高量程壓阻式加速度計在高溫環(huán)境下的失效研究

李建義，朱 杰，王 靜

(北華航天工業(yè)學院計算機科學與工程系，河北廊坊 065000)

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高量程壓阻式加速度計在高溫環(huán)境下的失效研究

李建義，朱 杰，王 靜

(北華航天工業(yè)學院計算機科學與工程系，河北廊坊 065000)

針對高量程壓阻式加速度傳感器在高溫環(huán)境下的失效問題，分析了高溫對高量程加速度計的影響，得出的失效模式為：高溫導致固支梁的翹曲或變形；溫度變化引起壓敏電阻的變化進而導致傳感器輸出漂移甚至輸出失效；測量電路板在高溫下變得扭曲或者導電層的分離。然后，利用ANSYS對固支梁和電路板進行仿真，得出各模塊在200 ℃的溫度沖擊下結構的動態(tài)響應，并通過高溫步進應力試驗進行驗證，得出傳感器的工作極限為150 ℃，破壞極限為160 ℃。

高量程加速度計；高溫；壓敏電阻；傳感器結構；固支梁；失效研究

0 引言

高量程加速度傳感器是指具有大動態(tài)測量范圍的加速度計，范圍在幾百g到上萬g，甚至高達幾十萬g，主要用于侵徹彈藥引信在預定層數的起爆、檢測爆炸的沖擊過程及武器研制過程中的沖擊過載測試等領域。加速度傳感器應用在上述領域時，不僅承受高沖擊作用，通常受高溫、濕度等綜合環(huán)境的影響。因此在研究高沖擊對高g值加速度傳感器影響的同時，溫度對其的影響同樣不能忽略。高建飛、唐軍等[1-2]對高g值加速度計在沖擊下的性能進行了研究；馬喜宏等[3-4]研究了綜合環(huán)境對其的影響；Chu.A.S[5]研究了高溫對高g值加速度傳感器靈敏度的影響；Jun Liu等[6]研究了溫度對不同封裝類型的高g值加速度計的影響。而上述研究主要通過試驗手段研究環(huán)境應力對高g值加速度傳感器的影響,而缺少系統(tǒng)的分析。本文在前人研究基礎上，基于現(xiàn)有的高g值加速度傳感器，通過理論分析、仿真驗證、試驗等方法系統(tǒng)地對高g值加速度傳感器在溫度下的響應進行分析。

1 傳感器失效機理分析

1.1 傳感器的結構設計

本文研究的加速度傳感器為壓阻式加速度傳感器，結構如圖1所示。設計的量程為150 000g，采用四端全固支梁-島型結構，梁與框架連接一端布置有壓敏電阻，可以很好地抑制非對稱性結構引起加速度傳感器的橫向效應，梁的根部和端部布置有倒角結構，以分散傳感器結構受到的應力。該方法有效解決了梁根部和端部應力集中且尖銳的問題，進而提高加速度傳感器的抗過載能力。

(a)正面視圖

(b)背面視圖

1.2 高溫對傳感器結構的影響

1.2.1 傳感器的梁在高溫下的失效分析

壓阻式加速度傳感器的工作原理是基于梁上應力值的變化。應用歐拉-伯努利梁理論可以分析傳感器在溫度環(huán)境中的受力情況。傳感器固支梁模型如圖2所示。

圖2 傳感器固支梁

梁的橫截面積A=bh，相應的慣性矩為I=bh3/12。彎應力σxx(x,z)是主要應力分量，它可表示為

(1)

式中:NT,MT分別是由熱應力引起的法向力和彎矩;T(z)為溫度函數;E為楊氏模量。

σzz=σxz=0

相應的應變分量為

(2)

式中v為泊松比。

εxz=0

沿X方向的位移分量為

(3)

沿Z方向的位移分量為

(4)

彎曲梁的曲率按照下面方程計算

(5)

式中ρ為彎曲梁的曲率半徑。

通過上面的公式推導可以知道，固支梁在高溫環(huán)境下會產生位移或者變形，嚴重時可能導致傳感器的翹曲或產生裂紋，使得傳感器發(fā)生失效。

1.2.2 壓敏電阻在高溫下的失效分析

傳感器工作在高溫環(huán)境中，由于機械約束或者是各部件間的熱膨脹系數不匹配而產生熱應力。熱應力作用到芯片上，將影響布置在梁上的壓敏電阻，進而影響傳感器的輸出，甚至會導致傳感器的失效。壓敏電阻阻值隨溫度變化的關系可以表示為

Rα=R0(1+αΔT)

(6)

式中:Rα是溫度為T時的電阻值;R0為溫度為T0時的電阻值;α為壓敏電阻的溫度系數;ΔT表示溫度的變化量。

當溫度變化ΔT時，電阻的變化量為

ΔRα=Rα-R0=R0αΔT

(7)

半導體硅的溫度系數大于600×10-6/℃，遠大于金屬應變片的溫度系數，由溫度變化引起的電阻相對變化量也大。此外壓敏電阻的壓阻系數πl(wèi)也與溫度有關，有

πl(wèi)=λT-k

(8)

式中：λ與k是由半導體材料和摻雜雜質濃度決定的常數。

當溫度升高時，壓阻系數πl(wèi)減小，傳感器的靈敏度降低；當溫度降低時，靈敏度升高，溫度每升高1 ℃，靈敏度會降低 0.1%～0.3%，產生熱靈敏度漂移。

壓敏系數πl(wèi)的變化直接影響到電阻的變化率：

(9)

于是，由壓阻系數的變化引起的電阻變化率為

(10)

由壓阻系數的變化引起的電阻變化量為

(11)

由溫度引起的電阻變化總量為

(12)

式中T1為變化后的溫度。

綜上分析，隨著溫度的升高，壓敏電阻的溫度系數變化越大，傳感器輸出越不穩(wěn)定。所以即使在外圍設計溫度補償電路，如果外面溫度過高，壓敏電阻的阻值也會隨溫度的變化而改變的范圍過大，導致傳感器不能正常工作。

1.3 測試電路板在高溫下的失效分析

不考慮溫度對電路元件間電氣參數的影響，傳感器在工作時，溫度迅速升高，傳感器電路板在溫度沖擊下，由于電路板材料間的熱膨脹系數不匹配，產生剪切應力，使得電路板可能發(fā)生扭曲，或者導電層從電路板底層分離從而無法輸出測試信號，使傳感器失效，材料的線性膨脹如圖3為所示。

圖3 材料的線性膨脹

電路板間的剪切應力遵循胡克定律：

σ=E·ε

(13)

式中：σ為產生的剪切應力；ε為電路板的形變量。

受溫度沖擊時，電路板的變化量：

l=l0(α·ΔT+1)

(14)

式中：α為電路板膨脹系數；ΔT為溫差;l0為電路板原始尺寸。

σ=E·α·ΔT

(15)

得電路板受到的力為

FT=(σ1-σ2)·Sj

(16)

式中Sj為接觸面積。

為保證電路板完好，電路板受到的力必須小于所允許的最大剪切應力，即

式中τs為所允許的最大剪切應力。

因此，當電路板受到的力大于所允許的最大剪切應力時，電路板就會發(fā)生分層。

2 仿真及試驗驗證

通過上述分析可知，在溫度環(huán)境下，主要是針對傳感器的固支梁、整個內部結構所受溫度應力變化和電路板在溫度環(huán)境下進行受力分析，仿真過程中，使用的模型參數根據實際參數進行設置，如表1所示。

表1 材料模型參數

2.1 傳感器固支梁的仿真

針對傳感器固支梁在高溫環(huán)境下的應力變化，建立固支梁的有限元模型，施加200 ℃的溫度沖擊。梁的兩端固定，有限元模型及仿真結果如圖4所示。

(a)施加溫度沖擊后的應力云圖

(b)施加溫度沖擊后的位移圖圖4 對梁施加溫度沖擊仿真結果圖

路徑的選取如圖5(a)所示，分析梁上受到的熱應力、應變分布，結果如圖5(b)和圖5(c)所示。

根據圖5分析得到，在溫度沖擊下，兩端固定的固支梁受到的X徑向熱應力在兩端較大，并方向相反，表現(xiàn)為拉應力及壓應力，在這兩種應力作用下，固支梁容易發(fā)生彎曲。同時，固支梁所受到的等效熱應變USUM在梁的兩端應變值較大，梁根部區(qū)域受到的應力最大，因此結構梁是最可能失效的部位，同時這個區(qū)域也是加速度傳感器壓敏電阻的布置區(qū)域。因此，溫度沖擊作用下，容易造成高g加速度傳感器壓敏電阻阻值的變化，造成傳感器的零位漂移。

2.2 電路板的仿真

對電路板模型施加200 ℃的溫度沖擊，研究溫度沖擊下，電路板中芯片的受力情況，建立的有限元模型如圖6所示。使用的模型考慮了電路板、焊錫節(jié)點、芯片等細節(jié)，在建立過程中只考慮外形較大的芯片，外形較小型的電壓轉化芯片等不予考慮，在器件側采用SMD(solder mask design)結構，在電路板側為NSMD(non-solder mask design)結構。

(a)路徑的選取

(b)應力分布

(c) 應變分布圖5 固支梁上的路徑分析

(a)熱應力在電路板內的傳播云圖

(b)電路板有限單元沿Z方向位移圖圖6 電路板仿真結果

通過圖6(a)可以看到熱應力在電路板內部的傳播，沿芯片上表面取9個單元點進行分析發(fā)現(xiàn)，左面4個單元點的變形為正向變形，而右面5個單元為負向變形，由此判斷，芯片中間的剪切應力最大，容易發(fā)生斷裂。

3 高溫試驗

選取5個傳感器進行試驗，采用高低溫箱對傳感器進行高溫步進試驗，并對傳感器的功能和性能測試。初始溫度值設置為60 ℃，步長為10 ℃，在每個溫度值處最少保持10 min，然后測量傳感器的電氣參數，試驗直至被測產品輸出異常，之后，降低溫度值穩(wěn)定后再次測試，如能恢復正常，則此時溫度值為傳感器的工作極限，如不能恢復，則為破壞極限。

高溫試驗的剖面圖如圖7所示。使用阻抗分析儀及高精度萬用表分別記錄壓敏電阻的阻值和傳感器的輸出電壓值。壓敏電阻隨溫度的變化和在各溫度應力下輸出電壓如表2、表3所示。對壓敏電阻和輸出電壓值進行擬合，擬合結果如圖8所示。當試驗溫度從60 ℃上升至150 ℃時，發(fā)現(xiàn)加速度傳感器的壓敏電阻阻值發(fā)生嚴重漂移，最大漂移值為500 Ω。壓敏電阻的漂移造成輸出電壓的偏差，隨著溫度的升高，電壓輸出值逐漸增大，并在溫度高達150 ℃時，5個傳感器輸出均出現(xiàn)異常。

圖7 對傳感器施加的溫度剖面

表2 壓敏電阻隨溫度的變化

試驗結果表明，在溫度為150 ℃時，高g值加速度計的輸出出現(xiàn)異常，降低溫度至140 ℃時重新測試，傳感器輸出可恢復正常，將溫度恢復至150 ℃時進行復測，傳感器輸出仍然異常，因此，傳感器的工作極限為150 ℃。將測試溫度提升至160 ℃，傳感器輸出異常，當恢復到140 ℃時，傳感器輸出仍舊異常，因此，判定傳感器的破壞極限為160 ℃。對輸出異常的傳感器進行分析，出現(xiàn)異常的主要原因有：固支梁在150 ℃時產生位移或者變形，使得傳感器發(fā)生失效；壓敏電阻的阻值在150 ℃左右受溫度影響發(fā)生嚴重的漂移；在溫度為150 ℃時電路板在溫度沖擊下發(fā)生分層，無法測得有效數據。

表3 輸出電壓隨溫度的變化

(a)傳感器壓敏電阻的阻值變化

(b)傳感器在高溫步進試驗下的輸出結果圖8 壓敏電阻和輸出電壓擬合結果

4 結束語

本文分析了高溫對高量程加速度傳感器的影響，并建立數學模型分析失效機理，對失效的傳感器進行研究。通過建模仿真了傳感器在高溫環(huán)境下的結構響應，并對傳感器進行試驗，發(fā)現(xiàn)該傳感的工作極限為150 ℃，通過理論分析、仿真計算和試驗驗證，傳感器在高溫環(huán)境下失效的原因有：高溫導致固支梁的翹曲或變形，壓敏電阻的變化導致傳感器輸出漂移甚至輸出失效，測量電路板扭曲或者導電層的分離。本文只考慮了高溫環(huán)境單純作用于懸臂梁、壓敏電阻和電路板，它們相互之間的耦合還需后續(xù)進行研究。

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[6] LIU J,SHI Y B,TANG J.Experimental study on the package of high-g accelerometer.Sensors and Actuators A:Physical,2012,173(1):1-8.

Failure Research of High Range Piezoresistive Accelerometer Under High Temperature

LI Jian-yi,ZHU Jie ,WANG Jing

(Department of Computer Science and Engineering，North China Institute of Aerospace Engineering,Langfang 065000，China)

For the failure problem of high range piezoresistive accelerometer under the environment of high temperature,the influence of high temperature on high range accelerometer was analyzed.It was concluded that the failure mode was that high temperature caused the clamped beam warping or deformation,the temperature variation caused the change of the pressure sensitive resistance and failure output,and measurement circuit board became distorted or separated of the conductive layer at high temperatures.Then,clamped beam and circuit boards were simulated by ANSYS，and the dynamic response of the structure of the modules in the temperature of 200 ℃ under impact were got through high temperature step stress test,work limit of the sensor is 150 ℃ and destroy limit is 160 ℃.

high range accelerometer;high temperature;pressure sensitive resistance；sensor structure；clamped beam；failure research

2014-12-18

TP212

A

1002-1841(2015)04-0004-04

李建義(1974—)，副教授，碩士，主要研究領域：嵌入式、物聯(lián)網。E-mail：987694165@qq.com。