MEMS高g加速度傳感器高過載能力的優(yōu)化分析

杜 彬

(1.太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

科技的高速進(jìn)步，伴隨著核武器等技術(shù)的日新月異的發(fā)展，引信及點火技術(shù)應(yīng)用于各類核武器彈藥的制造中。并且對該技術(shù)的安全性提出了較高的要求，比如外形小巧、成本低廉等。MEMS技術(shù)的全稱是微機電系統(tǒng)技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用能夠滿足核武器等研究的要求，因此MEMS技術(shù)在國內(nèi)與國外都受到了廣泛的關(guān)注。而MEMS高過載加速度傳感器是MEMS技術(shù)在引信侵徹過程慣性測試與控制的重要組成部分。關(guān)于MEMS高過載加速度傳感器的研究結(jié)論和應(yīng)用必將會極大促進(jìn)多個類型攻擊性武器的設(shè)計和開發(fā)。

1 加速度傳感器

加速度傳感器的主要功能是對加速度值的測試和分析。通常由質(zhì)量模塊、阻尼系統(tǒng)、彈性系統(tǒng)、感應(yīng)器和電橋模塊等部分組成。在傳感器在測試過程中，通過監(jiān)視質(zhì)量模塊所受慣性力，利用牛頓第二定律即可計算出加速度值。按照傳感器感應(yīng)器件的類型，可以把加速度傳感器分為壓電式、電感式、應(yīng)變式、壓阻式、電容式等幾個類別。MEMS高g加速度傳感器是引信技術(shù)研究中的關(guān)鍵技術(shù)之一，MEMS高g加速度傳感器能夠優(yōu)化當(dāng)前武器研究領(lǐng)域中的問題，滿足現(xiàn)代化社會研究對武器的需求，因此MEMS高g加速度傳感器中MEMS技術(shù)在軍事領(lǐng)域中具有非常高的研究價值，在使用中具有較高的安全性[1]。

2 壓阻式加速度傳感器的實用性分析

加速度傳感器的種類非常多，可以分為壓電式傳感器、電容式傳感器和壓阻式傳感器等，而壓阻式加速度傳感器又可以分為系統(tǒng)反饋和導(dǎo)航儀器兩種。系統(tǒng)反饋型壓阻式加速度傳感器是用于控制系統(tǒng)來反饋加速度信號，導(dǎo)航儀器型壓阻式加速度傳感器則是用來監(jiān)視導(dǎo)航儀器的加速度[2]。

基于對加速度傳感器的研究，我們對比了壓電式傳感器、電容式傳感器以及壓阻式傳感器三者之間的性能。首先是壓電式傳感器，其敏感原理是電荷參數(shù)，處理信號的電路屬于電荷放大器，具有較好的線性度以及較寬的頻響范圍，與其他加速度傳感器相比，具有較高的工藝穩(wěn)定以及反應(yīng)速度快的優(yōu)點，但是不適用于連續(xù)測試中，因為其信號處理電路復(fù)雜。第二個是電容式傳感器，該傳感器的敏感原理是電容參數(shù)敏感，信號處理電路屬于高靈敏度的開關(guān)電容，與其他傳感器相比，其線性度較差，頻響范圍比較寬，其優(yōu)點是精準(zhǔn)度比較高，容易集成，成本低，使用過程中功耗也比較低，受外界溫差影響程度比較低，但是與電壓式傳感器具有相似的缺點，就是信號處理電路比較復(fù)雜。第三個是壓阻式加速度傳感器，該傳感器敏感源屬于電阻敏感參數(shù)，簡單的電阻電路，具有良好的線性度，與其他加速度傳感器相比，具有比較窄的頻響范圍，缺點是受外界溫度影響比較大，所以在使用時，需要處于規(guī)定的溫差范圍內(nèi)。壓阻式加速度傳感器具有工藝穩(wěn)定、信號較強等優(yōu)點[3]。

通過對壓電式傳感器、電容式傳感器以及壓阻式傳感器的多方面對比，我們可以得出：壓阻加速度傳感器具有相對較高的可靠性、成熟的生產(chǎn)工藝、快捷方便的模擬仿真實驗等優(yōu)點，因此本設(shè)計通過對各類型傳感器優(yōu)缺點的比較，最終選擇壓阻式加速度傳感器作為研究對象。

3 力學(xué)模型的構(gòu)建

3.1 結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析

通過上文對加速度傳感器的分析，我們確定將壓阻式加速度傳感器作為研究對象，接著我們根據(jù)壓阻式加速度傳感器進(jìn)行力學(xué)模型的構(gòu)建，首先對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進(jìn)行分析。MEMS高g加速度傳感器具有較快的反應(yīng)速率，并且有固有頻率、阻尼等，由此可見該結(jié)構(gòu)在大小方面相互影響，為了優(yōu)化其高過載能力，在結(jié)構(gòu)中，我們確保良好的工藝，其最大應(yīng)力為340 MPa，固有頻率最低為250 kHz，其阻尼比為0.707[4]。

3.2 頻率分析

MEMS高g加速度傳感器具有固有頻率，如圖1所示，設(shè)y0為中間點的撓度，然后計算最低頻率。

圖1 結(jié)構(gòu)的彎曲振動圖

在圖1中，y0中間節(jié)點，y為x的固定撓度，在計算MEMS高g加速度傳感器最低頻率時，可以采用Rayleigh方法。

3.3 阻尼分析

在EMES設(shè)計中，阻尼與頻率息息相關(guān)，我們對機械設(shè)備、武器等的要求是外形小巧，而外形變小后，空氣阻尼會發(fā)生變化，因此在靈敏度較高的傳感器中，阻尼的數(shù)值會對固定頻率產(chǎn)生一定的影響。通過數(shù)據(jù)分析，我們發(fā)現(xiàn)隨著設(shè)備尺寸的降低，頻率與阻尼的比率會逐漸增加。在設(shè)置實驗中，阻尼為0.707是最佳數(shù)值，因此在進(jìn)行優(yōu)化MEMS高g加速度傳感器的研究中，我們可以將阻尼設(shè)置到最佳數(shù)值，使實驗研究更加順暢。空氣與阻尼之間的模擬圖如圖2所示。

圖2 阻尼模擬圖

4 仿真實驗

在 MEMS高 g加速度傳感器高過載能力的優(yōu)化分析中，由于其具有較高的靈敏性，為了使仿真實驗數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，不受外界條件干擾，我們將頻率、阻尼等設(shè)置為最佳值，然后進(jìn)行仿真模擬實驗。

4.1 靜態(tài)仿真

高g加速度傳感器的結(jié)構(gòu)普遍容易出現(xiàn)頂端或者根端斷裂的情況，我們將傳感器在150 000 g作用下進(jìn)行研究。然后對MEMS高g加速度傳感器高過載能力進(jìn)行分析，并且做了靜態(tài)仿真實驗，據(jù)實驗分析可知，傳感器的高過載能力原理如圖3所示。

圖3 高過載能力原理圖

靜態(tài)仿真模擬的目的是用于求解靜力載荷作用下結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力等，因此靜態(tài)仿真中，我們主要針對在150 000 g～200 000 g應(yīng)力分布結(jié)果。分析結(jié)果為應(yīng)力達(dá)到3 470 000 g時，發(fā)生形變，因此完全能夠抵抗住200 000 g的應(yīng)力。

4.2 模態(tài)仿真

模態(tài)仿真與靜態(tài)仿真的實驗方法相似，根據(jù)平面圖形進(jìn)行模擬，在計算中，我們將其前六個階段以圖形的形式展現(xiàn)出來，如圖4所示。

圖4 前六階段模態(tài)圖

在MEMS高過載加速度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中以及模態(tài)仿真中，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率靠近固有頻率，容易引起共振，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞，因此我們應(yīng)該計算出加速器的固有頻率，在使用時，避開其固有頻率。

5 總結(jié)

綜上所述，本文通過MEMS高g加速度傳感器的分析，構(gòu)建了相應(yīng)的模型，并且對MEMS高g加速度傳感器進(jìn)行了靜態(tài)仿真實驗與模擬仿真實驗，實驗表明，MEMS高g加速度傳感器適用于當(dāng)代軍事領(lǐng)域，與其他加速度傳感器相比較，MEMS高g加速度傳感器具有較高的實用性、可靠性以及安全性，且對于傳統(tǒng)的引線技術(shù)等進(jìn)行了有效的優(yōu)化，我國未來軍事領(lǐng)域中核武器的研究、武器爆炸監(jiān)測等工作都可以通過MEMS高g加速度傳感器技術(shù)來完成。