高g微加速度计的研究

　　高g 值加速度传感器的设计是侵彻引信的关键之一。侵彻武器通常以每秒上百米的速度钻入地面、混凝土、岩石或其它的坚硬物质, 其运动的平均加速度可达到地球重力加速度的2 万倍, 最大加速度可达重力加速度的几十万倍[ 1] 。这就要求所用加速度传感器既能抗击如此苛刻的工作环境, 同时又能快速响应冲击与钻入的整个过程, 即正确测量瞬时加速度的变化过程, 因此所选用的加速度传感器必须具有很高的测量范围、耐受高冲击且频率响应高[ 2] 。

　　本文所研究的高g 值加速度计可应用于航空航天领域和硬件侵彻武器研究, 以解决高速运行的载体在启动和运行过程中速度变化的测量与控制问题。

　　1 结构设计

　　1. 1 结构选择

　　压阻式加速度计是最早开发的硅微加速度计,弹性元件的结构一般采用梁-质量块的结构形式, 典型结构有悬臂梁、双悬臂梁、桥梁、四边四梁、双岛五梁等结构。结合各种结构的优缺点以及设计要求,采用如图1 所示的四边四梁结构, 压阻对称放置于四根梁的根部, 该结构的超对称性可以较好地解决横向灵敏度的问题。

　　1. 2 结构参数设计

　　结构中质量块和梁的参数对结构的性能起着决定性的作用。质量块的质量影响传感器的固有频率和灵敏度, 质量越大, 固有频率越低, 灵敏度越大。利用Mat lab 软件分析梁的尺寸于结构最大应力和固有频率的关系。图2 为最大应力与梁长度和厚度的关系曲面, 图3 为结构固有频率与梁长度和厚度的关系曲面, 从图中可以看出结构参数对结构应力和频率的影响是矛盾的。随着梁长度的增加, 梁上最大应力增大, 即结构灵敏度增大, 而固有频率随之降低; 随着梁厚度的增加, 梁上最大应力减小, 即灵敏度降低, 固有频率随之增加。

　　结合以上分析、加速度计指标要求和工艺条件,结构各部分参数如表1 所示。

　　2 阻尼设计

　　对常规的机械器件, 周围空气引起的阻尼可以忽略, 因为空气阻尼引起的能量损耗远小于提供给系统的能量。但对于微机械器件, 空气阻尼决定了器件的动态特性。微机械结构的空气阻尼原理是挤压空气阻尼和滑动空气阻尼[ 3] 。本设计利用的是挤压空气阻尼原理, 采用硅玻键合和减薄质量块的方法加工出如图4 所示的结构, 质量块受力时上下运动挤压间隙之间的空气为系统提供阻尼。

　　本文设计的加速度传感器系统相当于一个有阻尼的单自由度振动系统, 可以简化为二阶系统[ 4] 。加速度计的瞬态响应特性取决于系统的阻尼比N,N= 0. 707 为最佳阻尼, 系统的幅频特性处在最佳状态。由流体力学的Reynolds 方程[ 5] 分析系统, 求得阻尼比和间距d 的关系: