第２３卷第３期 传感技术学报 Ｖｏ１．２３ Ｎｏ．３ ２０１０年３月 ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＮＳＯＲＳ ＡＮＤ ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ Ｍａｒ．２０ｌ０ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ａｎｔｉ・－Ｔｏｐ Ｏｖｅｒ－－Ｌｏａｄｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｒａｎｇｅ Ｍｉｃｒｏ．Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ＸＩＡ Ｌｉｅｆａｎｇ，ＧＵＯ Ｔａｏ，ＸＩＡＮＧ死 ，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｅｙ Ｌａｂ ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ 、 ＼＆Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ（Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ），Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５ １，Ｃｈｉｎａ， Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｍｕｈｉｒａｎｇｅ ｍｉｃｒｏ—ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ａｎｄ ｅｘ－ ｐｅｒｉｍｅｎｔ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｎｔｉ－ｔｏｐ ｏｖｅｒ—ｌｏａｄｅｄ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅ ａｎｔｉ—ｔｏｐ ｏｖｅｒ－ｌｏａｄｅｄ ｐｏｗｅｒ ｗａｓ ｉｍ・ ｐｒｏｖｅｄ，ｂｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｐａｃｋａｇｅ ｄｅｓｉｇｎ．Ｉｔ ｍａｄｅ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｍｏｒｅ ｓａｆｅｔｙ ｂｙ ＡＮＳＹＳ ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｔｈｅ ａｎｔｉ—ｔｏｐ ｏｖｅｒ—ｌｏａｄｅｄ ｐｏｗｅｒ，ａｎｄ ａｐｐｌｙ ＡＮＳＹＳ ｔｏ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｌｏａｄ ｔｅｓｔ．Ｉｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｍｕｈｉｒａｎｇｅ ｍｉｃｒｏ—ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ｃｏｕｌｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｌｏａｄ ｉｎ ｓｈｅｌｌｓ ｂｏｒｅ ａｎｄ ａｘｉａｌ ｌｏａｄ ｉｎ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｂａｌｌｉｓｔｉｃｓ ａｆｔｅｒ ａ ｈｉｇｈ ｏｖｅｒｌｏａｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ｈａｓ ｎｏｔ ｂｅｅｎ ｄａｍａｇｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｎｔｉ－ｏｖｅｒｌｏａｄ ｄｅｓｉｇｎ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｕｈｉｒａｎｇｅ ｍｉｃｒｏ—ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ；ａｎｔｉ—ｔｏｐ ｏｖｅｒ—ｌｏａｄｅｄ；ＡＮＳＹＳ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｔｏｒａｇｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ＥＥＡＣＣ：７２３０；７３２０Ｅ 复合量程加速度计抗过载技术的研究术 夏烈芳，郭 涛 ，向 婷 （中北大学电子测试技术国家重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原０３００５１） 摘 要：介绍了复合量程加速度计的设计原理，对加速度计的抗高过载能力进行理论分析和实践证明。从复合量程加速度 计的内部结构设计到外部封装设计两个方面考虑提高抗高过载能力。应用ＡＮＳＹＳ软件对结构进行仿真，并应用到实际的过 载试验。试验中，复合量程加速度计在经过高过载之后，能有效的测得炮弹膛内初始过载和外弹道轴向过载，而且加速度计 没有被损坏。结果证明，这种抗过载设计方案具有很高的可靠性。 关键词：复合量程加速度计；抗高过载；ＡＮＳＹＳ仿真；存储测试 中图分类号：ＴＮ３０２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—１６９９（２０１０）０３—０３５９—０４ 在航空航天领域的应用中，ＭＥＭＳ加速度传感 结构不发生破坏，其性能保持不变；另外考虑到生产 器重量轻，体积小，可靠性高，非常适合在各种型号 过程和装配过程中，由于偶然跌落所产生的冲击加 导弹测试领域中使用。但在一些特殊的测试场合， 速度作用，传感器的性能应保持不变¨ Ｊ。中北大 如测试环境恶劣、覆盖高低量程，体积小的场合，原 学微纳中心相关研究人员曾经对复合量程加速度计 有的传感器测试技术就难以胜任。故发展一种体积 进行研究设计，并对抗过载进行了初步的仿真研究。 小、测试范围广、抗高过载的复合量程加速度传感器 本文是在此基础上对复合量程加速度计的抗高过载 测试系统势在必行。 能力进行深入的理论分析和实践验证，从内部和外 抗高过载技术是在恶劣环境下，提高传感器测 部两个方面考虑如何提高抗高过载能力，为武器的 试系统生存能力有效方法之一。常规弹药的发射过 攻击性能研究提供有效的测试数据和技术支持。 载一般来讲非常大，而在飞行过程中所承受的过载 要小的多。在子母弹的发射、飞行和开舱抛撒过程 １ 复合量程加速度计的设计原理 中，弹丸所承受的过载值从几个ｇ 到上万ｇ ，在实 该复合量程加速度计采用的是压阻原理，其压 现高ｇ值精确测量的同时，应保证低ｇ值测量单元 阻式微加速度计阵列中各传感器均采用双端四梁结 项目来源：国家自然科学基金资助（６０８０６０３９） 收稿日期：２００９—１０—０９ 修改日期：２００９—１１—２０ ３６０ 传感技术学报 第２３卷 构。即在四根梁上沿着梁长度方向分布八个压敏电 阻构成惠斯通电桥。当结构受到敏感方向加速度作 用时，质量块上下振动，在四根梁上产生应变，导致 梁根部和端部有最大应力分布，且根部和端部的应 力值关于梁的中心位置近似对称相等 ｊ。在应力 析 Ｊ。本文所设计的传感器中质量块与玻璃之间 的距离为３ ｍ，当质量块沿敏感方向运动的距离超 过３／．ｚｍ后，就与玻璃接触，起到限位作用。 （１）０～１０ ｇ 单元抗过载分析 质量块的位置变化随加速度呈线形变化，加载 １０ ｇ 的满量程时，质量块的挠度为２．２３ Ｉｘｍ。通过 作用下八个压敏电阻阻值发生变化，近似有： ：÷７— ７ｒ ｔ４４ 一，Ｏ＂ｔ ｆ ）ｔ １ｌ ） 静态仿真可以计算出使质量块的挠度为３ ｍ时对 其中，７ｒ 为剪切压阻系数分量，其值为１３８．Ｉ× ｌ０ ｍ ／Ｎ；ｏ－，为纵向应力， 为横向应力，单位为 ＭＰａ。电阻的变化使原本平衡的电桥有输出电压： ＝ （２） 其中， 。为电桥输出电压，Ｕ 为传感器的输入电压。 复合量程微加速度计总体结构如图１所示，结 构中传感器包含了四个量程，分别为０～１０ ｇ 、０～ １００ ｇ 、０～５００ ｇ 和０～１０ ０００ ｇ， 。 图１ 复合量程微加速度计结构示意图 ２抗高过载设计 弹上加速度计测试系统在导弹发射过程中，抛 ’撒和落地通常承受着很高的冲击过载。为了记录导 弹从抛撒到落地整个飞行过程的实时飞行数据，必 须对加速度计及调理电路模块进行缓冲保护，以降 低其承受的冲击幅值，使该值小于弹上测试系统所 能承受的冲击加速度极限值，从而增强微加速度计 在恶劣环境下的存活性，提高试验中高冲击弹上ｉｊｒ，！０ 试的重复使用率和数据的捕获率，尽可能提高整个 测试系统的抗高过载性 ５ Ｊ。本文主要从复合量程 加速度计的内部和外部两个方面对抗高过载进行设 计，且验证该系统承受的最大过载为２０ ０００ ｇ 。 ２．１内部抗过载设计 由于复合量程微加速计中四个传感器具有相似 的结构和尺寸，下面仅以量程为０—１０ ｇ 和０— １０ ０００ ｇ 的结构为例进行抗过载性能的仿真与分 应的加速度为 ｉ×１０ ｇ ＝１３．４５ ｇ 。说明敏感部 二．二Ｊ 分在ｌ３．４５ ｇ 的加速度作用下，质量块与玻璃接 触，质量块被限位。所以在分析抗过载能力时，不能 直接给结构加载２０ ０００ ｇ 的加速度值来判断，分两 部分来分析：①质量块和梁整体在加速度ｌ３．４５ ｇ 左右下，梁上最大的应力值Ｍ，；②当质量块被限位 以后，加载２０ ０００ ｇ 加速度时梁上的最大应力Ｍ２。 由于梁的质量相对质量块很小，可以认为梁根 部和端部的最大应力为 ＋ 。 加载ｌ３．４５ ｇ 加速度，进行求解后得到结构的 等效应力如图２所示。当质量块下底面也同时加上 位移约束ＵＺ，加载加速度２０ ０００ ｇ 时，求解后得到 结构的等效应力分布如图３所示。 图２ １３．４５ ｇ 加栽时的等效应力图 图３ ２０ ０００ ｇ 加载时的等效应力图 从图２、图３我们知道Ｍ ＝１４９．５０６ ＭＰａ，Ｍ２＝ ３．９９１ ＭＰａ，那么梁上最大应力Ｍ＝Ｍｌ＋Ｍ２＝ １５３．４９７ ＭＰａ，远小于硅的许用应力１ ４００ ＭＰａ所以 第３期 夏烈芳，郭涛等：复合量程加速度计抗过载技术的研究 ３６１ 说，该结构能承受２０ ０００ ｇ 的加速度。同时可以说 明，整个结构单元在高量程单元工作范围内时，低量 程单元得到过载保护。 （２）０—１０ ０００ ｇ 单元抗过载分析 加载１０ ０００ ｇ 的满量程时，质量块的挠度为 ２．９８ Ｉｘｍ。同理可以计算出，质量块的挠度为３ ｍ 时对应的加载加速度值为： ｘ １０ ０００ ｇ ＝１０ ０６７ ｇ 加载１０ ０６７ ｇ 加速度，进行求解后得到结构的 等效应力如图４所示。当质量块被限位以后，加载 加速度２０ ０００ ｇ 时，求解后得到结构的等效应力 分布如图５所示。 图４ １０ ０６７ ｇ 加栽时的等效应力图 图５ ２０ ０００ ｇ 加载时的等效应力图 从图４、图５上我们知道Ｍ ＝３４２．６６１ ＭＰａ，Ｍ ＝２．２０６ ＭＰａ，那么梁上最大应力Ｍ：Ｍ ＋Ｍ ＝ ３４４．８６７ ＭＰａ，远小于硅的许用应力１ ４００ ＭＰａ所以 说，该结构能承受２０ ０００ ｇ 的加速度 。 ２．２外部抗过载设计 复合量程加速度计外部抗过载设计主要为封装 设计和外钢壳结构设计两个方面。对于封装结构设 计，在传感器敏感头的外部封装结构保护体中，该复 合量程微加速度计采用了静电键合双层结构，上面一 层为硅结构层，包括框架、质量块和四根梁，下面一层 为玻璃盖板，起过载保护作用。传感器敏感头的腐蚀 层安装在硅材料基座及盖板之间，其上下两端提供过 载制动，使其对强振动具有非常强的抵抗力，且寿命 很长。该感应头封装在一个陶瓷基座内并具有金属 安装平面支架，以利于安装。芯片下面有底座，以便 于贴片和过载保护 。由于采用了这种独特的三 层硅结构的ＭＥＭＳ加速度感应头，使过载传感器具有 抗冲击振动能力强，灵敏度高，且横向感应小。 复合量程加速度计基座的选取很重要，芯片与 基座的粘接强度是否能抗强冲击和振动也很重要。 为此选用抗高冲击的ＬＣＣ４８陶瓷无引线片式载体， Ｌｏｅｔｉｔｅ（乐泰）红胶和０３８ ｍ金线封装。该方式具 有很高的可靠性，封装后照片如图６所示。 图６封装后的复合量程加速度计 对于外钢壳结构设计，根据结构设计的兼容性 原则和技术要求，将复合量程加速度计的外壳设计 为一圆柱体形状。采用高强度的灌封材料环氧树脂 和聚氨酯来灌封结构体 】 。复合量程加速度计和 电路体封装后，其抗冲击性能得到很大提高，避免了 敏感头、电路元件、连接线等在大冲击作用下产生相 对错动，提高了测试电路的可靠性。在这种情况下， 灌封好的复合量程加速度计可以看成是轴对称体， 只需对１／２结构体进行仿真分析。 如图７可以看出加载２０ ０００ ｇ 时，壳体受到的 最大应力３５４ ＭＰａ，对顶部的加速度结构体没有 影响。 图７加载２０ ０００ ｇ 的等效应力云图 ３试验数据与分析 试验利用存储测试系统对复合量程加速度计的