抗高过载加速度计失效定位与故障复现

随着硅微机械系统技术的不断发展成熟,抗高过载加速度计已广泛应用于航空航天、兵器测试等振动冲击过程中加速度的测量,然而上万g乃至十万g以上的高过载对芯片的内部结构以及加速度计的封装提出了更高的要求。因此,运用多种失效分析手段,结合自制的抗高过载加速度计介绍了一种典型的断裂失效模式并进行了复现,最后给出了相应的使用建议。

高过载小量程加速度计结构优化与特性分析

在四边固支梁—质量块结构的基础上,优化设计了一种带有微梁的新型四边固支梁压阻式加速度计敏感芯片。通过在结构中引入微梁,有效解决了传统小量程加速度计固有频率与灵敏度相互制约的问题。利用有限元分析软件对优化后的结构进行分析,得到结构的最大应力为2.6 MPa,固有频率为31 kHz,灵敏度为60.9μV/gn,抗过载为10000 gn。与传统高过载小量程加速度计相比较,有效地提高了加速度计的综合性能。

高冲击环境下MEMS大量程加速度传感器结构的失效分析

对设计的大量程加速度传感器进行冲击测试,分析该种传感器结构在高冲击环境下的输出信号及可靠性。加速度传感器结构采用四端全固支结构,通过在梁的端部和根部设计倒角结构以分散应力。测试结果表明该传感器在232,119.4 gn下可以测试到有效输出信号。同时,对测试中失效传感器进行了分析,总结出大量程加速度传感器的在高冲击环境下的失效模式主要为键合引线的脱落、微梁的断裂和封装失效。

MEMS高g加速度传感器高过载能力的优化研究

设计的MEMS高g加速度传感器抗高过载能力差,将导致在冲击等恶劣环境中应用时结构易破坏。通过分析传感器结构对其抗过载能力的影响,及在高冲击测试中传感器结构损坏情况的统计,提出了一种新颖的优化高g加速度传感器抗高过载能力的方法。该方法是在结构最易断裂的梁根部和端部添加倒角,以分散在冲击作用下传感器结构这些部位受到的应力,进而提高加速度传感器的高过载能力,并从理论仿真分析了该方法的可行性。最后利用Hopkinson杆测试方法对优化前后的加速度传感器进行冲击测试,测试结果表明,加速度计的抗高过载能力从180 000 g提高到240000 g,说明该优化方法显著,明显提高了该类加速度传感器的抗高过载能力,设计的加速度传感器达到了较理想的抗高过载能力。

高g值加速度计的设计与冲击特性分析

针对特殊场合的测试需求,设计了四端全固支的高过载梁岛结构加速度计;利用Hopkinson杆冲击校准装置对该加速度计的动态特性进行了测试。测试结果表明,传感器的灵敏度为1.2μV/g,线性度5%左右;结构受到2×105g冲击后完好且输出信号正常,能有效满足高冲击、强烈振动场合的特殊测试要求,可以应用于侵彻系统。

高g微加速度计的研究

针对侵彻过程中传感器过载失效的问题,提出了一种四边四梁结构的高g压阻加速度传感器。该结构采用硅玻键合技术控制质量块下底面到玻璃底盖的间距为5μm,为系统提供空气阻尼使其处于最佳阻尼状态,同时玻璃底盖起到了过载保护作用,仿真分析表明该结构可承受200000 gn的加速度载荷。最后对加工出的加速度计进行初步的测试,其灵敏度为4.5μV/g,线性度为3.1%。

基于SOI技术梁膜结合高过载压阻式加速度计研究

采用微型机械电子系统技术和集成电路工艺制作出了SOI技术高灵敏度的硅微固态压阻平膜芯片;通过动力学分析和有限元模拟,研制出了具有高过载保护功能的加速度传感器结构;通过玻璃粉烧结工艺将其键合在弹性梁的应力集中处,研制出量程为±2000g、过载能力为30倍满量程的高过载梁膜结合压阻式加速度计.加速度计具有较高的测量灵敏度和精度,满量程输出为126.97mV/2V,静态精度为0.86%FS.

新型高g值压阻式加速度计设计

提出了一种新型压阻式加速度计结构,采用微杠杆放大质量块的等效惯性力,将微杠杆结构输出端作为压敏电阻梁,采用双边对称结构设置4根差分压敏电阻梁,构成惠斯登电桥进行测量,提升灵敏度。通过有限元ANSYS与COMSOL仿真软件对结构参数进行设计与优化。该加速度计量程为2000 g,具有高谐振频率294 kHz,采用微杠杆结构将应力放大2倍,交叉轴干扰较低,其应力分别为敏感轴的3.8%和4.6%,以及10倍于量程的抗过载能力。最后设计一套基于标准微机电系统(MEMS)的加工工艺流程,基于SOI技术,利用等离子体硅深加工工艺制作压阻式加速度计,并与玻璃衬底阳极键合,提高加速度计可靠性。

电容式加速度传感器设计及工艺加工

针对精确制导的应用需求,设计了一种量程为100g"三明治"电容式加速度传感器,通过ANSYS仿真软件在100g及10 000g高过载条件下进行应力分析和模态分析,并通过Matlab分析、优化结构参数从而确定传感器敏感结构的具体尺寸。利用阻抗分析仪分析得到了传感器的静态电容为14.09 pF,结构输出灵敏度为0.281 8 pF/g,传感器的输出灵敏度为13.5μV/g。根据结构特性设计工艺流程并进行关键工艺加工:硅基质量块双面湿法腐蚀、ICP干法刻蚀及玻璃通孔电镀工艺。最终,通过实验验证电容式加速度传感器设计的可行性。

电容式高过载微机械加速度计的设计与实验

针对某些高过载应用场合对微机械加速度计抗冲击能力的要求,设计了一种三轴向抗冲击的梳齿电容式闭环微机械加速度计。通过分析带止档的闭环加速度计冲击响应过程,提出在敏感方向使用悬臂梳齿结构作为柔性缓冲止档可以缓冲冲击过程中微结构间的接触碰撞;在非敏感方向采用结构模态和阻尼分离的设计可减小冲击变形,耗散冲击能量。马歇特锤冲击实验表明,该加速度计能够分别承受3个轴向幅值为13 200g,脉宽约102μs的的加速度冲击,冲击前后偏置漂移在5mV以内。该闭环加速度计在±10g的非线性优于500×10-6,1.5h偏置稳定性为0.27mg。设计的样机基本满足高过载环境下惯性测量的要求。

SiC高温高量程MEMS加速度传感器的仿真与分析

加速度传感器材料的特性对传感器的性能影响很大,Si C作为新一代半导体材料具有优良的力学温度特性,适用于高温、高过载加速度传感器。基于Si C提出了一种可用于高温、高过载环境的加速度传感器设计方案。根据悬臂梁的相关力学理论知识,对传感器结构、尺寸进行了设计,并利用ANSYS有限元仿真软件对Si C材料传感器敏感结构进行模态分析、静力学分析、热分析。仿真结果表明,6H-Si C材料表现出了比Si材料更优异的抗高温、抗过载特性,为应用于高量程、高温环境下的加速度传感器研究提供了可靠的理论基础。

压阻式高量程微加速度计的设计

为了满足过载环境对高量程加速度计的需求,设计了一种高量程微加速度计。通过对敏感结构建立数学模型及Ansys静力学仿真,确定了该加速度计的总体设计,最后对加工完成的加速度计进行了测试。结果表明,该加速度计的灵敏度为193.3μV/g,在受到10 000 g以上的加速度作用时仍能正常工作,能够满足实际需要。

战术导弹大扇面机动发射研究

传统自动驾驶仪或简易平台式惯导系统采用装定扇面角的方法控制导弹机动转弯 ,受框架式陀螺仪测量范围的限制 ,发射扇面角不能过大 ,否则会引起框架系统的锁定 ,导致导弹失稳 ;另外该方法还不能控制导弹的法向过载 ,转弯太急将导致法向过载超过设计指标要求。为此本文提出了一种可直接对导弹法向过载和过载速率进行控制的方案 ,利用能量最优控制方法设计了过载控制指令 ,并采用由角加速度计和线加速度计构成的新型捷联惯导系统对导弹进行稳定和控制。应用该方案对某型超音速导弹进行弹道仿真时 ,较好地控制导弹实现了从± 90°直至± 180°的几种大扇面角发射 。

采用过载控制的自动驾驶仪设计

提出了利用过载控制技术设计一种新型的自动驾驶仪 ,即在纵向和航向上采用专门的线加速度计和角加速度计来测量导弹的法向过载及其变化率 ,利用变结构控制方法设计了过载控制规律 ,从而实现对导弹法向过载的稳定和控制 .采用该驾驶仪设计了一种高低混合的方案飞行弹道 .最后 ,通过过载稳定回路和弹道仿真结果证明了该自动驾驶仪设计方案是可行的 .由于无需测量纵向和航向上的姿态角和角速率 ,因而在纵向和航向上可以不用陀螺 ,降低了驾驶仪的制造成本 ,使其结构也变得简单 .

曲面保护高量程加速度传感器阻尼特性研究

利用有限元模拟方法,对一种高量程MEMS加速度计进行10万g正弦加速度脉冲下的动态冲击响应分析。首先,建立适用于该器件曲面阻尼的分段近似叠加理论模型;随后,采用ANSYS有限元模拟技术分别研究器件阻尼带隙宽度及其阻尼介质特性对器件动态冲击响应特性的影响。器件动态冲击响应实际上是受迫振动与传感器悬臂梁固有频率振动的叠加。当阻尼带隙较小时,输出结果表现为冲击载荷下的受迫振动响应;随着阻尼带隙变宽,悬臂梁固有频率振动渐突显,响应峰值电压也近线性增加,而峰值电压所对应时间则非线性减小。在其它条件相同情况下,阻尼介质粘滞系数越大,响应输出曲线越光滑,但其峰值电压也相应越低。在空气阻尼介质中,过载保护曲面的平移距离控制在0.5～0.65μm范围内,以获取较好的动态响应效果。

新型高量程冲击硅微机械加速度传感器的设计与制造

给出了一种测量高量程冲击加速度的硅微机械加速度传感器的设计和制造方法．加速度传感器采用整体式悬臂梁结构，在硅片平面内设计了两个分布方向相反结构相同的悬臂梁，每个悬臂梁顶端通过硼扩散形成两个压敏电阻，四个压敏电阻构成惠斯通全桥连接．悬臂梁两侧面和过载保护曲面采用DRIE技术加工，过载保护曲面设计成近似于冲击加速度传感器承受最大加速度时悬臂梁弯曲曲面的形状，一方面提高了悬臂梁过载保护能力，另一方面可以调节加速度传感器的工作阻尼至临界阻尼，有效提高了加速度传感器的工作频率带宽．分析和测试结果表明，加速度传感器的灵敏度达到3．024μV／g，工作频率带宽达到O～81kHz，量程达到0～50000g．加速度传感器的性能能够满足测号冲击过程的要求．

动力学环境下液浮摆式加速度计建模与仿真

该文采用有限元法对液浮摆式加速度计在过载振动复合环境中的动力学特性进行研究,提出一种反映动力学环境下液浮摆式加速度计结构振动特性的误差模型。设计了基于S imu link的复合环境下液浮摆式加速度计测量误差的仿真框图。并对过载振动复合环境下液浮摆式加速度计测量误差进行仿真,得到复合环境下液浮摆式加速度计测量误差的规律。研究表明,液浮摆式加速度计在过载振动复合环境下,因为结构变化而产生了较大的工作误差,这些误差的表现形式相当复杂,在单一环境实验中是无法体现的。

抗过载压电式工业装备振动监控MEMS加速度计的仿真分析与设计

针对工业装备振动监控对测振传感器的实际需要,设计了一种具有全方位抗过载结构的压电式加速度计,通过MATLAB对本征频率与灵敏度进行理论分析并做出结构参数优化设计,同时通过有限元分析软件ANSYS对所设计的传感器结构进行三维建模,添加力-电多物理场耦合等载荷进行静力、模态及动力等仿真分析,验证设计可行性,进一步确定结构参数,得出该结构压电式加速度计的本征频率、灵敏度及线性度仿真结果分别为29.8 kHz、0.2 mV/g和0.11%。

一种抗大过载微型加速度计研究

讨论了一种抗大过载 (15 0 0 0 0 g)的微型加速度计 ,主要内容包括 :阐述加速度计的工作原理 ;设计一种新型十字梁的器件结构 ,并对这种结构进行抗大过载的冲击实验 ,以验证这种新型的结构对于大过载冲击的可靠性 ;进而利用ANSYS对器件进行模态分析 ,找出结构上应变最大的位置 ,并对结构尺寸进行优化 ;提供一种可能的电路版图说明 ,并对加速度计的灵敏性进行理论分析 ;

加速度计悬丝断裂分析

惯性导航加速度计是惯导系统的关键元件之一,由于单轴摆式加速度计具有量程大、精度高而被广泛使用。对悬丝作为敏感线圈的支撑,在整个单轴摆式加速度计中属关键零件,同时也是加速度计中最易失效的零件。对悬丝断口、材质、工艺过程及测试环境进行了分析研究。结果表明:过载断裂是悬丝的主要失效形式,其次为疲劳断裂;悬丝失效受综合因素的影响,包括悬丝内部缺陷、材质不均、焊接过程控制问题、测试环境因素等,其中最主要的因素是悬丝内部各种缺陷。在此基础上,提出了严格控制悬丝加工工艺过程、改用可焊接性能良好的抗氧化无铅焊料KYHFSn96.5AgCu代替普通的铅锡焊料HLSn40PbA焊接等改进措施,有效地预防了加速度计悬丝的断裂失效。