微加速度计在冲击环境下的可靠性研究

　　硅微加速度计是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器, 它可用于测量载体的加速度, 并提供相关的速度和位移信息。硅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, 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。一方面,微加速度计具有许多传统加表所不具有的特点; 另一方面, 它又在技术成熟度上无法和传统加表相比拟[ 1-2] 。MEMS 是集微型精密机械、微电子学、半导体集成电路工艺等新技术于一身的世界前沿性新技术, 基于MEMS 技术的微加速度计具有体积小、重量轻、可批量制造、成本低、一致性高以及可与IC 集成等突出特点; 但同时, MEMS 技术还远未成熟, 与之相类似, 微加速度计的制造和设计也远未标准化[ 3-4] 。往往一类微加速度计的设计和生产需要依赖设计工程师和工艺工程师的通力合作, 而不能像IC 设计那样做到标准化[ 5] 。

　　微加速度计在加工、封装、运输和实际使用中都可能受到冲击的作用[ 6] 。对微加速度计在冲击环境条件下的可靠性研究的目的: 1) 研究微加速度计在冲击环境下的失效机理, 建立微加速度计在冲击环境下的失效模型, 为避免微加速度计发生失效, 提高其可靠性提供理论依据; 2) 确定微加速度计在冲击环境中工作时发生失效的规律, 作为使用规范的依据。

　　1 微加速度计的数学模型

　　压阻式微加速度计可简化为由弹簧、阻尼器、质量块构成的二阶单自由度振动系统[ 7] , 如图1 所示。根据牛顿第二定律, 可以得到该单自由度二阶系统的力平衡方程式

　　将式( 4) 进行拉普拉斯逆变换, 得到挠度的时域函数x ( t ) ; 根据挠度与应力之间的关系得到应力的时域函数; 由应力与电阻变化率的关系最终求得系统的输出电压函数和输出灵敏度函数等。由式

　　( 4) 可知, 微加速度计的系统函数与系统的固有频率、阻尼参数直接相关。

　　1. 1 压阻式微加速度计的应力求解

　　本文的试验样品为八梁压阻式微加速度计。下面主要以八梁结构为例求解微加速度计梁上的应力分布。其它结构类似。加速度计的示意图如图2 所示。

　　为了分析四边八梁-质量块结构的受力, 对该结构进行了一系列的简化:

　　( 1) 首先, 简化四边八梁结构( 如图2 所示) 为四边梁结构, 四边梁结构及其受力情况如图3 所示,其中梁的宽度为八梁结构中梁宽度的两倍;

　　( 2) 由于四边梁结构在x oy 面上具有完全对称性, 因此又可简化为如图4 所示的二梁结构;