全面地奠定了基础，本文设计，制造并测试了一种单片集成微硅压阻式高性能高g值加速度计，量程可达106g，封装以后的加速度计采用冲击装置2925型冲击校准装置及CS18 LMS-VHS冲击校准系统的Hopkinson杆法进行高g值加速度计校准，灵敏度为1 µV/g,固有频率1MHz量级。
关键词：压阻效应；共振频率；比较法校准
引言:
压阻式加速度计广泛的应用于运输过程的冲击测试，冲击研究和汽车碰撞试验，爆炸等一些特殊的应用中，由于这样传感器的质量轻，频率响应宽，所以它被广泛应用于模态分析、颤振试验、武器效力试验和生物力学研究中，国外开展对高冲击加速度传感器的技术相对成熟，单轴加速度传感器量程高达20万g。国内此项研究工作研究较晚，随着微机械加工技术及封装技术的不断先进，有微型设计的，内装集成电路式的和三轴向的加速度传感器发展迅速。
1 工作原理
半导体材料的压阻效应是指半导体材料受应力作用时，其电阻率发生变化的物理现象。随MEMS技术发展，如图1本文设计，制造并测试了一种新结构的单片集成压阻式高性能高g加速度计，量程可达106g，采用硅-硅-玻璃键合的三层结构加速度计，主要制作工艺包括半导体表面工艺，MEMS体硅工艺，压阻集成工艺，双面光刻并与玻璃衬垫阳极键合，和上层盖板BCB键合形成的三层结构，底层玻璃和上层硅盖板一起保护中间结构层，检测部分制作在中间硅层上，这种传感器的量程可达105～106g ，与传统单悬臂梁结构质量块结构相比，这种结构同时具有高灵敏度和高谐振频率的优点，从而提高加速度计的可靠性。
3加速度计芯片的模态分析
所封装的加速度计是一种梁膜结构的高量程MEMS加速度传感器，通过背面KOH腐蚀和正面刻蚀形成加速度结构，如图3所示，设计量程为10万g，加速度传感器的敏感方向垂直硅平面。当加速度传感器感受到加速度时，敏感梁弯曲，梁根部的压敏电阻条阻值发生变化，通过压阻效应和惠斯通全桥便有相应的电压输出。当一个结构系统设计用于动态载荷条件之下时，系统的固有频率和相应的振型是很重要的参数，它们代表了系统的振动特性。这些参数需要通过对该系统进行模态分析而获得。通过约束芯片支撑梁不动，使用Ansys软件对裸芯片进行模态分析，第1阶模态质量块沿敏感方向振动，模态频率均为1MHz.
图3
4冲击校准原理及结果
高g值冲击试验时，结构往往是非线性的，难以表征其性能，正确选用传感器完成测量极为重要的。常用的测试装置有冲击摆、跌落台、落球冲击装置，空气枪、上抛弹射冲击装置、空气炮、霍普金斯棒装置。恩德福克开发的2270系列标准加速度计，上抛弹射冲击装置2925型POP冲击校准装置能产生加速度值范围为20g～10000g，冲击脉冲持续时间为3ms～100ｕs的半正弦冲击持续时间，这种用气压激发的办法比原来用落球式可获得更高的加速度值，配合使用加速度量程达15000g的标准冲击加速度计及与之配套的标准电荷放大器，可获得3%校准精确度，与绝对法的精度不相上下，用它可对加速度计的灵敏度进行精确的可控校准。
Hopkinson方法是目前使用较为广泛的高加速度的动态测试方法。霍普金斯装置是使具有抛物面的尖头弹体与装在细长棒末端的铝垫同轴地相撞，从而可产生纵向压缩波，并一直传递到棒的另一端面，被校加速度计就安装在棒的另一端，压缩波由贴在棒中部的两个应变片进行测量，在碰撞300µs，压缩波到达棒的末端，被校加速度计以与应变成正比的速度运动，被校加速度计的安装块用耦合器和真空夹具与棒的末端保持接触，在接口处产生拉伸，加速度计与安装块与棒脱开，记录被校加速度计的输出脉冲之后空气阻尼缓冲器中的泡沫橡胶的活塞将运动的加速度计与安装块停住，该装置可产生半正弦加速度脉冲，加速度值高达105～106g，脉冲宽度达100µs。CS18 LMS-VHS冲击校准系统冲击范围；5g～200,000g,脉冲20ｕs～5ms,不确定度为8%。使用这种装置可产生光滑的波形，不会激发传感器共振，分辨率高，能进行高速数据处理，最大加速度可达200，000g，可确定大量程冲击加速度计的灵敏度，幅值线性度。
在满足弹性理论所要求的条件下，安装在棒末端的加速度计的速度ｖ与棒中点所测得的应变𝜀 的关系为：ｖ=2C𝜀
式中C为压缩波在棒中的传递速度。可得到加速度 ɑ=2c
将加速度计的输出与应变片的输出进行比较，就可求得被校加速度计的灵敏度。这样就把对高g值冲击脉冲的测量变成为在可检定的应变片线性工作区内直接对应变的测量。
5 测试中各方面对测试结果的影响
充分考虑信号传输，基座应变，过载及安装方式影响，对于信号适调仪特性选择，测量范围内，频率响应应当是平直的或已知的，增益的范围满足信号大小要求，噪声要低，足够的信号输入能力，能够处理最大的加速度计信号而不会过载，接地或绝缘条件应与加速度计输入兼容。传感器的安装技巧和接触表面处理会影响测量的幅频响应，特别是在高频条件下，一定要小心处理保证接触表面干净、平滑及平整。安装表面和传感器的裂纹划伤或者其它变形同样会影响频率响应，如果在接触表面涂上一层润滑油，就可以提高运动的传递，测试加速度计的共振频率时，通常使用坚固的钢制螺钉，使加速度计的基座和测试结构的安装表面直接连接。如果实际测量的安装方式和校准安装方式不一样，一定要考虑这种安装方式所能承受的频率和幅度。克服电缆接头受冲击作用时易断的问题，可采用了焊针式结构，使其在承受高g值冲击作用时仍能正常工作。
加速度计从10000g～100000g的冲击测试应用中的加速度计对设计要求非常苛刻，这些高加速度值冲击的脉宽是相当短的，脉冲的上升时间经常小于5ｕs，这个冲击运动可以激发测试结构的共振频率，从而产生高加速度值振动运动，这个振动运动可能发生在接近加速度计共振频率的频率点，由于加速度计几乎是无阻尼的，因此这个振动运动使加速度计产生的输出可能大于冲击运动的输出。
6结论
压阻式高g值加速度传感器的冲击测试对仪表和加速度计要求非常苛刻，有必要考虑环境带来的影响，安装条件带来的测试误差，可以通过选择合适的加速度计和配套的电子设备来避免不必要的测试误差。
参考文献
[1]郇勇，张太华，杨业敏 压阻式高量程微加速度计的冲击校准[J] 传感器技术2003
[2]蒋玉齐，程迎军，许薇 高量程MEMS加速度计封装工艺研究[J] 传感器技术2005
[3]董培涛，李昕欣，张鲲 单片集成的高性能压阻式三轴高g值加速度计的设计[J] 制造和测量 半导体学报2007
[4]鲍海飞，李昕欣 高量程压阻加速度传感器横向响应的测试及分析[J] 仪表技术与传感器2009
[5]魏长征，周伟，李昕欣 基于表面微机械技术的压阻式加速度传感器[J] 仪表技术与传感器2011
[6]李科杰，何咰，张振海 高冲击加速度传感器发展现状及趋势 探测与控制学报2013.8
论文作者:谌福华
论文发表刊物:《电力设备》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/18
标签：加速度计论文; 加速度论文; 传感器论文; 量程论文; 频率论文; 测试论文; 结构论文; 《电力设备》2017年第8期论文;