压阻式高量程微加速度计的冲击校准

　　0　前　言

　　加速度计广泛应用于航空、电子、汽车和机械领域的振动和冲击测量。近年来,随着MEMS产业的兴起,加速度计向微型化、集成化方向发展。由于微加速度计具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、易批量生产等优点,因此具有广泛的军事和民用前景。

　　按照敏感原理的不同,微加速度计大致可以分为:压阻式、压电式、电容式、谐振式、光纤式、电磁式、对流式等。其中,压阻式具有线性度好、外围电路简单、抗过载能力强等优点,因而成为高量程微加速度计设计的首选,广泛应用于冲击环境的测量。目前,一般用冲击法来校准高量程加速度计的动态灵敏度。常用的校准方法有背靠背实验、冲击摆实验、落球实验、Hopkinson杆实验、气炮实验等。随着国内高量程微加速度计研制的起步,其冲击校准研究开始引起人们的重视。下面,作者采用Hopkinson杆冲击校准法,对中国科学院上海微系统与信息技术研究所研制的压阻式高量程微加速度计进行了初步校准分析。

　　1　微加速度计[1]

　　研究的压阻式高量程微加速度计由中国科学院上海微系统与信息技术研究所研制,型号暂定为AT-6。设计量程为50000gn。芯片材料为单晶硅,采用双列扁平陶瓷封装。外形尺寸约12 mm×8 mm×3 mm。

　　1.1　芯片结构

　　该微加速度计以半导体的压阻效应为基础,采用梁岛结构。本文研究的压阻式微加速度计为三梁双岛结构,如图2所示,由锚区1、质量块2、薄板梁3、应变电阻4组成。其敏感方向为Z轴。在薄板梁上作淡硼扩散形成4个应变电阻,并由铝布线构成惠斯登电桥,连接到管脚。

　　1.2　封　装

　　采用陶瓷基板封装。基板之上粘接带有管脚的框架。芯片粘接在陶瓷基板上。使用金丝球焊连接芯片的铝布线压点和管脚,最后用陶瓷上盖板将框架和芯片封住,这样就完成了陶瓷封装。它们之间的粘接使用环氧树脂。

　　1.3　工作原理

　　将微加速度计的管脚连接至外部检测电路中。当微加速度计受敏感方向的加速度作用时,在惯性力的作用下,质量块相对于基底运动,造成弹性薄板梁的变形。由于硅的压阻效应,各应变电阻的电阻率发生变化,电桥失去平衡,输出信号发生变化。测量该变化的信号,经校准后即可转换为加速度值。

　　2　校准原理和结果

　　2.1　实验原理

　　对传统的Hopkinson压杆装置[2]进行改装,利用输入杆作为校准杆,将被校微加速度计粘接在校准杆的尾部(如图3)。由压缩空气发射一圆柱状子弹,同轴撞击校准杆的起始端,将会在校准杆中产生近似半正弦的压应变脉冲,并沿校准杆纵向传播至微加速度计[3,4]。