一种高量程加速度传感器的性能测试与分析_陈艳香

Abstract：A novel structure of the high-range accelerometer，which is based on micro detecting beam，was used to measure biaxial acceleration in the horizontal plane． Machete hammer and Hopkinson bar were used to test the sensitivity and the dynamic response of the sensor． The result shows the sensitivity of the accelerometer in X direction is 0． 470 ± 0． 03 μV / g，and the amplitude error of 5% operating band is 15． 5 kHz． The sensitivity of the accelerometer in Y direction is 0． 517 ± 0． 03 μV / g and the resonant frequency is 54． 36 kHz． The Amplitude error of 5% operating band is 16． 9 kHz． The accelerometer enables the measurement of high-range acceleration biaxial signal in silicon plane ，which can be used for future three-axis accelerometer． Key words：accelerometer；high-g；biaxial；in plane；test
Analysis And Performance Test of High － range Accelerometer
CHEN Yan-xiang，SHI Yun-bo，ZHI-Dan，YANG Zhi-cai，ZOU Kun，FENG Heng-zhen （ North University of China，National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology Key Laboratory of Instrumentation Science ＆ Dynamic Measurement of Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）
对面内 MEMS 高量程加速度传感器进行 X 方向冲击测试时， 得到的各向敏感单元输出波形图 4 所示，冲击结果如表 1 所示。
表 1 X 方向冲击测试结果
988 输出
电压值 / mV
204 480 864 1 120 1 440 1 600 1 760
988 输出加
速度值 /g
2040 4800 8640 11 200 14 400 16 000 17 600
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Instrument Technique and Sensor
对标准传感器 988 输出的加速度值与目标传感器输出的 电压通过最小二乘法进行线性拟合得到的拟合直线如图 7 所 示。拟合直线为：y = 0． 0517x + 0． 0713，Y 轴输出灵敏度为 0． 517 μV / g。
May. 2016
2016 年 第5 期
仪表技术与传感器
Instrument Technique and Sensor
2016 No. 5
一种高量程加速度传感器的性能测试与分析
陈艳香，石云波，智 丹，杨志才，邹 坤，冯恒振
（ 中北大学，电子测试技术重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051）
本文介绍 了 一 种 新 型 基 于 微 梁 检 测 结 构 的 面 内 运 动 的 MEMS 高量程加速度传感器［5］，其设计量程为150 000 g，抗过
收稿日期： 2015 － 08 － 24
载为200 000 g。 1 传感器芯片结构设计
基于微梁检测结构的双轴 MEMS 面内高量程加速度计芯 片结构，如图 1 所示，分为硅基框架和 4 个敏感结构两部分，其 中硅基框架包括硅基边框和锚点，敏感结构（ 如图 2 所示） 包括 质量块和 4 个悬臂梁。检测微梁上由于检测微梁的宽度较小， 应力变化更加明显，因此在检测微梁上布有应变压敏电阻形成 惠斯登电桥。当传感器受到水平方向的加速度时，悬臂梁在质 量块驱动下发生弯曲形变，使检测微梁上的应变压敏电阻发生 阻值变化，引起惠斯登电桥输出电压变化。
988 输出 加速度值 /g
2 320 4 400 8 640 11 100 14 400 16 800 18 400 20 000
传感器 Y 方向 输出值 / mV
120 252 440 520 780 880 940 1 040
传感器 X 方向 输出值 / mV
5 10 15 24 34 24 42 50
图 7 目标传感器灵敏度拟合直线
传感器的横向灵敏度比用于表征传感器的质量优劣的性 能指标之一，一般的高量程加速度传感器要求其横向灵敏度比 应该小于 5% ，否则会对被测量值造成很大的不确定度。该新 型高量程加速度传感器在 X 方向冲击测试时，得到 X 轴的最大 横向灵敏度比为 3． 8% ；Y 方向冲击测试时，得到 Y 轴的最大横 向灵敏度比为 4． 8% ；由测试结果可知，X、Y 轴的最大横向灵敏 度比均在所要求的精度范围之内。因此，可以证明该传感器基 本满足设计需求。 2． 2 Hopkinson 杆冲击试验［7 －9］
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作频带为 16． 9 kHz。该加速度传感器实现了硅平面内 2 个轴向的高 g 值加速度信号测量，可以用于后期集成三轴高量程加
速度传感器。
关键词： 加速度传感器; 高量程; 双轴; 面内; 测试
中图分类号： TP212
文献标识码： A
文章编号： 1002 － 1841（ 2016） 05 － 0018 － 03
目前，国内外 性 能 优 良 的 高 量 程 加 速 度 传 感 器 有： Endevc 公司的 7270A 型高 g 加速度计，是目前性能最高的加速度计， 量程可达200 000 g，灵敏度为 0． 5 ～ 1． 5 μV / g，具有零阻尼、高 谐振的优点；加拿大 Alberta 微电子中心研制的高 g 悬臂梁加速 度计，量程为100 000 g，输出灵敏度为 0． 75 μV / g /5 V，谐振频 率优于 100 kHz［3］；中科院上海微电子系统所研制的三梁 － 双岛 结构高量程加速度计，量程为100 000 g，输出灵敏度为 1． 43 μV / g / 5 V，谐振频率为 220 kHz［4］。目前高量程加速度传感器多为硅 片轴向传感器结构，而对硅平面内 2 个轴向测试的面内高量程 加速度传感器较少。
利用 Hopkinson 杆冲击“绝对法”对传感器进行动态特性的 冲击试验。Hopkinson 杆试验装置如图 8 所示，主要由子弹、发 射管、Hopkinson 杆、差动式激光多普勒干涉仪、电压放大器、超 高速数据采集器、计算机等系统组成。将目标加速度计固定在 Hopkinson 杆的尾部，压缩空气发射一个子弹，同轴撞击杆的起 始端，将会 在 杆 中 产 生 近 似 半 正 弦 的 压 应 变 脉 冲 信 号，并 沿 Hopkinson 杆纵向传播。冲击过程中的激光多普勒干涉信号经 结算可以得到冲击加速度信号。
首先，利用马 歇 特 锤 冲 击“比 较 法 ”对 传 感 器 的 进 行 了 测 试，用标准传感器对被测传感器的灵敏度进行标定。试验装置 如图 3 所示，主要由砧子、锤头、连杆、转轮和吊锤组成。将目 标传感器和标准传感器固定在锤头上的特制夹具上，2 个传感 器的信号输出线 都 固 定 在 连 杆 上，转 动 转 轮 将 锤 头 抬 起，然 后 让锤头自由落下，则会给传感器一个加速度冲击信号。
该传感器敏感结 构 中 微 梁 的 设 计，增 加 了 传 感 器 的 刚 度， 使其量程增加；受 到 的 应 力 大 于 中 间 主 梁 的 应 力，又 增 加 了 传 感器的灵敏度。完成了既有固支梁结构的高量程又有悬臂梁 结构高灵敏度的压阻式高量程加速度传感器的设计。 2 测试与分析 2． 1 马歇特锤冲击试验
图 3 马歇特锤冲击试验装置原理图
试验中，标准传感器选用 1 × 105 g 量程的 988 压电加速度 传感器，输出信号通过电荷放大器放大调理后（ 调理后输出为 10 000 g / V） 与示波器的一通道相连接；目标传感器 X、Y 输出 信号分别经电压信号放大器放大 100 倍后与示波器的二、三通 道相连接。
0 引言 MEMS 高量程加速度传感器在武器打击硬目标的引信控制
系统中起着关键作用。作为弹药引信控制系统的核心器件，三 轴 MEMS 高量程加速度传感器用于记录弹药侵彻过程中各方向 的侵彻过载信号，其性能指标直接影响了弹体侵彻路径的计算 分析。深入开展三轴 MEMS 高量程加速度传感器的研究工作，对 于侵彻过程中侵彻轨迹的计算、介质参数的获取、炸点的精确控 制具有十分重要的意义［1 －2］，而面内 MEMS 高量程加速度传感 器设计，则成为制约三轴高量程加速度传感器集成的关键技术。
图 4 X 方向冲击波形图
对标准传感器 988 输出的加速度值与目标传感器输出的电 压通过最小二乘法进行线性拟合得到的拟合直线如图 5 所示。 拟合直线为：y = 0． 470x + 8． 403，输出灵敏度为 0． 470 μV / g。
图 5 目标传感器灵敏度拟合直线
对面内 MEMS 高量程加速度传感器进行 Y 方向冲击测试 时，得到的各向敏感单元输出波形图 6 所示，冲击结果如表 2 所示。
用 Hopkinson 杆对传感器 Y 轴向进行冲击测试，记录传感 器 Y 轴输出曲线，图 10（ a） 所示。激光干涉仪解算的冲击加速 度峰值为45 010 g，峰值灵敏度为 0． 512 μV / g。通过 MATLAB 并利用镜像映射法［10］对获取的时域数据进行处理得到传感器 Y 轴的对数幅频特性曲线，如图 10（ b） 所示。
图 1 传感器芯片结构示意图
当加速度传感器受到水平方向 X 方向的加速度作用时，X 方向的 2 个敏感结构为主要的敏感轴，其微梁上的压敏电阻构
第5 期
陈艳香等：一种高量程加速度传感器的性能测试与分析
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图 2 敏感单元结构示意图
成惠斯登电桥用于检测 X 方向的加速度值；同理 Y 方向的 2 个 敏感结构用于检测 Y 方向的加速度值。
传感器 X 方向
输出值 / mV
98 240 424 522 660 762 840
传感器 Y 方向
输出值 / mV
3 8 13 19 25 28 32
988 输出 电压值 / mV
232 440 864 1 110 1 440 1 680 1 840 2 000
图 6 Y 方向冲击波形图
表 2 Y 方向冲击测试结果
摘要： 针对一种基于微梁检测结构的新型双轴 MEMS 面内高量程加速度传感器，通过马歇特锤冲击校准装置和霍普金
森杆冲击校 准 装 置，测 试 了 传 感 器 的 灵 敏 度 和 频 响 特 性。试 验 结 果 表 明: 该 传 感 器 敏 感 结 构 X 轴 方 向 的 灵 敏 度 为
0． 470 ± 0． 03μV / g，幅值误差 ± 5% 时，工作频带为 15． 5 kHz; Y 轴方向的灵敏度为( 0． 517 ± 0． 03 μV / g，幅值误差 ± 5% 时，工
图 9 X 轴向 Hopkinson 杆冲击试验
图 8 Hopkinson 杆冲击测量装置原理图
用 Hopkinson 杆对传感器 X 轴向进行冲击测试，记录传感 器 X 轴输出曲线，图 9（ a） 所示。激光干涉仪解算的冲击加速 度峰值为59 320 g，峰值灵敏度为 0． 452 μV / g。利用镜像映射 法［11］对获取的时域数据进行处理得到传感器 X 轴的对数幅频 特性曲线，如图 9（ b） 所示。