高g加速度傳感器固有頻率

MEMS高g加速度傳感器在爆炸、沖擊測試以及侵徹彈引信等特殊領域具有非常重要的應用［1］。壓阻式微加速度傳感器因其結構簡單、信號易于檢測、工藝成熟等優(yōu)點而備受關注。然而，目前所研制的壓阻式傳感器大多存在的缺點是：動態(tài)特性欠佳，更有甚者，在第一次之后的測試中根本得不到所需數(shù)據(jù)。經(jīng)分析，其原因在于：當外加動態(tài)載荷存在與系統(tǒng)的固有頻率相等或相近的頻率分量時，系統(tǒng)就會出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，使得質量塊-梁結構的運動幅值過大從而導致器件結構損壞。為了避免這種現(xiàn)象，保證傳感器結構的牢靠性和被測信號的不失真，有必要就提高傳感器結構固有頻率的方法進行研究［2］。本文針對設計的壓阻式高g加速度傳感器固有頻率低，輸出信號有諧振現(xiàn)象，進行了結構優(yōu)化設計，以提高固有頻率，減小傳感器結構的振幅、消除諧振現(xiàn)象，優(yōu)化動態(tài)特性使其能滿足沖擊、侵徹、撞擊等復雜環(huán)境下的要求。利用動態(tài)測試方法對優(yōu)化前后的高g加速度傳感器進行信號輸出對比測試，通過測試結果可知，優(yōu)化后加速度傳感器的固有頻率有了明顯的提高，動態(tài)特性更佳，可以在復雜環(huán)境下的應用。1.加速度傳感器的結構設計設計的壓阻式高g值加速度傳感器的整體結構如圖1所示，量程為150000g，采用四端固支的梁-島微結構，梁的寬度和質量塊的長寬均一致，壓敏電阻對稱的布置在四根梁的端部。(a)正面圖(b)背面圖圖1高g加速度傳感器的結構圖根據(jù)設計指標，性能要求有以下約束條件：結構大應力。V340MPa；固有頻率maxf>250kHz；阻尼比&趨近于0.707［3,4］?？紤]到MEMS加速度計加工工藝和技術指標的要求，在梁的寬度和質量塊寬度相等的前提下，為保證質量塊經(jīng)KOH腐蝕后形成的完整性，以及結構參數(shù)對應力等的影響，利用ANSYS優(yōu)化加速度傳感器的結構參數(shù)。采用標準加工工藝加工設計的加速度傳感器，通過動態(tài)測試標定高g加速度傳感器的性能指標。測試結果顯示，加速度傳感器有嚴重的諧振現(xiàn)象，如圖2所示，影響到加速度傳感器的有效信號提取，經(jīng)分析，該現(xiàn)象是所設計傳感器的固有頻率較低、結構振幅過大造成的。因此，為保證加速度傳感器的輸出信號不失真，需對其固有頻率進行優(yōu)化。魅電肓胃也導圖2傳感器輸出的諧振現(xiàn)象圖結構優(yōu)化理想的加速度傳感器應該是時不變線性系統(tǒng)，即傳感器的輸出能線性地反映輸入信號。這就要求傳感器具有較寬的帶寬。而帶寬在很大程度上取決于系統(tǒng)的固有頻率

和阻尼比。臨界阻尼可以大大提高器件的帶寬。然而，在實際的設計和制作時，得到臨界阻尼是很難的，尤其對于高g值加速度傳感器。因此，為了能真實反映沖擊過程，就要提高傳感器的固有頻率。器件的固有頻率越高，它對外界的輸入響應越快，器件的輸出就越真實[5,6.7]針對出現(xiàn)的問題，對加速度傳感器進行優(yōu)化，優(yōu)化的目標是，在適當降低靈敏度的情況下，提高加速度傳感器的固有頻率以降低在相同頻率響應下傳感器結構的振幅，消除諧振現(xiàn)象，提高對外界輸入的響應速度。高g加速度傳感器屬于彈簧-質量塊二階振動系統(tǒng)，彈簧-質量塊振動系統(tǒng)的固有頻率與固有角頻率成正比。由Rayleigh法則得：o=—

o=—

n，MO〃稱為結構在n階模態(tài)下的固有角

n為模態(tài)數(shù)，n=1，2,3；K為該結構頻率，的剛度系數(shù)；M為結構的質量。由式（1）分析可知提高固有頻率有以下的方法，1） 在K不變的情況下，減小該結構的質量M；2） 在M不變的情況下，增加該結構的剛度K；3） 減小該結構的質量M的同時增加該結構的剛度K。由彈性力學可知，梁的結構剛度系數(shù)為，K=3EIL3，且I=wt312。所以，(2)_Ewt3(2)^K=4L3其中，E為硅的彈性模量；I為加速度計結構中梁的轉動慣量；L，w，t分別為梁的長度、寬度、厚度。由式（2）可知提高梁結構剛度的方法有：1）增加梁的寬度；2)增加(〃L)3。綜上所述，對該結構固有頻率的優(yōu)化從以下方面著手：1）優(yōu)化梁厚度和長度的比。2）減小質量塊的質量M。質量塊和梁的參數(shù)對結構的性能起著決定性的作用。利用Matlab軟件分析梁的尺寸對固有頻率的影響。圖3為結構固有頻率與梁長度和厚度的關系曲面，從圖中可以看出隨著梁長度的增加，固有頻率降低；隨著梁厚度的增加，固有頻率增加。因此，在保持傳感器基本結構不變的情況下，梁的長度一定，通過梁的厚度優(yōu)化傳感器結構的固有頻率。圖3.固有頻率與梁長度、厚度的關系結合傳感器的結構尺寸，利用ANSYS軟件仿真在不同的梁厚下傳感器結構的前六階模態(tài)頻率，仿真結果如圖4所示，根據(jù)優(yōu)化目的，確定梁的厚度。圖4不同梁厚下傳感器的仿真固有頻率減小質量塊的質量主要從工藝方面考方法，如圖5方法，如圖5所示。圖5.加速度傳感器刻蝕凹坑結構圖在考慮質量塊背腔腐蝕槽的邊長和腐蝕深度時，根據(jù)工藝條件，腐蝕槽的邊長應小于質量塊背腔的長度，避免KOH腐蝕時造成質量塊的不完整性；同時，當質量塊背部腐蝕槽的邊長確定時，根據(jù)自停止刻蝕技術，確定腐蝕的深度［8］。綜合以上優(yōu)化方法，確定出優(yōu)化后的傳感器結構。優(yōu)化前后傳感器結構的剖面圖對比如圖6所示。?梁 ,j\\j勺貞量塊（a） 優(yōu)化前,嚴,Ii?~； ；/~P'C/jwT \凹槽（b） 優(yōu)化后圖6.優(yōu)化前后傳感器結構的剖面圖優(yōu)化效果驗證3.1仿真驗算利用ANSYS軟件對優(yōu)化前后的加速度計模型進行仿真，根據(jù)仿真得到的結果驗證上述優(yōu)化高g加速度計固有頻率的可行性。高g加速度計的固有頻率決定了它的工作頻率范圍，固有頻率越高，工作頻率的范圍也就越寬。通常情況下，高g加速度計的設計中要求固有頻率等于工作頻率的3到5倍［9］通過ANSYS仿真軟件建立優(yōu)化前后加速度傳感器的結構模型，通過模態(tài)分析提取加速度計結構的仿真固有頻率，對比仿真結果驗證優(yōu)化固有頻率的效果，如圖7所示是高g加速度計的前三階模態(tài)陣型。（a）一階陣型（b） 二階陣型（c） 三階陣型圖7前三階模態(tài)陣型圖優(yōu)化前后模態(tài)分析的結果如表1所示，表1優(yōu)化前后前三階模態(tài)頻率對比一階二階三階(kHz)(kHz)(kHz)優(yōu)化332.9616.67618.77刖優(yōu)化555.71967.37968.83后分析表1中的仿真結果，可以得出高g加速度計結構的一階模態(tài)頻率遠小于二階、三階模態(tài)頻率，且一階模態(tài)頻率為加速度計結構的固有頻率；優(yōu)化后的一階固有頻率555.71kHz大于優(yōu)化前的332.9kHz，通過對比分析，該優(yōu)化設計達到了提高高g加速度傳感器固有頻率的目的。3.2實驗驗證對優(yōu)化前后的高g加速度傳感器進行動態(tài)測試，根據(jù)測試結果分析優(yōu)化的實際效果。用到的測試方法是沖擊比較法和Hopkinson桿激光干涉沖擊法［10］。3.1沖擊比較法測試分析利用對比沖擊法測試優(yōu)化前后加速度傳感器的輸出信號波形，該測試方法是將被測加速度傳感器和標準傳感器剛性的安裝在沖擊激勵裝置落錘上，當落錘產(chǎn)生一個瞬時加速度脈沖時，兩個傳感器同時受到相同沖擊加速度脈沖激勵，分別輸出相應的響應，根據(jù)標準傳感器的輸出得到實測的沖擊加速度［11］。測試中用到的沖擊響應平臺是經(jīng)過校準的馬歇特落錘，如圖8所示，將優(yōu)化前后的高g加速度傳感器分別與標準加速度傳感器固定在馬歇特落錘的錘頭上，在相同的g值下測試優(yōu)化前后加速度傳感器的輸出。Hopkinson桿、多普勒激光干涉儀、動態(tài)信號分析儀組成。Hopkinson桿用于在校準端面獲得波形良好、橫向運動小的沖擊過程。多普勒激光干涉儀用于檢測由于光柵運動產(chǎn)生的多普勒頻移信號。動態(tài)信號分析儀用來采集多普勒信號和記錄被校加速度計輸出信號[12]圖8馬歇特落錘測試原理圖在20000g值下，分別測試優(yōu)化前后高g加速度傳感器的輸出，如圖9所示為傳感器輸出波形。cmSMrrf1.WMWCJWbldjnflsJftijacmSMrrf1.WMWCJWbldjnflsJftija□n?（a）優(yōu)化前待感X

齋出

~w~曲斜率un曲發(fā)方式cm加尚Otawm（b）優(yōu)化后圖9.20000g作用下加速度傳感器的輸出波形在測試系統(tǒng)一致、g值相同下，對比測試傳感器輸出可知，優(yōu)化前傳感器的輸出由于諧振現(xiàn)象的存在，不能有效反映整個沖擊過程的特性，并且對輸出信號造成了較嚴重的誤差影響；優(yōu)化后的傳感器已經(jīng)明顯降低了傳感器的振幅，在相同的頻率響應下消除了諧振現(xiàn)象，輸出有良好的動態(tài)響應特性，說明優(yōu)化后高g加速度傳感器的固有頻率有了顯著的提高。經(jīng)分析可知，該優(yōu)化設計達到了提高高g加速度傳感器固有頻率的優(yōu)化要求。3.2Hopkinson桿激光干涉沖擊測試由于馬歇特落錘能沖擊產(chǎn)生的加速度值一般小于40000g，所以，要測試更高g值下傳感器的輸出需要利用Hopkinson桿測試，其裝置組成如圖10所示，主要由圖10Hopkinson桿激光干涉測試原理圖由壓縮空氣發(fā)射彈體，同軸撞擊校準桿的起始端，產(chǎn)生沖擊加速度，同時作用于光柵和被校加速度傳感器，通過測量Hopkinson桿端部加速度傳感器安裝座上光柵的速度一時間關系曲線，微分得到加速度一時間關系曲線，以此作為加速度傳感器的激勵，與加速度傳感器的響應輸出聯(lián)合處理，可得到加速度傳感器的動態(tài)特性。在相同g值沖擊下，測試優(yōu)化前后加速度傳感器的輸出信號，如圖11所示是150000g下傳感器的輸出信號對比。MB批也nE偵B3QE（b）優(yōu)化后圖11.Hopkinson桿測試結果通過分析，在150000g作用下，優(yōu)化前加速度傳感器輸出有明顯的諧振現(xiàn)象，嚴重影響到有效信號的提取，對測試結果造成較大的誤差。經(jīng)過優(yōu)化后，傳感器結構輸出的振幅已經(jīng)明顯減小、消除了諧振，在信號輸出段可以有效的提取有用信號。通過對比說明，優(yōu)化后結構的固有頻率大于優(yōu)化前。通過分析優(yōu)化前后加速度傳感器在20000g值和150000g值下的輸出信號，說明該優(yōu)化設計達到了提高高g加速度傳感器固有頻率的要求，并且優(yōu)化效果明顯，同時高g加速度傳感器的靈敏度由優(yōu)化前的1.2uv/g降低到優(yōu)化后的0.7uv/g，結果符合高g加速度傳感器的性能和應用要求。結論高g加速度傳感器主要應用于高沖擊，侵徹等復雜環(huán)境下，具有高的固有頻率是其應用的前提之一，因此，研究提高高g加速度傳感器固有頻率的方法有很重要的意義。本文根據(jù)設計的高g加速度傳感器固有頻率低、測試輸出信號有諧振的現(xiàn)象，通過分析各種優(yōu)化方法，最后確定出通過減小質量塊質量和減小懸臂梁長度來以提高傳感器結構的固有頻率。利用理論、仿真及實驗驗證優(yōu)化前后加速度傳感器的輸出，通過分析得出，優(yōu)化效果明顯，已經(jīng)通過降低傳感器輸出的振幅明顯的消除了諧振現(xiàn)象，說明優(yōu)化后結構的固有頻率更高。因此，優(yōu)化的高g加速度傳感器可以在高沖擊，侵徹等復雜環(huán)境下使用。參考文獻黎淵，董培濤，吳學忠等.三軸高g加速度計的測試方法及實驗研究[J].傳感技術學報，2008，21(11)：1843-1847.鮑愛達，徐曉輝，張英祥等.微加速度計固有頻率的推導及驗證[J].傳感技術學報，2008,21(6)：197-201.石云波，祁曉謹，劉俊等.微型高過載加速度傳感器的加工與測試[J].機械工程學報，2008,9(44)：200-203.屈新芬，蘇偉.侵徹武器用MEMS大g值加速度計[J].傳感器研究與開發(fā)，2002,21(3)：7-10.朱正強.MEMS高g值加速度傳感器的測試及其優(yōu)化[D].中北大學，2009.systems，2001，10(3):425-433.王鉆開，陸德仁.傳感器固有頻率和阻尼對沖擊加速度檢測的影響[J].功能材料與器件學報，2003，9(2)：161-164.AndrewRAtwell1，RobertSOkojie，KevinTKornegay.Simulation，fabricationandtestingofBulkMicro-machined6H-SiCHigh-gresistiveAccelero-meter[J].SensorsandActuatorsA，2003，104(1)：11-18.張菁華，石庚辰，隋麗.引信用微壓阻式加速度傳感器系統(tǒng)設計[J].裝備指揮技術學院學報，2005，16(3)：82-86.郇勇，張?zhí)┤A，楊業(yè)敏.用Hopkinson桿沖擊加載研