高靈敏度蝶翼式微加速度計抗跌落性能分析與試驗

單 恒， 侯占強, 肖定邦， 虢曉雙， 曾承志， 吳學(xué)忠

(1.國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073； 2.湖南天羿領(lǐng)航科技有限公司，湖南 長沙 410100；3.唐智科技湖南發(fā)展有限公司，湖南 長沙 410007)

0 引 言

微加速度計具有體積小、成本低、便于集成等突出優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于車輛、無人機、智能手持設(shè)備等軍事和民用領(lǐng)域[1,2]。應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，特別是軍事領(lǐng)域，不僅要求高精度，同時也對微加速度計抗沖擊性能提出了更高的要求。

蝶翼式微加速度計是一種雙差分扭擺式電容檢測微加速度計[3]，采用全硅結(jié)構(gòu)，通過干法刻蝕制備。雙差分模式最大的優(yōu)點是能夠通過差分有效減小機械熱噪聲，減小制造誤差影響，提高檢測靈敏度。跌落沖擊試驗是檢驗微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)器件常用的方法，為更加清楚微加速度計敏感結(jié)構(gòu)在跌落沖擊中的受力問題。

本文通過靜力和跌落沖擊理論分析和試驗，闡明跌落沖擊對結(jié)構(gòu)的破壞性影響，為高靈敏度蝶翼式加速度計抗沖擊性能設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 工作原理

蝶翼式微加速度計敏感結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)采用內(nèi)置錨點，可等效為雙端固支結(jié)構(gòu)形式[3,4]。m1-m3和m3-m4組成兩對質(zhì)量塊組，每組質(zhì)量塊均由鋼性力臂與梁連接，且m1=m4>m2=m3，且梁到質(zhì)量塊的力臂均相等，設(shè)為Lm。設(shè)梁長為L，兩對質(zhì)量塊組力臂到固定端的距離分別為L/4。

圖1 蝶翼式敏感結(jié)構(gòu)及簡化模型

蝶翼式微加速度計敏感結(jié)構(gòu)工作原理如圖2所示，A和D為錨點，E1-E4為電容檢測電極，分別與質(zhì)量塊m1-m4對應(yīng)，組成四對電容。當(dāng)有大小為a的加速度輸入時，m1和m4向上運動，m2和m3向下運動，從而導(dǎo)致電容產(chǎn)生變化。

圖2 蝶翼式結(jié)構(gòu)工作模態(tài)

電容變化通過信號電路轉(zhuǎn)換為輸出電壓，通過測量電壓就可以得到輸入加速度大小[5]。信號檢測電路如圖3所示。

圖3 蝶翼式微加速度計檢測電路

2 靜力學(xué)仿真分析

蝶翼式微加速度計敏感結(jié)構(gòu)X,Y,Z三個軸向受力時的運動及對應(yīng)的模態(tài)頻率如圖4所示。

圖4 XYZ三個軸向受力時的運動效果

采用COMSOL對蝶翼式微加速度計敏感結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進行了仿真分析，靜態(tài)1～10 000gn下的最大應(yīng)力如圖5所示。

圖5 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)0～10 000 gn靜態(tài)體最大應(yīng)力

3 跌落受力分析

跌落時的受力為動載荷，一般情況下，以半正弦波來表示，其表達(dá)示為

(1)

式中θ值為π/t0；t0脈沖寬度(s)；a0為加度峰值(m/s2)。則XYZ三個軸向受力時的微分方程矩陣為

(2)

解式(2)，XYZ三個軸向可有統(tǒng)一形式的通解[6]。當(dāng)初速度為v0，初位移為y0時，結(jié)構(gòu)總位移(角度)為

(3)

式中B1和B2為

對于ASQ700跌落沖擊試驗機，加速度峰值、脈沖寬度、跌落高度及初速度如表1所示[7]。

表1 跌落沖擊相關(guān)參數(shù)

將結(jié)構(gòu)三個軸向運動模態(tài)的頻率、初始位移、初始速度及半正弦波頻率和峰值代入式(3)中，計算出沖擊時的最大位移ymax，再與同峰值加速度時靜態(tài)位移yst相比，可計算出放大系數(shù)[8]，放大系數(shù)μ可表示為

μ=ymax/yst

(4)

放大系數(shù)與靜態(tài)應(yīng)力相乘可計算出沖擊時的應(yīng)力。結(jié)構(gòu)在100～500gn沖擊時放大系數(shù)和體最大應(yīng)力如圖6所示。

圖6 跌落沖擊時的放大系數(shù)和體最大應(yīng)力

4 靜力實驗與跌落試驗

4.1 靜力試驗

靜力測試的目的是驗證結(jié)構(gòu)的斷裂強度。測試用的樣品如圖7所示，通過在結(jié)構(gòu)Z軸向施加一定的位移，觀察結(jié)構(gòu)的損壞情況。

圖7 敏感結(jié)構(gòu)與外圍框架尺寸關(guān)系

靜力試驗裝置為FT—MTA02微力測試系統(tǒng)，如圖8所示，測試時，將探針對準(zhǔn)敏感結(jié)構(gòu)質(zhì)量塊邊緣。實際測試過程中，探針向下位移達(dá)到70 μm時，作用力達(dá)到系統(tǒng)極限。測試得到的位移與力之間的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖8 FT—MTA02微力測試

圖9 微力測試位移與力的曲線圖

利用COMSOL軟件真質(zhì)量塊邊緣位移為70 μm時結(jié)構(gòu)應(yīng)力，如圖10所示，最大體應(yīng)力為1.77 GPa，最大應(yīng)力處在梁與錨點連接處。

圖10 質(zhì)量塊邊緣位移70 μm應(yīng)力分布

由于設(shè)備具有受力保護功能，無法通過增加位移的方法使結(jié)構(gòu)達(dá)到斷裂極限，但通過試驗證明該結(jié)構(gòu)斷裂極限大于1.77 GPa。

4.2 跌落試驗

跌落實驗使用ASQ700跌落沖擊試驗機，如圖11所示，沖擊試驗臺通過控制沖擊臺的高度和墊層厚度來控制加速度的峰值[7]。

圖11 ASQ700跌落沖擊試驗機

為使一次沖擊能夠測驗結(jié)構(gòu)三個方向的沖擊，將樣品按照圖11所示方式固定在頂端為立方體結(jié)構(gòu)的螺絲上。然后將螺絲固定在樣品安裝臺上。

根據(jù)跌落沖擊理論分析，沖擊試驗初始值不能太大。本次試驗從100gn開始沖擊，直至結(jié)構(gòu)損壞為止，每個量級沖擊3次，每個方向選用3個樣品。加速度峰值和脈寬設(shè)定及跌落高度以表1中的為參考。沖擊試驗結(jié)果如表2所示。

表2 跌落實驗損壞情況統(tǒng)計表

結(jié)構(gòu)的斷裂點與靜態(tài)仿真中的應(yīng)力最大點一致，均在梁與錨點連接處，斷裂效果如圖12所示。斷裂后的敏感結(jié)構(gòu)質(zhì)量塊基本完整的掉落。

圖12 結(jié)構(gòu)損壞情況和梁在錨點處斷裂效果

如圖7所示，Z軸與基底之間僅有140 μm，兩質(zhì)量塊之間距僅有100 μm。從表3中可知，Z軸向的沖擊結(jié)構(gòu)每次沖擊都會碰撞到基底，X軸向的沖擊結(jié)構(gòu)兩個質(zhì)量塊每次都會發(fā)生碰撞。對照圖1中Y軸的應(yīng)力曲線可知，Y軸在300gn沖擊時應(yīng)力為6.5 GPa，而Y軸在300gn沖擊時全部損壞，可證明該結(jié)構(gòu)梁的斷裂極限約為6.5 GPa。X軸和Z軸在300gn沖擊時并未達(dá)到6.5GPa，說明X軸和Z軸沖擊時的結(jié)構(gòu)損壞主要由碰撞所引起。

表3 X軸向和Z軸向跌落時敏感結(jié)構(gòu)的碰撞速度

根據(jù)跌落受力分析，300gn跌落沖擊時，Y軸應(yīng)力最大為6.5 GPa，根據(jù)表2中試驗結(jié)果可認(rèn)為梁的斷裂極限約為6.5 GPa，而X軸和Z軸在300gn沖擊時并未達(dá)到6.5 GPa，說明X軸和Z軸沖擊時的結(jié)構(gòu)損壞主要由碰撞所引起。

5 結(jié) 論

本文通過對蝶翼式敏感結(jié)構(gòu)靜態(tài)仿真與跌落沖擊受力進行理論分析，建立了跌落沖擊數(shù)學(xué)模型，最后通過靜力試驗和跌落沖擊實驗證明了理論分析的正確性。通過理論計算與試驗對比分析，證明跌落初速度是決定結(jié)構(gòu)沖擊應(yīng)力大小的關(guān)鍵。依據(jù)斷裂極限接近7 GPa[9]判斷，Y軸向沖擊下結(jié)構(gòu)斷裂由位移過大導(dǎo)致，X軸向和Z軸向沖擊下結(jié)構(gòu)斷裂由碰撞導(dǎo)致。本文對研究微結(jié)構(gòu)跌落沖擊和如何提高微結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能具有一定的指導(dǎo)意義。