高量程加速度傳感器在測試中的失效分析*

張 賀，石云波，2* ，唐 軍，趙 銳，2，劉 俊，2

(1.中北大學電子測試國家重點實驗室，太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051)

高g值加速度傳感器可用于各種導彈侵徹混凝土目標、侵徹航母鋼板跑道等侵徹過程的動態參數測試，也可用于大當量沖擊波場爆炸威力的評估測試，為該系列武器的攻擊性能研究提供有效的測試數據和技術支持［1］。因此，該類傳感器以及由此構成的MEMS系統的研究，對加強我國的國防建設和航空航天事業具有重大的意義。高g值加速度傳感器應用于高沖擊環境，測試傳感器在高沖擊載荷下的性能及分析失效機理已經成為高g值加速度傳感器研究中重要一個方面。

1 高量程加速度傳感器

本文用于測試的高量程加速度傳感器的量程為150 000gn，抗過載能力200 000gn。傳感器的整體結構為梁島型，將芯片封裝到不銹鋼管殼內并用環氧進行灌封，封裝好的傳感器如圖1所示。

圖1 封裝完成的高g加速度傳感器

2 實驗室測試時傳感器失效分析

利用Hopkinson桿測試裝置對高g加速度傳感器進行沖擊測試，測試裝置如圖2所示，主要由Hopkinson桿、多普勒激光干涉儀、動態信號分析儀組成。Hopkinson桿測試傳感器的方法是，將被測微加速度計芯片安裝在Hopkinson桿的尾部，壓縮空氣發射子彈，同軸撞擊 Hopkinson桿的起始端，將會在Hopkinson桿中產生近似半正弦的壓應變脈沖，并沿Hopkinson桿縱向傳播，沖擊過程中的激光多普勒干涉信號經解算，可以得到沖擊速度曲線，將沖擊速度曲線微分，可以得到沖擊加速度曲線，在此加速度傳感器的激勵下，加速度傳感器輸出電壓信號［2－4］。

本次測試共有傳感器5支，測試完成后有3支傳感器完好，2支出現失效。其中失效的傳感器測試結果如表1、2所示。

表1 1#傳感器測試結果

表2 3#傳感器測試結果

2支傳感器失效原因傳感器芯片結構中的微梁發生斷裂、引線脫落，如圖3、圖4所示。

圖3 傳感器微梁斷裂

圖4 傳感器鍵合引線脫落

對結構進行力學分析［5－9］，得到梁根部或端部所受到的最大應力為:式中涉及到的參數分別代表:a2為梁長，b2為梁寬，h2為梁厚，為質量塊質量，a為加速度。

根據式(1)可以計算當沖擊的峰值加速度為243 658.2g時梁的根部受到的應力值。發現并沒有超過硅材料的斷裂強度7 GPa。由此可以說明重復性沖擊加速了硅材料的疲勞損傷，降低了材料的強度。

傳感器上的微電路是通過濺射鋁形成的，而采用的鍵合引線是金，不同材料間的粘結強度不是很強，造成傳感器在受到沖擊時發生引線脫落。

3 實彈侵徹中傳感器失效分析

在雙層鋼靶侵徹測試中采用152 mm口徑的滑膛炮，炮口與靶板的距離為120 m，兩層靶板間的距離為3.2 m，測試現場效果圖如圖5所示。

圖5 測試現場效果圖

測試中彈體侵徹兩層鋼靶板，如圖6所示，靶板參數如表3所示。裝配好的記錄器及傳感器的實際安裝如圖7所示。在侵徹中測試到了炮彈在膛內的加速信息，彈體侵徹兩層鋼靶板時的過載信息，如圖8所示。

圖6 鋼靶板

圖7 安裝傳感器的彈體

圖8

從存儲器中讀出的侵徹測試數據［10－11］經過處理后得到測試結果如表3所示。

表3 侵徹測試結果

為使分析簡單化，把炮彈簡化為兩端自由的等直桿，其長度等于炮彈除去其錐形頭部后余下的長度。根據桿縱向振動理論，求得炮彈的自由振動頻率為

其中l炮彈的等效長度，ρ炮彈的密度，E炮彈的楊氏模量。

用振型疊加法可求得炮彈中傳感器受到的加速度響應，整個響應分兩個階段，在沖擊力作用時間內的響應稱主響應，在沖擊力結束后的響應稱余響應［12］。余響應幅值可表示為:

其中τ沖擊信號的脈寬。

在上述分析中忽略了阻尼，由于實際試驗中不可避免地存在阻尼。在小阻尼情況下，幅值Ai仍可用式(3)計算。

分析得出，侵徹第一層靶板有效加速度值為81 078gn，脈寬 175 μs，通過式(2)、式(3)計算傳感器侵徹第一層鋼靶板得到余響應的部分幅值如表4所示。

表4 余響應幅值 單位：g

所設計的傳感器抗過載能力為200 000gn，傳感器在侵徹第一層鋼靶板時不會失效。

由此可以看出一個剛度較大的結構對脈寬較小的脈沖力的加速度余響應中，高頻分量的幅值很大。

炮彈侵徹第二層鋼靶板時發生失效，失效的傳感器如圖9所示。

圖9 失效傳感器

從侵徹數據中可以看到，炮彈在侵徹第二層鋼靶板的同時，傳感器已經失效，這說明在侵徹第一層鋼靶板時由于高頻信號產生的共振產生的總余響應的幅值是一系列余響應幅值的和，使傳感器已達到承受的最大過載，并且發生的損傷，造成炮彈與第二層鋼靶板撞擊的同時傳感器無法再承受高過載而發生結構斷裂。

4 結論

本文通過在實驗室環境、實彈測試環境下測試傳感器，并對其失效進行分析得到以下結論:

(1)在實驗室沖擊環境下的主要失效模式為鍵合引線的脫落和微梁的斷裂。主要原因是，加速度傳感器上的微電路是通過濺射鋁形成的，而采用的鍵合引線是金，不同材料間的粘結強度不是很強，若采用鋁引線將明顯提高鍵合強度;重復性的沖擊加速了材料的疲勞，導致沖擊應力還沒有超過其斷裂強度，加速度傳感器的梁就發生了斷裂。

(2)在實彈測試環境下傳感器在侵徹測試中失效的主要原因是與侵徹信號中高頻分量發生共振導致過載增大，傳感器芯片上的微結構位移失控，造成傳感器結構斷裂。

通過對不同測試環境下傳感器失效機理進行分析，對提高高量程加速度傳感器在測試中的可靠性有實際的參考價值，為傳感器的進一步研究打下了基礎。

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