复合量程微加速度计的研究

　　随着硅微机械技术的不断发展, 基于压阻原理的微加速度计已经成为商品. 由于硅的优良机械性能, 这些微加速度计往往具有较高的抗过载能力[ 1-3] . 然而, 有些物理过程存在相差上百倍的多个加速度值需要测量, 如分析弹体在发射和飞行过程中的受力情况, 既需要测试发射过程中上万个g 的加速度, 也需要测试飞行过程中几个g 的加速度. 这些值无法通过一个微加速度计完成测试[ 4-6] .

　　本文介绍的是一种具有四个量程的复合量程微加速度计, 其量程分别为100 g、500 g 、1000 g 和2000 g. 由于该复合量程微加速度计中各个传感器具有不同的测试灵敏度, 因此, 将其运用于变加速度值的物理过程可以进行精确测量.

　　1 复合量程微加速度计的结构设计

　　本文所设计的压阻式[7] 复合量程微加速度计中各传感器均采用双端四梁结构. 即在四根梁上沿着梁长度方向分布八个压敏电阻构成惠斯通电桥, 如图1 所示. 当结构受到敏感方向加速度作用时, 质量块上下振动, 在四根梁上产生应变, 导致梁根部和端部有最大应力分布, 且根部和端部的应力值关于梁的中心位置近似对称相等. 在应力作用下八个压敏电阻阻值发生变化, 近似有(加工该结构采用N 型( 100)硅片) .

　　其中, U0 为电桥输出电压, Ui 为传感器的工作电压. 所设计的复合量程微加速度计总体结构如图2所示, 结构中四个传感器的量程各不相同, 分别为100 gn、500 gn、1000 gn 和2000 gn . 为了最大限度地提高器件性能并降低设计、加工难度, 该阵列中各传感器的质量块、梁的厚度分别对应相等, 所有梁的长度相同. 四个传感器在结构上的不同之处在于梁的宽度和质量块同侧两根梁之间的中心距: 对应于四个量程的传感器结构, 其梁宽分别为80、120、160 和220 Lm, 梁的中心距分别为1120、1080、1040 和980 um. 通过理论计算及仿真验证, 可知该结构中四种量程的传感器结构具有如表1 所示的性能参数.

　　2 复合量程微加速度计的抗过载仿真

　　单晶硅是一种脆性材料, 几乎不能承受塑性变形,冲击作用后多发生脆性断裂[ 8-9] . 所设计的复合量程微加速度计在运输和勤务处理过程中可能会发生磕碰或跌落, 产生较大的冲击载荷. 综合考虑要求该复合量程微加速度计能承受20 000 g 的加速度载荷. 为了满足这一性能要求, 该复合量程微加速度计采用了静电键合双层结构, 如图3 所示. 上面一层为硅结构层, 包括框架、质量块和四根梁, 下面一层为玻璃盖板, 起过载保护作用. 通过减薄质量块控制质量块下底面与玻璃盖板之间的间距为5 um, 即在加速度载荷作用下, 质量块在z 方向上的最大位移量为5 um.