強電磁脈沖對硅微慣性傳感器的損傷效應研究

沈杰，潘緒超，方中，何勇，陳鴻，張江南，史云雷

(1.南京理工大學 智能彈藥技術國防重點學科實驗室, 江蘇 南京 210094;2.工業和信息化部電子第五研究所 質量安全檢測中心, 廣東 廣州 510610)

0 引言

隨著強電磁脈沖武器的實戰應用案例不斷出現，集成大量微機電系統傳感器的新型武器裝備如單兵外骨骼助力系統，在現代戰場環境中不僅面臨沖擊波的超壓沖擊、破片等動能毀傷元的高速侵徹和爆炸高溫場的威脅，而且將面臨強電磁脈沖場的嚴峻考驗[1-2]。慣性、位置、溫度、壓力等各類傳感器是單兵外骨骼助力系統中感知系統的主要組成部分，同時也成為強電磁脈沖的重要作用對象。

硅微慣性傳感器是典型的微機電系統，主要用于感知實時運動信息并反饋至控制系統，在單兵外骨骼助力系統中應用十分廣泛。在以高空核電磁脈沖(HEMP)為典型代表的強電磁脈沖環境中，電磁脈沖能量通過傳感器自身耦合和直連線纜耦合并傳導的方式進入傳感器內部[3]，對硅微慣性傳感器的電子元器件和物理走線形成高電壓、大電流瞬時沖擊，極易對硅微慣性傳感器造成暫態干擾和永久性物理損傷，影響外骨骼助力系統的正常運行。因此，研究強電磁脈沖對硅微慣性傳感器的損傷效應，對新型武器裝備的電磁易損性和電磁加固技術研究具有重要意義。

本文基于傳輸線理論模型，對慣性傳感器直連線纜在強電磁脈沖環境中耦合并傳導的強電脈沖進行理論分析；選取硅微慣性傳感器為典型目標，開展傳感器信號傳輸端口的強電脈沖注入試驗，獲得硅微慣性傳感器的電磁損傷閾值；確定硅微慣性傳感器在強電脈沖作用下的主要電磁易損器件，并分析相應器件的損傷模式。

1 慣性傳感器的電磁耦合分析

根據慣性傳感器在單兵外骨骼助力系統中的應用場景和本身結構特點，分析強電磁脈沖對傳感器的主要耦合路徑，并基于耦合理論進行分析，獲得慣性傳感器在強電磁脈沖環境下的耦合電脈沖參數。

1.1 電磁耦合路徑分析

隨著模塊化理念不斷加強，新型裝備系統的電源、控制和感知等各模塊通常分布于整體系統的不同位置[4]。在單兵外骨骼助力系統中，為保證下肢運動靈活性，其控制模塊與能源模塊位于腰部或背部位置，而各類傳感器分布于各運動關節、足底、肢體局部等部位[5]，實時感應包括位移、速度、加速度在內的各種位置和運動信息，并通過信號傳輸線傳輸至控制模塊，用于及時調整姿態和助力。

單兵外骨骼助力系統上應用的硅微慣性傳感器體積很小，且外部通常有金屬外殼[6-8]，如圖1所示。在金屬外殼的屏蔽作用下[9]，傳感器自身耦合的電磁能量很難達到損傷量級。

圖1 硅微慣性傳感器Fig.1 Micro-silicon inertial sensor

而單兵外骨骼助力系統中的各類線纜物理尺寸普遍較大，在強電磁脈沖環境中可通過廣義天線效應耦合電磁脈沖能量，傳導至慣性傳感器的信號輸出端口，成為引起傳感器電磁損傷的主導因素[10-13]。

傳感器通過信號傳輸線纜與控制模塊連接，這些線纜始于腰部或背部系統，沿機械骨架結構伸至各傳感器位置。連接硅微慣性傳感器與控制模塊的信號傳輸線纜典型分布狀態如圖2所示。

圖2 信號傳輸線纜的分布狀態Fig.2 Distribution of signal transmission cable

根據以上分析，確定信號傳輸線纜是慣性傳感器對強電磁脈沖的主要耦合路徑，其主要耦合方式為場線耦合。

1.2 場線耦合理論分析

信號傳輸線纜對電磁脈沖的場線耦合問題，可采用基于分布參數理論的傳輸線法進行理論分析[14-16]。將沿線纜導體切向入射的外部電場等效為傳輸線的分布電壓激勵源，以散射電壓和線電流作為微分變量，將場線耦合問題轉化為電磁散射問題，最終通過格林函數法進行理論計算。

根據Agrawal傳輸線模型[17]，建立場線耦合問題沿線纜方向(x軸方向)的微分方程組如下：

(1)

式中：Vs為散射電壓；ω為電磁波的角頻率；A為沿x軸正方向的線電流；Vt為所求線纜微元位置的入射電場切向分量；R、L、G和C分別為沿線纜單位長度的電阻、電感、電導和電容。

根據格林函數法，對(1)式依次推導非齊次通解和特解，最終獲得線電流和散射電壓的表達式為

A(x)=[B1+P(x)]e-αx+[B2+Q(x)]eαx，

(2)

Vs(x)=[B1+P(x)]Z0e-αx-[B2+Q(x)]Z0eαx，

(3)

式中：B1和B2為由邊界條件確定的參數；Z0為線纜對地的特性阻抗；P(x)和Q(x)為Vt關于線纜兩端的積分函數；

(4)

(5)

x1、x2分別為線纜始端和終端所在位置；α為線纜的傳輸常數，

(6)

對于無源線纜，線纜兩端電壓與電流滿足歐姆定律：

Vs(x1)=-A(x1)Z1，

(7)

Vs(x2)=A(x2)Z2，

(8)

式中：Z1、Z2為線纜兩端連接的負載阻抗。

引入線纜端部的反射系數β1、β2：

(9)

(10)

(9)式與(10)式代入(2)式進行計算，可確定參數B1和B2：

(11)

(12)

根據信號傳輸線纜的結構參數、端口阻抗和強電磁脈沖的波形參數，結合(1)式～(12)式，可理論計算獲得慣性傳感器在強電磁脈沖環境下的耦合電脈沖參數。

1.3 電磁耦合計算結果

連接慣性傳感器與控制模塊的信號傳輸線纜總長度為0.928 m，電導體材料為高導無氧銅，導體橫截面為1.5 mm2的標準圓面。標準控制模塊在線纜端口的等效阻抗Z1=50 Ω，典型硅微慣性傳感器在線纜端口的等效阻抗Z2=180 Ω.

單兵外骨骼助力系統在現代戰場環境中可能受到單個或多個連續電磁脈沖的作用，從而發生損傷現象。由于多個連續電磁脈沖對目標作用過程的復雜性，本文首先研究單個強電磁脈沖對外骨骼助力系統中硅微慣性傳感器及相關線纜的作用效果。

以標準HEMP作為外部環境中入射的強電磁脈沖[18]，電磁脈沖幅值為50 kV/m，上升沿為2.5 ns，下降時間為55.0 ns，半高寬為23.0 ns，能量密度為0.114 J/m2，其標準波形如圖3所示。

圖3 入射強電磁脈沖Fig.3 Incident electromagnetic pulse

根據(1)式～(12)式理論計算結果，信號傳輸線纜在70°極化角度狀態下，耦合產生并傳導至慣性傳感器信號傳輸端口的強電脈沖如圖4所示；信號傳輸線纜在不同極化角度λ狀態下，耦合的強電脈沖峰值如圖5所示。

圖4 70°極化角度下線纜耦合的強電脈沖波形Fig.4 Strong electric pulse waveform coupled by cable at 70° polarized angle

圖5 不同極化角度下的強電脈沖峰值Fig.5 Peaks of strong electric pulse at different polarization angles

信號傳輸線纜在HEMP環境中，耦合并傳導至硅微慣性傳感器端口的強電脈沖主脈寬約為12.0 ns，電壓脈沖峰值最大可達1.985 kV，電流脈沖峰值最大可達11.037 A，可造成傳感器中的精密放大器和電源控制芯片等易損元器件過流燒毀、相鄰引腳，或其他結構間介質高壓擊穿等局部損毀現象，進而引起傳感器外圍電路損壞區域持續惡性擴展，直至完全損壞。

為研究HEMP對典型硅微慣性傳感器的電磁損傷現象，可采用強電脈沖直接注入的試驗方法[19-20]，等效模擬線纜耦合的強電磁脈沖在端口的傳導情況，并分析硅微慣性傳感器的主要電磁損傷器件和電磁損傷閾值。

2 強電脈沖注入試驗與結果分析

基于理論分析結果，針對典型傳感器目標，選擇合適的強電脈沖注入試驗參數，模擬直連線纜耦合并傳導至傳感器的不同強度電脈沖，分析傳感器的輸出狀態和電磁損傷閾值。

2.1 試驗對象

在不考慮慣性傳感器自身直接耦合的電磁能量狀態下，為便于傳感器電磁損傷后的故障排查，選擇電容諧振式硅微慣性傳感器原理樣機作為強電脈沖注入的試驗對象。傳感器樣機為雙面電路板，其PCB設計結構如圖6所示。

圖6 硅微慣性傳感器原理樣機Fig.6 Prototype micro-silicon inertial sensor

傳感器樣機采用兩路并行的驅動信號放大電路和感應信號放大電路，共用電源控制電路和電容諧振式硅微慣性芯片工作電路，輸出2個加速度感應信號用于后續差分處理、消除共模干擾信號。傳感器樣機使用的元器件主要包括6個基于結型場效應晶體管的精密放大器、1個10 V精密基準電源管理集成模塊、1個電容諧振式硅微慣性芯片、若干個電容和電阻。

電容諧振式硅微慣性傳感器的工作過程如下：控制模塊通過信號傳輸線對傳感器發送頻率在(25±0.1)kHz范圍、幅值為10 mV的正弦周期信號作為驅動信號；驅動信號經放大電路處理后形成正負雙向驅動電壓；正負驅動電壓在電容諧振敏感器件內部形成靜電力驅動諧振結構工作；當驅動信號的頻率與諧振敏感器件的諧振頻率一致時，輸出的電流感應信號幅值達到最大值；諧振敏感器件的感應信號經過放大電路的放大處理后，將低幅值電流感應信號轉換為便于識別和傳輸的電壓感應信號，再通過信號傳輸線纜向控制模塊傳遞。

在零加速度狀態下，傳感器受不同頻率信號驅動時的輸出感應信號波形如圖7所示。由圖7可見，傳感器在24.954 kHz頻率的信號驅動下，迅速達到諧振狀態，輸出感應信號的幅值達到最大值。

圖7 不同頻率信號驅動下的感應信號波形Fig.7 Waveform of induced signal driven by different frequency signals

2.2 試驗方案

根據耦合理論計算結果，以脈寬為12.0 ns、電壓幅值Uo在數百至數千伏范圍的強電脈沖注入參數開展試驗研究，試驗布局如圖8所示。

圖8 強電脈沖注入試驗布局Fig.8 Layout of strong electric pulse injection experiment

在試驗過程中，使用信號發生器產生諧振驅動信號，使硅微慣性傳感器處于零加速度最佳諧振狀態后，對傳感器樣機的驅動信號傳輸端口進行以Uo為變量的多組強電脈沖注入試驗，每組試驗至少進行3次復現。為保護試驗儀器安全，在信號發生器輸出端設置脈沖隔離裝置。在傳感器的感應信號傳輸端口，通過高電壓與大電流探頭連接示波器，監測傳感器的輸出信號。現場試驗系統如圖9所示。

圖9 試驗系統Fig.9 Experimental system

驅動信號傳輸端口注入的強電脈沖典型波形如圖10所示，注入電壓峰值與電流峰值基本滿足(8)式關系。

圖10 注入強電脈沖典型波形Fig.10 Typical waveform of injected strong electric pulse

當強電脈沖注入傳感器端口時，若監測信號在發生明顯異常波動后可恢復正常狀態，則判定強電脈沖對硅微慣性傳感器造成暫態干擾作用；若監測信號在發生明顯異常波動后不可恢復正常狀態，則判定強電脈沖對硅微慣性傳感器造成永久物理損傷。

2.3 試驗結果

硅微慣性傳感器發生暫態干擾現象的典型監測信號如圖11所示，發生物理損傷現象的監測信號如圖12所示，其中ts為暫態干擾的起始時刻，te為暫態干擾的結束時刻，Umax為尖峰脈沖的幅值。

圖11 暫態電磁干擾信號Fig.11 Transient electromagnetic interference signal

圖12 物理損傷信號Fig.12 Physical damage signal

在強電脈沖Uo作用下，硅微慣性傳感器的感應信號傳輸端口產生幅值為Umax的尖峰脈沖，并對傳感器造成瞬態干擾或物理損傷。在干擾狀態下，內部元器件對干擾電磁信號產生了幅值約為10 V的單向限幅作用，并在干擾持續時間tw(tw=te-ts)內持續消耗電磁脈沖能量，直至傳感器恢復正常工作狀態。在物理損傷狀態下，感應信號傳輸端口輸出尖峰脈沖后并無大幅值異常信號持續輸出，表明注入的電脈沖能量在造成元器件物理損壞過程中基本消耗完畢。

在不同幅值Uo注入試驗條件下，尖峰脈沖幅值Umax的變化情況如圖13所示，干擾持續時間tw的變化情況如圖14所示。由圖13和圖14可見，隨著注入強電脈沖幅值Uo的上升，引起的尖峰脈沖幅值Umax不斷提高，干擾持續時間tw不斷延長，直至傳感器發生不可恢復性物理損傷。當注入脈沖電壓幅值為780 V、脈沖電流幅值為4.23 A的強電脈沖時，電容諧振式硅微慣性傳感器發生不可恢復性物理損傷，且在3次重復試驗中全部復現，由此確定傳感器的強電脈沖損傷閾值為780 V. 對比直連線纜電磁耦合理論計算結果(電壓脈沖峰值最大可達1.985 kV、電流脈沖峰值最大可達11.037 A)可知，直連線纜在HEMP環境中耦合并傳導至傳感器信號輸出端口的電脈沖能量，極易對硅微慣性傳感器造成物理損傷。

圖13 不同Uo條件下的Umax變化趨勢Fig.13 Variation trend of Umax under different input conditions of Uo

圖16 驅動信號放大電路Fig.16 Driving signal amplifier circuit

圖14 不同Uo條件下的tw變化曲線Fig.14 Variation trend of tw under different input conditions of Uo

3 傳感器損傷模式分析

根據各元器件的設計參數與功能，對強電脈沖注入試驗中已損壞的傳感器樣機，進行元器件級故障排查，在接地線路上發現不同程度的電流燒蝕現象，如圖15所示。分析后確定，驅動信號放大電路中的前端電容、驅動信號放大器和感應信號放大器已發生損壞，其余元器件無明顯異常現象。

圖15 接地線路上的電流燒蝕Fig.15 Current ablation on ground circuit

驅動信號放大電路如圖16所示。圖16中，U7為驅動信號放大器，C32為電容，R17、R18和R21為電阻，VD為輸入驅動信號，GND為接地端，VDA+和VDB-分別為放大后的正向、負向驅動電壓。

對元器件的電阻值和電容值測試分析后，確定位于驅動信號放大電路的前端電容C32在強電脈沖作用下發生了高電壓擊穿，其電容性消失，電阻值在mΩ級別。C32與R21共同組成初級濾波環節；C32在強電脈沖作用下發生高電壓擊穿后，對VD傳輸能力造成的影響有限，但驅動信號放大電路的初級濾波功能完全喪失。

經過基礎功能測試后，確定U7在強電脈沖作用下發生大電流燒毀：已喪失反向輸出VDB-的功能；單倍放大能力受損，對信號產生衰減作用。以上損壞情況直接導致原可輸出的正負雙向驅動電壓轉變為衰減的同向電壓，已無法驅動電容諧振敏感器件工作。解除U7的外部封裝后，其在掃描電鏡下的內部細觀結構如圖17所示，可觀察到明顯的燒毀痕跡。

圖17 驅動信號放大器的細觀結構Fig.17 Microstructure of driving signal amplifier

圖18 感應信號放大電路的部分電路Fig.18 Part of induction signal amplifier circuit

感應信號放大電路的部分電路如圖18所示。圖18中，U5為感應信號放大器，R8和R10為電阻，VS+和VS-分別為由諧振敏感器件輸出的正向、負向感應信號，VSA+和VSB-分別為放大后的正向、負向感應信號電壓。經過基礎功能測試后，確定U5在強電脈沖作用下發生輕度損傷：單倍放大能力受損，對信號產生衰減作用。以上損壞情況直接導致輸出的電壓感應信號幅值失準，進而輸出錯誤的位置和運動信息，影響外骨骼助力系統的正常運行。

解除U5的外部封裝后，其在掃描電鏡下的內部細觀結構如圖19所示，從中可觀察到明顯的燒毀痕跡。

圖19 感應信號放大器的細觀結構Fig.19 Microstructure of induction signal amplifier

根據實驗結果分析確定，硅微慣性傳感器的主要電磁易損器件為前端電容和信號放大器，電磁損傷模式主要為電容的高電壓擊穿和放大器的大電流燒毀。

4 結論

本文對傳感器直連線纜在標準HEMP環境中的電磁耦合現象進行了理論分析，并開展了硅微慣性傳感器信號傳輸端口的強電脈沖注入試驗和損傷模式分析。得到主要結論如下：

1)直連線纜耦合并傳導的電脈沖能量可對硅微慣性傳感器造成干擾與損傷作用，并在傳感器的感應信號輸出端口引起尖峰脈沖。

2)尖峰脈沖的幅值隨著強電脈沖幅值的增大而增大，干擾持續時間隨著強電脈沖幅值的增大而延長，直至硅微慣性傳感器發生不可恢復性物理損傷。

3)電容諧振式硅微慣性傳感器的強電脈沖損傷閾值為780 V，傳感器內部電磁易損元器件為前端電容和信號放大器，其主要損傷模式為電容的高電壓擊穿和放大器的大電流燒毀。