高gn值微加速度计的设计

0　引　言

MEMS高gn值加速度计可用于各种导弹(子弹)侵彻混凝土目标、侵彻航母钢板跑道等侵彻过程的动态参数测试,也可用于大当量冲击波场爆炸威力的评估测试,为该系列武器的攻击性能研究提供有效的测试数据和技术支持[1]。因此,该类传感器以及由此构成的MEMS系统的研究,对加强我国的国防建设和航空航天事业具有重大的意义。国外在这方面的研究已有了一定的基础。1996年,美国德雷伯实验室已研制出量程为100 000gn的加速度传感器。20世纪90年代,美国Endevco公司研制出了量程可达20万gn的高gn值压阻式加速度传感器7270A。20世纪90年代末,美国Sandia实验室利用微机械加工技术研制成功了一种钻地武器用高gn值电容式加速度计[2]。美国模拟器件(AD)公司现已形成ADXL系列产品,可以承受超过60000gn的冲击。

本文所研究的高gn值加速度计可应用于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。

1　结构设计

1.1　结构选择

本文所研究的高gn值加速度计采用四端固支梁形成超对称结构,如图1所示,很好地抑制了非对称性结构引起的沿梁长度方向横向加速度的影响,使梁的宽度和质量块的长宽均一致,这就使得质量块相对于整个结构而言较小,则提高了结构的固有频率。同时,梁的刚度相对提高,可相应扩大量程。最后,通过玻璃硅静电键合来提供适当的阻尼,并确保锚区被紧紧固定,提高器件的一致性。

1.2　应力分析与参数设计

由于本四端固支结构在xy面内完全对称,计算时,将结构简化为双端固支结构[3],如图2所示。而四梁结构相对双端固支梁结构多了2个梁,梁的刚度相对增加1倍,则梁上的应力相应减小1倍。

　　结合结构特点和材料力学知识可以解得

    硅材料的极限应变为1000×10-6 [4],为保证输出有良好的线性,设计时,一般梁根部的应变值不应超过(400~500)×10-6。杨氏模量E=160GPa,则最大应力值应尽量小于64MPa。为保证后期的器件可加工性,按照标准体硅加工工艺进行结构参数设计,最终,确定该加速度计结构参数如表1所示。

　　将表1中结构参数代入式(2),经计算可以得到加速度计在150000gn(z轴)的加速度作用下,最大应力值为30MPa,未超出许可范围。因此,该高gn值加速度计结构在满量程情况下,能保证较好的输出线性度。同时,将硅的极限应力160MPa代入式(2),可求得当加速度计受到800000gn的加速度时,达到该器件的破坏极限。可见,即使安全系数取到5,该加速度计在所规定量程范围内仍能正常工作。

1.3　抗冲击能力分析

由于经腐蚀形成的台体质量块相对于梁的质量较小,则当结构受到大加速度作用时,梁可近似看作是双端固支梁,受均布载荷的作用。梁的弯曲强度为