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高过载低量程测试传感器的选择比较

2017-3-15 10:16:36 点击:906
一、前言
    动态测试领域中传感器的高过载低量程一直是未能彻底解决的问题,这主要是因为传统工艺传感器固有的特性或工艺不能满足这一特定环境的要求。传统的压电传感器由于输出阻抗高,低频特性较差,在高过载后常发生零漂现象,使得测量数据不能真实再现被测量的动态过程,而传统工艺的压阻和电容传感器虽然在频响方面能满足测试要求,低频漂移较小,但由于制造工艺的原因,也不能较好解决这一测试问题。
    现在,MEMS技术的发展为传感器技术的发展提供了一个机会,MEMS加速度传感器尺寸小、质量轻,抗过载能力高、动态响应快,因此,在动态测试领域将有广阔前景。

二、MEMS传感器的原理、结构、工艺及特点
    MEMS加速度计主要由一个悬臂梁构成,梁的一端固定,另一端悬挂一个能感应由加速度产生的作用力的质量块,其结构如图1所示。目前,已有压阻式、电容式、隧道式、共振式、热形式等几种类型
   [1]本文将主要介绍压阻式加速度传感器。
    压阻式加速度传感器一般为三层结构:顶层和底座通常为玻璃或硅片,起密封和过载保护作用,底座上还有前置放大和各种补偿电路
   [2]中间层是用体硅加工工艺加工出的悬臂和质量块,并且,在悬臂上用离子注入工艺制作出应变电阻器,当质量块受到力运动时,电阻器的阻值变化,通过惠斯通电桥检出电阻变化量,以此求得加速度值。

    制作传感器的微机械加工技术可分为体微机械加工和表面微机械加工两种。体微机械加工技术是对单晶硅或有表膜的体硅进行腐蚀,从而得到预期微结构的一种加工技术;而表面微机械加工技术则是对沉积或生长在基片上的多层膜进行加工,得到各种微机械结构的加工技术。体微机械加工技术中关键的步骤是腐蚀工艺,分为湿法腐蚀和干法腐蚀两种,目前被广泛使用的是湿法腐蚀工艺,其包括各向同性与各向异性腐蚀。各向同性腐蚀是指在晶片各个方向上腐蚀速度相等,可以制作出任意横向几何形状微细图形结构的方法,而各向异性腐蚀则是与被腐蚀晶片的结构方向有关的腐蚀方法,利用掩蔽图形与不同晶面的对准角关系,可以制作出深度达几十微米的不同种三维空间结构,如V型槽、悬臂梁、悬台结构等。
    MEMS传感器的特点是有质量块位移限位结构,使质量块在高过载激励下的位移被限制在安全的形变范围内。此外,传感器和信号处理电路系统还都采用抗高过载封装技术封装在同一个硅片上。
三、典型应用比较
   1、压电传感器在高过载环境下的测量
    由于固有缺陷,压电传感器在受到高过载激励后经常出现零位偏移的现象,不能真实再现被测动态过程。图2为采用压电传感器测试的某型号弹丸侵彻40mm钢板的过载曲线,图中曲线在高过载后没有回零,这时,测试所得的低过载数据已经没有意义了。
    2、MEMS传感器在高过载环境下的测量
    3255是EG&G公司的压阻式硅加速度计,为两片结构,一片为用MEMS制造技术加工的悬臂式加速度传感器,另一片为专用集成电路(ASIC),其包括前置放大、自检与各种补偿电路,两片封装在同一基片上,有 ±50g、±250g、±500g三种量程和20~30倍量程的抗过载能力。
   (1)马歇特落锤试验
    马歇特锤的原理是用重力对冲击锤加速,使其击打铁质目标,从而产生较大的加速度过载。这个装置可产生200~50000gn、持续时间100~120ms的冲击加速度。现将量程为50gn的MEMS传感器固定在马歇特锤头上,调整使其产生峰值约为30000gn以上的过载值,测试结果如下图所示。图3为第一次冲击后锤头反弹加速度从正到负的过渡过程。图4是反弹后第二次冲击后锤头逐渐稳定的过程,从曲线上可以看到MEMS传感器有很好的归零效果。
    (2)引信上膛过载测试
    火炮炮弹上膛过载是影响引信可靠性和安全性的关键因素之一。上膛过载的测量对引信的设计具有一定的指导意义,选用量程50gn的3255传感器对某火炮炮弹上膛过载进行测试,火炮的膛内发射过载达到23000gn,重复进行了三次发射试验,传感器工作性能正常,在进行第四次试验后失效。图5是用3255传感器测试的某火炮引信上膛的过载曲线。
四、结论
    试验表明,传统的压电传感器经常发生高过载后的零位漂移,导致测试的高过载后的数据无效,而MEMS传感器在测试量程和抗过载能力方面性能比较优越,抗过载能力可以达到测量量程的400倍以上,但这是以可靠性为代价的,比较安全的做法是将过载值控制在量程的100倍以内。
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