高g值微加速度计在冲击环境下的可靠性

　　微加速度计可用于测量载体的加速度,并提供相关的速度和位移信息.微加速度计可以和微型陀螺仪组合构成微型惯性测量单元(MIMU),用于战术武器、智能炮弹的制导系统,微小卫星的测控系统,以及汽车、机器人等的测控系统中.

　　高g值微加速度计主要用于各种导弹(子弹)侵彻混凝土目标、侵彻航母钢板跑道,侵彻多层混凝土复合机库目标等侵彻过程的动态参数测试,是反机场、反航母、反装甲弹药的超高冲击终点效应测试的主要手段.在这些测试环境中,常伴有复杂恶劣的动力学环境,由于侵彻过程高的冲击力到导致测试仪器损坏,测试数据丢失,所以开展微加速度计在冲击环境下的可靠性研究有着十分重要的现实意义.

　　1　微加速度计在冲击环境下的失效模式和失效机理

　　冲击对加速度计的主要影响是对微加速度计的结构造成损坏.当冲击造成的实际应力值超过微加速度计结构的许用应力时,结构将产生裂纹、断裂、分层等;在使用过程中加速度计的质量块难免与衬底发生接触,也可能发生磨损失效,并且冲击还会导致加速度计的封装外壳的断裂及金属引线的脱落等[1-2].

　　1)机械破裂造成的失效[3].机械破裂指内部应力超过断裂强度所造成的均一物质断裂为分离部分,和应力、剪切应力、应变、弹性模量、断裂强度有关.对于采用单晶硅作机械结构的器件,应尽可能采用高纯单晶.因为空位、间隙、替位等点缺陷以及刃位错、螺旋位错等位错都引入了应力,会降低晶体的断裂强度,这些地方也是应力集中的地方.

　　2)表面粘附造成的失效[4].表面粘附是微加速度计中有关可靠性的一个大问题,两个光滑表面相接触时,由于范德瓦尔斯力而彼此粘附在一起.由于微加速度计的机械构件通常仅有极小的质量,但具有较大的表面体积比,且惯性的作用往往可以忽略,因此各种表面作用力和表面效应就占据了主导地位.表面粘附常常导致器件彻底失效,使应该释放的结构达到难以分开的地步.

　　3)磨损造成的失效.磨损是由于互相接触的表面相对运动造成的,是指由机械作用造成的固体表面的材料缺失现象.磨损主要有粘蚀、冲蚀、浸蚀、表面疲劳等几种.对微加速度计而言,磨损会使器件的驱动电压增加.

　　4)分层造成的失效.多层结构由于层间界面的粘附键断裂造成的层和层分离,设计时要采取措施提高层间的粘附,如采用过渡层等.光刻对位误差、工艺中的微粒、热膨胀系数失配等都可能导致分层.

　　2　微加速度计在冲击环境下的可靠性试验

　　试验采用的微加速度计为中北大学设计,北大微电子所采用体硅工艺实现.结构为4端全固支的压阻式梁-岛结构,量程为0～150 000g,梁尺寸为600μm×1 050μm×80μm,质量块的尺寸为1 050μm×1 050μm×395μm.冲击载荷由霍普金森(Hopkinson)激光干涉冲击试验装置提供[5-6].实验得到的多普勒信号处理结果如图1所示.由图1可知,子弹冲击信号的峰值加速度为103 383g.通过试验可知,微加速度计抗冲击过载能力达103 383g以上.由于受试验条件限制,没有进行更高g值的冲击载荷试验,所以没有测试出微加速度计所能承受的极限加速度.对该微加速度计进行重复试验,直至结构遭到破坏,其内部梁断裂照片见图2.