复合量程MEMS加速度计抗高过载的优化设计

复合量程MEMS加速度计抗高过载的优化设计
徐香菊;朱杰;郭涛;李文燕
【摘要】在航空航天及武器系统中,传感器承受很大的冲击,这就要求传感器具有很高的抗高过载能力.文中在原有基础上对复合量程微加速度计中的高低量程模块进行抗高过载设计的优化.试验测得优化后的结构能够抗20000g,能够有效地满足高过载高冲击环境的要求.
【期刊名称】《弹箭与制导学报》
【年(卷),期】2012(032)005
【总页数】3页(P149-151)
【关键词】抗高过载;复合量程加速度计;ANSYS
【作者】徐香菊;朱杰;郭涛;李文燕
【作者单位】中北大学电子测试国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.6
0 引言
随着社会的发展，传感器阵列的需求越来越高。

在航空航天及武器系统中，加速度范围广，且要求传感器向着多功能、小型轻量方向发展[1]。

传感器阵列不仅要满
足灵敏度、线性度等要求，还要求能抗高过载。

复合量程加速度计利用MEMS工艺制造，覆盖高低量程、低功耗、模块化、通用化、体积小和结构强度高等特点。

而低量程传感器模块能否抗高过载环境，对复合量程微加速度计性能十分重要[2]。

在抗冲击试验中，低量程模块比高量程更容易损坏。

这说明加速度计的抗高过载能力还需进一步优化。

1 理论
文中低量程加速度计的量程为10g，高量程为10000g。

因结构类似，下面以低量程结构为例进行介绍。

低量程结构经过分析选用双端四梁结构。

在4根梁上分布8个电阻组成惠斯通电桥。

当加速度计受到Z方向的加速度时质量块上下震动，分
布在梁上的电阻由于压阻效用会发生变化，电桥有电压输出。

结构图如图1所示。

根据材料力学的理论推导相关公式如下:
结构的刚度
图1 低量程MEMS加速度计
结构的第一阶固有频率:
梁端部的挠度:
结构灵敏度
梁根部或端部所受到的最大应力为:
最大应变量
理论设计抗高过载能力为20000g。

实际马歇特锤冲击试验中，由于是钢对钢的碰撞会产生高频信号，严重时会损坏加速度计(见图2)。

加速度计样片在不到
10000g的加速度冲击下就出现了损坏现象，与理论值相差甚远。

加速度计是两层结构，上面一层是硅质量块结构，下面一层是玻璃盖板保护结构，质量块工作时在敏感方向上下活动。

随着加速度g值的增大，质量块移动到玻璃盖板处时被限位
向相反的方向弹出，由于质量块上面没有保护结构，使得质量块向上活动更远的距离，当g值增加到一定程度，质量块梁上的应力达到硅的屈服极限时，梁根部或
端部会产生脆性断裂。

可见加速度计的抗过载能力还需进一步优化。

图2 样片损坏
2 结构设计及仿真
针对试验现象，文中在原有基础上对结构进行优化，设计出过载保护结构。

结构图如图3。

图3 加速度计三层结构
2.1 结构仿真
在结构设计中，底面设计
玻璃基地作为限位块后，在添加硅盖板前后施加20000g的加速度仿真结构见图4、图5。

结构单元如图4所示，在不加任何保护措施下的最大应力为9342MPa，远远超过了硅的屈服强度极限，加速度计结构会被破坏。

结合加速度计的阻尼特性，综合考虑将硅层质量块和玻璃层的距离设定为5μm，因此质量块的最大行程为5μm。

计算的质量块的位移达到5μm时结构外加的加速度载荷应该达到457.6g。

如图5
所示，在20000g的加速度作用下，静态分析结果表明梁上的应力最大值分别为213.742+6.042=219.784MPa，小于硅的许用应力30MPa。

仿真结果表明加速
度计的三层结构有很好的抗高过载能力。

2.2 结构其它参数
图6、图7为ANSYS仿真下对结构施加满量程10g的加速度Z方向上的最大位
移和最大等效应力的仿真结果。

从图中可以看出加速度计的最大位移为0.175μm。

增加盖板后结构不影响满量程测量。

根据仿真结果提取路径分析来确定压阻结构的摆放位置，从而计算出各结构单元的理论灵敏度。

优化前后加速度计设计参数对比如表1所示。

表1 优化前后加速度计参数对比
由表1中可以看出优化后结构的灵敏度提高了一倍，固有频率有所降低，但降低
的幅度较小仍然能够满足低量程加速度计带宽的要求，同时对加速度计结构进行了抗高过载的设计，抗过载能力达到20000g。

通过仿真验证了加速度计结构优化设计的合理性，达到了优化设计的目的。

3 试验特性
对加工完成的传感器进行马歇特锤试验(见图8)，并与标准传感器进行比对，其中
实验结果见图9。

从图9中可以看出是，加速度传感器能很好的测量外界传感器变化。

在施加20000g时，传感器结构也未出现损坏现象。

试验结果表明，优化后的结构具有很高的抗高过载能力。

图8 马歇特锤试验
图9 某次冲击下标准传感器与被测传感器的冲击响应曲线
4 总结
文中针对原有结构的不足，提出的新的结构，经过ANSYS仿真及实验验证得出该结构能很好的满足高过载要求。

高低量程结构各项参数均能满足设计要求。

该设计
具有可行性。

参考文献:
[1]王长虹.阵列式硅压力加速度传感器研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学，2003.
[2]夏烈芳，郭涛，向婷.复合量程加速度计抗高过载技术的研究[J].传感技术学报，2010，23(3):359 －362.
[3]石云波，祁晓瑾，刘俊，等.微型高过载加速度传感器的加工与测试[J].机械工程学报，2008，44(9):200－204.
[4]王伟，陈丽洁，贲庆玲，等.抗高过载加速度计微结构的设计与分析[J].计量与测试技术，2009，36(9):5－7.。