李科杰，何 昫，張振海，林 然，李治清

（北京理工大學(xué)，北京 100081）

0 引言

現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭中，硬目標(biāo)侵徹武器已日益發(fā)揮著重大作用。研制可用于侵徹武器精確炸點(diǎn)控制的高沖擊加速度傳感器是我國兵器實(shí)驗(yàn)與測試領(lǐng)域亟待解決的難題，單軸高沖擊加速度傳感器技術(shù)較成熟，采用MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有高度集成化、微型化、智能化的特點(diǎn)，且可靠性較高、成本低［1］。高沖擊加速度傳感器的類型主要有壓阻式、壓電式、電容式和熱對(duì)流式。這幾種類型傳感器成為高沖擊加速度傳感器研發(fā)的主要方向。

國外開展對(duì)高沖擊加速度傳感器的研究較早，技術(shù)相對(duì)成熟，單軸加速度傳感器量程最高可達(dá)200 000 g［2］。國內(nèi)此項(xiàng)研究工作雖開展較晚，但在上世紀(jì)90年代也已自主研發(fā)出高量程單軸加速度傳感器，為進(jìn)一步研究三軸高沖擊加速度傳感器奠定了重要的基礎(chǔ)。本文著重對(duì)各類高沖擊加速度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，為硬目標(biāo)侵徹武器相關(guān)研究提供參考。

1 壓阻式高沖擊加速度傳感器

半導(dǎo)體材料受到外力或內(nèi)力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。壓阻式高沖擊加速度傳感器，主要是以硅壓阻效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，采用體硅加工工藝和集成電路平面工藝制成，通過力敏電阻構(gòu)成的惠斯通電橋感測加速度變化［3］。主要工藝流程包括：選片—化學(xué)清洗—一次氧化—一次光刻—濃硼注入—濃硼主擴(kuò)散—二次光刻—淡硼注入—淡硼主擴(kuò)散—三次光刻—真空蒸鋁或蒸金—四次光刻—合金化—五次光刻—深反應(yīng)離子刻蝕—?jiǎng)澠?/p>

國外典型的壓阻式高沖擊加速度傳感器如下：

加拿大Alberta微電子中心研制成功一種硅壓阻式加速度傳感器，采用懸臂梁式結(jié)構(gòu)，敏感元件如圖1所示，量程達(dá)到10萬g，固有頻率高于100 kHz，靈敏度為0.702μV／g。核心元件由硅微機(jī)械加工工藝制作，在一塊3英寸大小的硅材料雙面剖光的P型晶圓上，異向外延生長一層厚度為4μm厚的N型硅薄膜，腐蝕掉P型硅后生成的單端懸臂梁結(jié)構(gòu)，利用雙面光刻掩模在懸臂梁上形成4個(gè)電阻，構(gòu)成惠斯通電橋［4］。這款傳感器的特點(diǎn)在于：敏感元件沒有質(zhì)量塊，整體作為慣性結(jié)構(gòu)，受力產(chǎn)生形變，從而簡化了制作工藝，提高了傳感器的頻響。

圖1 傳感器敏感元件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The sensor sensitive element structure

美國ENDEVCO公司生產(chǎn)的7270A系列壓阻式加速度傳感器［5］，其中7270A－200K量程達(dá)到20萬g，諧振頻率1.2MHz，敏感單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系列傳感器兩側(cè)采用單端懸臂梁的整體式結(jié)構(gòu)，利用微機(jī)械加工技術(shù)，在1mm×1mm尺寸的單晶硅片上制作梁與質(zhì)量塊，并在單晶硅表面制作壓阻力敏電阻，構(gòu)成惠斯通全橋電路，進(jìn)行加速度值測量。這款傳感器具有較好的線性度，固有頻率高，穩(wěn)定性好。

圖2 7270A系列傳感器Fig.2The sensitive structure of 7270Aseries sensors

在一些高溫、強(qiáng)磁的條件下，需要特殊材料制作的加速度傳感器來應(yīng)對(duì)特殊環(huán)境。美國NASA研制了單晶6H－SiC材料的壓阻式加速度傳感器，量程可達(dá)到10萬g［6］，并具有較高的固有頻率，靈敏度為343nV／g。由于這種傳感器采用合成材料6H－SiC，使其具有了抗高溫、抗磁場的效果，有很寬廣的應(yīng)用前景，其芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中包含了掃描電鏡下的敏感元件結(jié)構(gòu)圖以及沿著AA路徑的截面結(jié)構(gòu)圖。

圖3 單晶6H－SiC壓阻式加速度傳感器Fig.3 The single crystal 6H－SiC piezoresistive accelerometer

國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和高校開展高沖擊加速度傳感器研究的包括：北京理工大學(xué)，中電十三所，中北大學(xué)，中科院上海微系統(tǒng)所，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，合肥工業(yè)大學(xué)等。

上海微系統(tǒng)所研制的三梁雙島壓阻式高沖擊加速度傳感器，量程達(dá)到10萬g［7］，敏感芯片結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 三梁雙島壓阻式高沖擊加速度傳感器Fig.4 The three beams－double islands piezoresistive high g accelerometer

中北大學(xué)研制了一種高量程壓阻式加速度傳感器，設(shè)計(jì)量程達(dá)到150 000 g［8］，傳感器芯片結(jié)構(gòu)梁的寬度和方形質(zhì)量塊寬度一致，壓阻對(duì)稱放置于四梁根部，利用KOH在質(zhì)量塊背部開槽腐蝕，減少了質(zhì)量塊的重量，獲得較高的固有頻率［9］，結(jié)構(gòu)如圖5所示。北京理工大學(xué)研制成功壓阻式高沖擊加速度傳感器，達(dá)到國內(nèi)最高量程，固有頻率可以達(dá)到400 kHz以上，性能穩(wěn)定。

圖5 壓阻式高量程加速度傳感器Fig.5 The high g piezoresistive sensor

由上海微系統(tǒng)所等單位共同設(shè)計(jì)的單芯片集成壓阻式三軸高沖擊加速度傳感器［10］，核心元件如圖6所示。彈性敏感部分位于在核心硅片中間，用玻璃襯底和硅材質(zhì)蓋板保護(hù)核心結(jié)構(gòu)層，X、Y軸橫向沖擊測量部分采用帶微梁的三梁－質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，互相垂直布置；Z軸單元采用三梁雙島結(jié)構(gòu)，所涉及這兩種結(jié)構(gòu)均具有較高靈敏度和較高諧振頻率，且量程可達(dá)到10萬g。

圖6 單芯片集成三軸壓阻式高沖擊加速度傳感器Fig.6 The single－chip integrated tri－axis high g accelerometer

壓阻式高沖擊加速度傳感器結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理電路簡單，線性度好，量程大、制作工藝簡單，抗沖擊能力強(qiáng)。因此，壓阻式成為設(shè)計(jì)三軸高沖擊加速度傳感器的首選方式。但壓阻式傳感器也有一些不足之處，如受溫度影響較大等缺點(diǎn)。

2 壓電式高沖擊加速度傳感器

壓電式高沖擊加速度傳感器是以壓電效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，采用壓電材料制成用來測量加速度的傳感器。壓電效應(yīng)是指當(dāng)某種電介質(zhì)受拉伸或壓縮形式的力后發(fā)生形變，由于內(nèi)部電荷的極化，會(huì)在其表面產(chǎn)生電荷；壓電材料分為壓電單晶、壓電多晶和有機(jī)壓電材料等。常用的材料是屬于壓電多晶的各類壓電陶瓷和屬于壓電單晶的石英晶體。

國內(nèi)主要壓電式高沖擊加速度傳感器研究成果如下：

兵器204所研制的988壓電式加速度傳感器，量程達(dá)到了10萬g，電荷靈敏度：0.7pc／g；幅值線性小于10%；最大橫向靈敏度小于10%；頻率響應(yīng)達(dá)到25kHz。

北京理工大學(xué)研制了壓電薄膜壓縮型高沖擊加速度傳感器，量程20萬g［11］。

國內(nèi)外對(duì)壓電式高沖擊加速度傳感器相關(guān)文獻(xiàn)較少。壓電式傳感器的特點(diǎn)在于輸出為電荷，需將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值，信號(hào)處理電路采用電荷放大器，電路輸入阻抗高，且零漂嚴(yán)重。壓電式傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于線性度好，頻率范圍較寬，結(jié)構(gòu)簡單。

3 電容式高沖擊加速度傳感器

電容式高沖擊加速度傳感器原理是：加速度作用引起慣性質(zhì)量塊與固定電極間相對(duì)位移發(fā)生變化，導(dǎo)致電容值的變化，通過測量電容的變化量測得被測加速度值。

國外電容式高沖擊加速度傳感器取得的成果包括：

美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室利用表面微機(jī)械加工技術(shù)制作了一種硅微機(jī)械電容式加速度傳感器，該傳感器量程達(dá)到5萬g［12］，加速度計(jì)結(jié)構(gòu)包括參考電容、敏感可變電容和L型支撐梁，材料采用多晶硅，通過測量參考電容與可變電容之間的差值得到對(duì)應(yīng)加速度大小。頻率響應(yīng)達(dá)到127kHz，阻尼系數(shù)為0.4。基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 Sandia電容式加速度計(jì)敏感元件結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The capacitance acceleratometer structure

美國Draper實(shí)驗(yàn)室研制了“蹺蹺板”電容扭擺式系列微硅加速度計(jì)［13］，原理圖如圖8所示。該系列傳感器的最大量程為10萬g。傳感器采用扭桿支撐平板結(jié)構(gòu)，敏感質(zhì)量塊相對(duì)扭桿支撐不對(duì)稱，從而引起慣性力矩也不同。信號(hào)源是平板與基片之間形成的一對(duì)差動(dòng)電容，形變時(shí)產(chǎn)生變化量。當(dāng)加速度垂直作用于平板時(shí)，質(zhì)量塊將繞著支撐梁扭轉(zhuǎn)，平板傾斜，從而引起電容大小發(fā)生變化，相應(yīng)的一對(duì)電容總是一個(gè)增大，一個(gè)減小，形成差動(dòng)電容。測量電容值變化量即可得到沿著敏感軸方向的加速度值。

圖8 電容扭擺式加速度計(jì)敏感元件原理圖Fig.8 The schematic diagram of capacitance pendulous accelerometer

國內(nèi)外電容式加速度傳感器微量程的產(chǎn)品很多，但滿足15～20萬g高量程的較少，原因在于高沖擊環(huán)境下，此類傳感器線性度較差，這一參數(shù)是傳感器非常重要的指標(biāo)，直接影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并且信號(hào)處理電路比較復(fù)雜，所以，采用電容原理設(shè)計(jì)高沖擊加速度傳感器有諸多不利之處。國內(nèi)外也未有電容式三軸高沖擊加速度傳感器研究的相關(guān)報(bào)導(dǎo)。

4 熱對(duì)流式高沖擊加速度傳感器

熱對(duì)流式高沖擊加速度傳感器是以虛擬的“熱氣團(tuán)”作為“質(zhì)量塊”，在密閉腔體內(nèi)添加熱源，使周邊空氣密度發(fā)生變化，通過溫度傳感器測量，由加速度引起的腔內(nèi)溫度氣團(tuán)位置變化來測量加速度值。

國內(nèi)外取得的研究成果主要包括：

MEMSIC公司采用熱對(duì)流原理研制的MXA、MXD、MXR系列 MEMS加速度傳感器［14］，圖9為MEMSIC生產(chǎn)的單軸熱對(duì)流加速度傳感器，最高過載可達(dá)50 000 g。

圖9 MEMSIC研制的熱對(duì)流加速度傳感器Fig 9 MEMSIC convective accelerometer

中電十三所研制了量程達(dá)到50 000 g的熱對(duì)流式高沖擊加速度傳感器，結(jié)構(gòu)如圖10所示［15］，它由單晶硅腔體、加熱器和兩支對(duì)稱溫度傳感器構(gòu)成。加熱器加熱使周圍氣體溫度升高，密度變小。在重力加速度的作用下，腔體內(nèi)的氣團(tuán)位置發(fā)生變化，位于加熱器等距離位置安裝的溫度傳感器測量到溫度差，這一差值對(duì)應(yīng)被測加速度值。

圖10 中電十三所熱對(duì)流式加速度傳感器Fig.10 CETC 13convective accelerometer

國內(nèi)外選用熱對(duì)流原理設(shè)計(jì)加速度傳感器的技術(shù)相對(duì)成熟，部分單軸傳感器已產(chǎn)品化，量程也達(dá)到50 000 g。由于采用了虛擬的熱氣團(tuán)作為“質(zhì)量塊”，使這種傳感器具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和抗輻射、抗振動(dòng)、抗沖擊能力，但150 000 g以上量程的研究成果還未見到，需要對(duì)結(jié)構(gòu)以及原理進(jìn)一步分析，爭取滿足侵徹武器使用的高量程需要。

5 關(guān)于三軸加速度傳感器的討論

綜上所述，目前國內(nèi)外的單軸高沖擊加速度傳感器技術(shù)相對(duì)成熟，但三軸高沖擊加速度傳感器的研究還處于初級(jí)階段，研究成果如表1所示。高量程、低成本、可靠性好的三軸高沖擊加速度傳感器是侵徹武器精確炸點(diǎn)控制的關(guān)鍵，同時(shí)能夠?yàn)殂@地武器侵徹機(jī)理、武器侵徹性能、防護(hù)結(jié)構(gòu)及防護(hù)材料、侵徹彈藥設(shè)計(jì)等方面的研究提供必要的測試手段和數(shù)據(jù)，因此大力開展三軸高沖擊加速度傳感器研究十分必要。

表1 國內(nèi)外研究成果Tab.1 The research results of home and abroad

三軸高沖擊加速度傳感器主要采用壓阻式，結(jié)構(gòu)方式有單芯片集成式和組合式兩類。

三軸高沖擊加速度傳感器的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，如：量程、線性度、靈敏度、橫向靈敏度等，都會(huì)直接影響產(chǎn)品的性能。需要對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真論證和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，保證其在高沖擊加速度環(huán)境下不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，同時(shí)還需要結(jié)合材料力學(xué)，沖擊動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科知識(shí)來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。高沖擊加速度傳感器發(fā)展可以歸納為以下幾點(diǎn)：

1）對(duì)三軸高沖擊加速度傳感器的設(shè)計(jì)可借鑒單軸高沖擊加速度傳感器設(shè)計(jì)方法和理論，運(yùn)用MEMS加工技術(shù)，研制量程高、可靠性好、線性度好、橫向靈敏度小的高沖擊三軸傳感器。

2）單芯片集成的三軸高沖擊加速度傳感器三軸向交叉耦合較大。采用單芯片非共用彈性單元的方式設(shè)計(jì)的三軸高沖擊加速度傳感器，減小了三軸軸間耦合，是一種較有效的方案。

3）采用芯片組合結(jié)構(gòu)的三軸高沖擊加速度傳感器，由于芯片間相互獨(dú)立，大大減少了三軸間數(shù)據(jù)交叉耦合.

終上所述，開展高沖擊加速度傳感器研究，對(duì)于彈體侵徹目標(biāo)的試驗(yàn)研究，了解彈－目相互作用時(shí)的沖擊動(dòng)力特性，以及改進(jìn)軍事防御和武器彈藥的研制都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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