高沖擊加速度傳感器發展現狀及趨勢

李科杰，何 昫，張振海，林 然，李治清

（北京理工大學，北京 100081）

0 引言

現代高技術戰爭中，硬目標侵徹武器已日益發揮著重大作用。研制可用于侵徹武器精確炸點控制的高沖擊加速度傳感器是我國兵器實驗與測試領域亟待解決的難題，單軸高沖擊加速度傳感器技術較成熟，采用MEMS技術設計的產品具有高度集成化、微型化、智能化的特點，且可靠性較高、成本低［1］。高沖擊加速度傳感器的類型主要有壓阻式、壓電式、電容式和熱對流式。這幾種類型傳感器成為高沖擊加速度傳感器研發的主要方向。

國外開展對高沖擊加速度傳感器的研究較早，技術相對成熟，單軸加速度傳感器量程最高可達200 000 g［2］。國內此項研究工作雖開展較晚，但在上世紀90年代也已自主研發出高量程單軸加速度傳感器，為進一步研究三軸高沖擊加速度傳感器奠定了重要的基礎。本文著重對各類高沖擊加速度傳感器的優缺點進行分析，為硬目標侵徹武器相關研究提供參考。

1 壓阻式高沖擊加速度傳感器

半導體材料受到外力或內力作用時，其電阻率發生變化的現象稱為壓阻效應。壓阻式高沖擊加速度傳感器，主要是以硅壓阻效應為理論基礎，采用體硅加工工藝和集成電路平面工藝制成，通過力敏電阻構成的惠斯通電橋感測加速度變化［3］。主要工藝流程包括：選片—化學清洗—一次氧化—一次光刻—濃硼注入—濃硼主擴散—二次光刻—淡硼注入—淡硼主擴散—三次光刻—真空蒸鋁或蒸金—四次光刻—合金化—五次光刻—深反應離子刻蝕—劃片。

國外典型的壓阻式高沖擊加速度傳感器如下：

加拿大Alberta微電子中心研制成功一種硅壓阻式加速度傳感器，采用懸臂梁式結構，敏感元件如圖1所示，量程達到10萬g，固有頻率高于100 kHz，靈敏度為0.702μV／g。核心元件由硅微機械加工工藝制作，在一塊3英寸大小的硅材料雙面剖光的P型晶圓上，異向外延生長一層厚度為4μm厚的N型硅薄膜，腐蝕掉P型硅后生成的單端懸臂梁結構，利用雙面光刻掩模在懸臂梁上形成4個電阻，構成惠斯通電橋［4］。這款傳感器的特點在于：敏感元件沒有質量塊，整體作為慣性結構，受力產生形變，從而簡化了制作工藝，提高了傳感器的頻響。

圖1 傳感器敏感元件結構示意圖Fig.1 The sensor sensitive element structure

美國ENDEVCO公司生產的7270A系列壓阻式加速度傳感器［5］，其中7270A－200K量程達到20萬g，諧振頻率1.2MHz，敏感單元結構如圖2所示。該系列傳感器兩側采用單端懸臂梁的整體式結構，利用微機械加工技術，在1mm×1mm尺寸的單晶硅片上制作梁與質量塊，并在單晶硅表面制作壓阻力敏電阻，構成惠斯通全橋電路，進行加速度值測量。這款傳感器具有較好的線性度，固有頻率高，穩定性好。

圖2 7270A系列傳感器Fig.2The sensitive structure of 7270Aseries sensors

在一些高溫、強磁的條件下，需要特殊材料制作的加速度傳感器來應對特殊環境。美國NASA研制了單晶6H－SiC材料的壓阻式加速度傳感器，量程可達到10萬g［6］，并具有較高的固有頻率，靈敏度為343nV／g。由于這種傳感器采用合成材料6H－SiC，使其具有了抗高溫、抗磁場的效果，有很寬廣的應用前景，其芯片結構如圖3所示，圖中包含了掃描電鏡下的敏感元件結構圖以及沿著AA路徑的截面結構圖。

圖3 單晶6H－SiC壓阻式加速度傳感器Fig.3 The single crystal 6H－SiC piezoresistive accelerometer

國內科研機構和高校開展高沖擊加速度傳感器研究的包括：北京理工大學，中電十三所，中北大學，中科院上海微系統所，哈爾濱工業大學，合肥工業大學等。

上海微系統所研制的三梁雙島壓阻式高沖擊加速度傳感器，量程達到10萬g［7］，敏感芯片結構如圖4所示。

圖4 三梁雙島壓阻式高沖擊加速度傳感器Fig.4 The three beams－double islands piezoresistive high g accelerometer

中北大學研制了一種高量程壓阻式加速度傳感器，設計量程達到150 000 g［8］，傳感器芯片結構梁的寬度和方形質量塊寬度一致，壓阻對稱放置于四梁根部，利用KOH在質量塊背部開槽腐蝕，減少了質量塊的重量，獲得較高的固有頻率［9］，結構如圖5所示。北京理工大學研制成功壓阻式高沖擊加速度傳感器，達到國內最高量程，固有頻率可以達到400 kHz以上，性能穩定。

圖5 壓阻式高量程加速度傳感器Fig.5 The high g piezoresistive sensor

由上海微系統所等單位共同設計的單芯片集成壓阻式三軸高沖擊加速度傳感器［10］，核心元件如圖6所示。彈性敏感部分位于在核心硅片中間，用玻璃襯底和硅材質蓋板保護核心結構層，X、Y軸橫向沖擊測量部分采用帶微梁的三梁－質量塊結構，互相垂直布置；Z軸單元采用三梁雙島結構，所涉及這兩種結構均具有較高靈敏度和較高諧振頻率，且量程可達到10萬g。

圖6 單芯片集成三軸壓阻式高沖擊加速度傳感器Fig.6 The single－chip integrated tri－axis high g accelerometer

壓阻式高沖擊加速度傳感器結構和信號處理電路簡單，線性度好，量程大、制作工藝簡單，抗沖擊能力強。因此，壓阻式成為設計三軸高沖擊加速度傳感器的首選方式。但壓阻式傳感器也有一些不足之處，如受溫度影響較大等缺點。

2 壓電式高沖擊加速度傳感器

壓電式高沖擊加速度傳感器是以壓電效應為理論基礎，采用壓電材料制成用來測量加速度的傳感器。壓電效應是指當某種電介質受拉伸或壓縮形式的力后發生形變，由于內部電荷的極化，會在其表面產生電荷；壓電材料分為壓電單晶、壓電多晶和有機壓電材料等。常用的材料是屬于壓電多晶的各類壓電陶瓷和屬于壓電單晶的石英晶體。

國內主要壓電式高沖擊加速度傳感器研究成果如下：

兵器204所研制的988壓電式加速度傳感器，量程達到了10萬g，電荷靈敏度：0.7pc／g；幅值線性小于10%；最大橫向靈敏度小于10%；頻率響應達到25kHz。

北京理工大學研制了壓電薄膜壓縮型高沖擊加速度傳感器，量程20萬g［11］。

國內外對壓電式高沖擊加速度傳感器相關文獻較少。壓電式傳感器的特點在于輸出為電荷，需將其轉換成相應的電壓值，信號處理電路采用電荷放大器，電路輸入阻抗高，且零漂嚴重。壓電式傳感器的優點在于線性度好，頻率范圍較寬，結構簡單。

3 電容式高沖擊加速度傳感器

電容式高沖擊加速度傳感器原理是：加速度作用引起慣性質量塊與固定電極間相對位移發生變化，導致電容值的變化，通過測量電容的變化量測得被測加速度值。

國外電容式高沖擊加速度傳感器取得的成果包括：

美國Sandia國家實驗室利用表面微機械加工技術制作了一種硅微機械電容式加速度傳感器，該傳感器量程達到5萬g［12］，加速度計結構包括參考電容、敏感可變電容和L型支撐梁，材料采用多晶硅，通過測量參考電容與可變電容之間的差值得到對應加速度大小。頻率響應達到127kHz，阻尼系數為0.4。基本結構如圖7所示。

圖7 Sandia電容式加速度計敏感元件結構圖Fig.7 The capacitance acceleratometer structure

美國Draper實驗室研制了“蹺蹺板”電容扭擺式系列微硅加速度計［13］，原理圖如圖8所示。該系列傳感器的最大量程為10萬g。傳感器采用扭桿支撐平板結構，敏感質量塊相對扭桿支撐不對稱，從而引起慣性力矩也不同。信號源是平板與基片之間形成的一對差動電容，形變時產生變化量。當加速度垂直作用于平板時，質量塊將繞著支撐梁扭轉，平板傾斜，從而引起電容大小發生變化，相應的一對電容總是一個增大，一個減小，形成差動電容。測量電容值變化量即可得到沿著敏感軸方向的加速度值。

圖8 電容扭擺式加速度計敏感元件原理圖Fig.8 The schematic diagram of capacitance pendulous accelerometer

國內外電容式加速度傳感器微量程的產品很多，但滿足15～20萬g高量程的較少，原因在于高沖擊環境下，此類傳感器線性度較差，這一參數是傳感器非常重要的指標，直接影響測量數據的準確性，并且信號處理電路比較復雜，所以，采用電容原理設計高沖擊加速度傳感器有諸多不利之處。國內外也未有電容式三軸高沖擊加速度傳感器研究的相關報導。

4 熱對流式高沖擊加速度傳感器

熱對流式高沖擊加速度傳感器是以虛擬的“熱氣團”作為“質量塊”，在密閉腔體內添加熱源，使周邊空氣密度發生變化，通過溫度傳感器測量，由加速度引起的腔內溫度氣團位置變化來測量加速度值。

國內外取得的研究成果主要包括：

MEMSIC公司采用熱對流原理研制的MXA、MXD、MXR系列 MEMS加速度傳感器［14］，圖9為MEMSIC生產的單軸熱對流加速度傳感器，最高過載可達50 000 g。

圖9 MEMSIC研制的熱對流加速度傳感器Fig 9 MEMSIC convective accelerometer

中電十三所研制了量程達到50 000 g的熱對流式高沖擊加速度傳感器，結構如圖10所示［15］，它由單晶硅腔體、加熱器和兩支對稱溫度傳感器構成。加熱器加熱使周圍氣體溫度升高，密度變小。在重力加速度的作用下，腔體內的氣團位置發生變化，位于加熱器等距離位置安裝的溫度傳感器測量到溫度差，這一差值對應被測加速度值。

圖10 中電十三所熱對流式加速度傳感器Fig.10 CETC 13convective accelerometer

國內外選用熱對流原理設計加速度傳感器的技術相對成熟，部分單軸傳感器已產品化，量程也達到50 000 g。由于采用了虛擬的熱氣團作為“質量塊”，使這種傳感器具有良好的環境適應性和抗輻射、抗振動、抗沖擊能力，但150 000 g以上量程的研究成果還未見到，需要對結構以及原理進一步分析，爭取滿足侵徹武器使用的高量程需要。

5 關于三軸加速度傳感器的討論

綜上所述，目前國內外的單軸高沖擊加速度傳感器技術相對成熟，但三軸高沖擊加速度傳感器的研究還處于初級階段，研究成果如表1所示。高量程、低成本、可靠性好的三軸高沖擊加速度傳感器是侵徹武器精確炸點控制的關鍵，同時能夠為鉆地武器侵徹機理、武器侵徹性能、防護結構及防護材料、侵徹彈藥設計等方面的研究提供必要的測試手段和數據，因此大力開展三軸高沖擊加速度傳感器研究十分必要。

表1 國內外研究成果Tab.1 The research results of home and abroad

三軸高沖擊加速度傳感器主要采用壓阻式，結構方式有單芯片集成式和組合式兩類。

三軸高沖擊加速度傳感器的各項關鍵參數，如：量程、線性度、靈敏度、橫向靈敏度等，都會直接影響產品的性能。需要對整體結構進行仿真論證和實驗驗證，保證其在高沖擊加速度環境下不會發生結構失效，同時還需要結合材料力學，沖擊動力學等多學科知識來保證系統的穩定性。高沖擊加速度傳感器發展可以歸納為以下幾點：

1）對三軸高沖擊加速度傳感器的設計可借鑒單軸高沖擊加速度傳感器設計方法和理論，運用MEMS加工技術，研制量程高、可靠性好、線性度好、橫向靈敏度小的高沖擊三軸傳感器。

2）單芯片集成的三軸高沖擊加速度傳感器三軸向交叉耦合較大。采用單芯片非共用彈性單元的方式設計的三軸高沖擊加速度傳感器，減小了三軸軸間耦合，是一種較有效的方案。

3）采用芯片組合結構的三軸高沖擊加速度傳感器，由于芯片間相互獨立，大大減少了三軸間數據交叉耦合.

終上所述，開展高沖擊加速度傳感器研究，對于彈體侵徹目標的試驗研究，了解彈－目相互作用時的沖擊動力特性，以及改進軍事防御和武器彈藥的研制都具有十分重要的現實意義。

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