高冲击加速度传感器发展现状及趋势

李科杰，何 昫，张振海，林 然，李治清

（北京理工大学，北京 100081）

0 引言

现代高技术战争中，硬目标侵彻武器已日益发挥着重大作用。研制可用于侵彻武器精确炸点控制的高冲击加速度传感器是我国兵器实验与测试领域亟待解决的难题，单轴高冲击加速度传感器技术较成熟，采用MEMS技术设计的产品具有高度集成化、微型化、智能化的特点，且可靠性较高、成本低［1］。高冲击加速度传感器的类型主要有压阻式、压电式、电容式和热对流式。这几种类型传感器成为高冲击加速度传感器研发的主要方向。

国外开展对高冲击加速度传感器的研究较早，技术相对成熟，单轴加速度传感器量程最高可达200 000 g［2］。国内此项研究工作虽开展较晚，但在上世纪90年代也已自主研发出高量程单轴加速度传感器，为进一步研究三轴高冲击加速度传感器奠定了重要的基础。本文着重对各类高冲击加速度传感器的优缺点进行分析，为硬目标侵彻武器相关研究提供参考。

1 压阻式高冲击加速度传感器

半导体材料受到外力或内力作用时，其电阻率发生变化的现象称为压阻效应。压阻式高冲击加速度传感器，主要是以硅压阻效应为理论基础，采用体硅加工工艺和集成电路平面工艺制成，通过力敏电阻构成的惠斯通电桥感测加速度变化［3］。主要工艺流程包括：选片—化学清洗—一次氧化—一次光刻—浓硼注入—浓硼主扩散—二次光刻—淡硼注入—淡硼主扩散—三次光刻—真空蒸铝或蒸金—四次光刻—合金化—五次光刻—深反应离子刻蚀—划片。

国外典型的压阻式高冲击加速度传感器如下：

加拿大Alberta微电子中心研制成功一种硅压阻式加速度传感器，采用悬臂梁式结构，敏感元件如图1所示，量程达到10万g，固有频率高于100 kHz，灵敏度为0.702μV／g。核心元件由硅微机械加工工艺制作，在一块3英寸大小的硅材料双面剖光的P型晶圆上，异向外延生长一层厚度为4μm厚的N型硅薄膜，腐蚀掉P型硅后生成的单端悬臂梁结构，利用双面光刻掩模在悬臂梁上形成4个电阻，构成惠斯通电桥［4］。这款传感器的特点在于：敏感元件没有质量块，整体作为惯性结构，受力产生形变，从而简化了制作工艺，提高了传感器的频响。

图1 传感器敏感元件结构示意图Fig.1 The sensor sensitive element structure

美国ENDEVCO公司生产的7270A系列压阻式加速度传感器［5］，其中7270A－200K量程达到20万g，谐振频率1.2MHz，敏感单元结构如图2所示。该系列传感器两侧采用单端悬臂梁的整体式结构，利用微机械加工技术，在1mm×1mm尺寸的单晶硅片上制作梁与质量块，并在单晶硅表面制作压阻力敏电阻，构成惠斯通全桥电路，进行加速度值测量。这款传感器具有较好的线性度，固有频率高，稳定性好。

图2 7270A系列传感器Fig.2The sensitive structure of 7270Aseries sensors

在一些高温、强磁的条件下，需要特殊材料制作的加速度传感器来应对特殊环境。美国NASA研制了单晶6H－SiC材料的压阻式加速度传感器，量程可达到10万g［6］，并具有较高的固有频率，灵敏度为343nV／g。由于这种传感器采用合成材料6H－SiC，使其具有了抗高温、抗磁场的效果，有很宽广的应用前景，其芯片结构如图3所示，图中包含了扫描电镜下的敏感元件结构图以及沿着AA路径的截面结构图。

图3 单晶6H－SiC压阻式加速度传感器Fig.3 The single crystal 6H－SiC piezoresistive accelerometer

国内科研机构和高校开展高冲击加速度传感器研究的包括：北京理工大学，中电十三所，中北大学，中科院上海微系统所，哈尔滨工业大学，合肥工业大学等。

上海微系统所研制的三梁双岛压阻式高冲击加速度传感器，量程达到10万g［7］，敏感芯片结构如图4所示。

图4 三梁双岛压阻式高冲击加速度传感器Fig.4 The three beams－double islands piezoresistive high g accelerometer

中北大学研制了一种高量程压阻式加速度传感器，设计量程达到150 000 g［8］，传感器芯片结构梁的宽度和方形质量块宽度一致，压阻对称放置于四梁根部，利用KOH在质量块背部开槽腐蚀，减少了质量块的重量，获得较高的固有频率［9］，结构如图5所示。北京理工大学研制成功压阻式高冲击加速度传感器，达到国内最高量程，固有频率可以达到400 kHz以上，性能稳定。

图5 压阻式高量程加速度传感器Fig.5 The high g piezoresistive sensor

由上海微系统所等单位共同设计的单芯片集成压阻式三轴高冲击加速度传感器［10］，核心元件如图6所示。弹性敏感部分位于在核心硅片中间，用玻璃衬底和硅材质盖板保护核心结构层，X、Y轴横向冲击测量部分采用带微梁的三梁－质量块结构，互相垂直布置；Z轴单元采用三梁双岛结构，所涉及这两种结构均具有较高灵敏度和较高谐振频率，且量程可达到10万g。

图6 单芯片集成三轴压阻式高冲击加速度传感器Fig.6 The single－chip integrated tri－axis high g accelerometer

压阻式高冲击加速度传感器结构和信号处理电路简单，线性度好，量程大、制作工艺简单，抗冲击能力强。因此，压阻式成为设计三轴高冲击加速度传感器的首选方式。但压阻式传感器也有一些不足之处，如受温度影响较大等缺点。

2 压电式高冲击加速度传感器

压电式高冲击加速度传感器是以压电效应为理论基础，采用压电材料制成用来测量加速度的传感器。压电效应是指当某种电介质受拉伸或压缩形式的力后发生形变，由于内部电荷的极化，会在其表面产生电荷；压电材料分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料等。常用的材料是属于压电多晶的各类压电陶瓷和属于压电单晶的石英晶体。

国内主要压电式高冲击加速度传感器研究成果如下：

兵器204所研制的988压电式加速度传感器，量程达到了10万g，电荷灵敏度：0.7pc／g；幅值线性小于10%；最大横向灵敏度小于10%；频率响应达到25kHz。

北京理工大学研制了压电薄膜压缩型高冲击加速度传感器，量程20万g［11］。

国内外对压电式高冲击加速度传感器相关文献较少。压电式传感器的特点在于输出为电荷，需将其转换成相应的电压值，信号处理电路采用电荷放大器，电路输入阻抗高，且零漂严重。压电式传感器的优点在于线性度好，频率范围较宽，结构简单。

3 电容式高冲击加速度传感器

电容式高冲击加速度传感器原理是：加速度作用引起惯性质量块与固定电极间相对位移发生变化，导致电容值的变化，通过测量电容的变化量测得被测加速度值。

国外电容式高冲击加速度传感器取得的成果包括：

美国Sandia国家实验室利用表面微机械加工技术制作了一种硅微机械电容式加速度传感器，该传感器量程达到5万g［12］，加速度计结构包括参考电容、敏感可变电容和L型支撑梁，材料采用多晶硅，通过测量参考电容与可变电容之间的差值得到对应加速度大小。频率响应达到127kHz，阻尼系数为0.4。基本结构如图7所示。

图7 Sandia电容式加速度计敏感元件结构图Fig.7 The capacitance acceleratometer structure

美国Draper实验室研制了“跷跷板”电容扭摆式系列微硅加速度计［13］，原理图如图8所示。该系列传感器的最大量程为10万g。传感器采用扭杆支撑平板结构，敏感质量块相对扭杆支撑不对称，从而引起惯性力矩也不同。信号源是平板与基片之间形成的一对差动电容，形变时产生变化量。当加速度垂直作用于平板时，质量块将绕着支撑梁扭转，平板倾斜，从而引起电容大小发生变化，相应的一对电容总是一个增大，一个减小，形成差动电容。测量电容值变化量即可得到沿着敏感轴方向的加速度值。

图8 电容扭摆式加速度计敏感元件原理图Fig.8 The schematic diagram of capacitance pendulous accelerometer

国内外电容式加速度传感器微量程的产品很多，但满足15～20万g高量程的较少，原因在于高冲击环境下，此类传感器线性度较差，这一参数是传感器非常重要的指标，直接影响测量数据的准确性，并且信号处理电路比较复杂，所以，采用电容原理设计高冲击加速度传感器有诸多不利之处。国内外也未有电容式三轴高冲击加速度传感器研究的相关报导。

4 热对流式高冲击加速度传感器

热对流式高冲击加速度传感器是以虚拟的“热气团”作为“质量块”，在密闭腔体内添加热源，使周边空气密度发生变化，通过温度传感器测量，由加速度引起的腔内温度气团位置变化来测量加速度值。

国内外取得的研究成果主要包括：

MEMSIC公司采用热对流原理研制的MXA、MXD、MXR系列 MEMS加速度传感器［14］，图9为MEMSIC生产的单轴热对流加速度传感器，最高过载可达50 000 g。

图9 MEMSIC研制的热对流加速度传感器Fig 9 MEMSIC convective accelerometer

中电十三所研制了量程达到50 000 g的热对流式高冲击加速度传感器，结构如图10所示［15］，它由单晶硅腔体、加热器和两支对称温度传感器构成。加热器加热使周围气体温度升高，密度变小。在重力加速度的作用下，腔体内的气团位置发生变化，位于加热器等距离位置安装的温度传感器测量到温度差，这一差值对应被测加速度值。

图10 中电十三所热对流式加速度传感器Fig.10 CETC 13convective accelerometer

国内外选用热对流原理设计加速度传感器的技术相对成熟，部分单轴传感器已产品化，量程也达到50 000 g。由于采用了虚拟的热气团作为“质量块”，使这种传感器具有良好的环境适应性和抗辐射、抗振动、抗冲击能力，但150 000 g以上量程的研究成果还未见到，需要对结构以及原理进一步分析，争取满足侵彻武器使用的高量程需要。

5 关于三轴加速度传感器的讨论

综上所述，目前国内外的单轴高冲击加速度传感器技术相对成熟，但三轴高冲击加速度传感器的研究还处于初级阶段，研究成果如表1所示。高量程、低成本、可靠性好的三轴高冲击加速度传感器是侵彻武器精确炸点控制的关键，同时能够为钻地武器侵彻机理、武器侵彻性能、防护结构及防护材料、侵彻弹药设计等方面的研究提供必要的测试手段和数据，因此大力开展三轴高冲击加速度传感器研究十分必要。

表1 国内外研究成果Tab.1 The research results of home and abroad

三轴高冲击加速度传感器主要采用压阻式，结构方式有单芯片集成式和组合式两类。

三轴高冲击加速度传感器的各项关键参数，如：量程、线性度、灵敏度、横向灵敏度等，都会直接影响产品的性能。需要对整体结构进行仿真论证和实验验证，保证其在高冲击加速度环境下不会发生结构失效，同时还需要结合材料力学，冲击动力学等多学科知识来保证系统的稳定性。高冲击加速度传感器发展可以归纳为以下几点：

1）对三轴高冲击加速度传感器的设计可借鉴单轴高冲击加速度传感器设计方法和理论，运用MEMS加工技术，研制量程高、可靠性好、线性度好、横向灵敏度小的高冲击三轴传感器。

2）单芯片集成的三轴高冲击加速度传感器三轴向交叉耦合较大。采用单芯片非共用弹性单元的方式设计的三轴高冲击加速度传感器，减小了三轴轴间耦合，是一种较有效的方案。

3）采用芯片组合结构的三轴高冲击加速度传感器，由于芯片间相互独立，大大减少了三轴间数据交叉耦合.

终上所述，开展高冲击加速度传感器研究，对于弹体侵彻目标的试验研究，了解弹－目相互作用时的冲击动力特性，以及改进军事防御和武器弹药的研制都具有十分重要的现实意义。

［1］宋萍，李科杰.硬目标侵彻武器高冲击试验和高过载传感器技术国外发展概况［J］.测控技术，2002，21（S1）：30－32.SONG Ping，LI Kejie.Development of the technique of high shock test on hard－target penetration weapons and high－g accelerometer at abroad［J］.Measurement ＆ Control Technology，2002，21（S1）：30－32.

［2］张振海，李科杰，任宪仁，等.高过载三轴 MEMS加速度传感器敏感芯片设计仿真与优化［J］.兵工学报，2008，29（6）：690－696.ZHANGZhenhai，LI Kejie，REN Xianren，et al.Design，simultion and optimization of sensing chip of high g three axis MEMS accelerometer［J］.Acta Armamentarii，2008，29（6）：690－696.

［3］余尚江.李科杰.微机械三轴加速度传感器结构及原理分析［J］.测试技术学报，2004，18：5－11.YU Shangjiang，LI Kejie.Structure and principle analysis of the micromachined triaxial accelerometers［J］.Journal of testing technology，2004，18：5－11.

［4］李世雄，王群书，古仁红.高g值微机械加速度传感器的现状与发展［J］.仪器仪表学报，2008（4）：892－896.LIShixiong，WANG Qunshu，GU Renhong.Situation and trend of high g micromachined accelerometer［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2008（4）：892－896.

［5］Bateman V I，Brown F A，Nusser M A.High shock，high frequency characteristics of a mechanical isolator for apiezoresistive accelerometer，the ENDEVCO 7270AM6［D］.Albuquerque：Sandia National Labs.2000.

［6］祁晓瑾.MEMS高g值加速度传感器研究［D］.太原：中北大学，2007.

［7］李晓红.三轴高g值加速度传感器灵敏度校准及横向效应研究［D］.太原：中北大学，2011.

［8］石云波，祁晓瑾，刘俊，等.MEMS高g值加速度传感器设计［J］.系统仿真学报，2008，20（16）：4306－4309.SHIYunbo，QI Xiaojin，LIU Jun，et al.Design of MEMS high g accelerometer［J］.Journal Of System Simulation，2008，20（16）：4306－4309.

［9］李平，石云波，朱正强，等.MEMS高g加速度传感器固有频率的优化及验证［J］.传感技术学报，2010，23（3）：388－392.LI Ping，SHI Yunbo，ZHU Zhengqiang.An optimization method for natural frequency of MEMS high g accelerometer［J］.Chinese Journal of Sensors and Actuators，2010，23（3）：388－392.

［10］董培涛，李昕欣.单片集成的高性能压阻式三轴高g加速度计的设计、制造和测试［J］.半导体学报，2007，28（9）：1483－1487.DONG Peitao，LI Xinxin.Design，fabrication and char－acterization of a high－performance monolithic triaxial piezoresistive high－g accelerometer［J］.Chinese Journal of Semiconductors，2007，28（9）：1483－1487.

［11］张亚，李科杰，马宝华.高g值加速度传感器研究［J］.测试技术学报，1996，10（2）：278－283.ZHANGYa，LI Kejie，MA Baohua.The research on sensor with High g value Acceleration［J］.Journal of testing technology.1996，10（2）：278－283.

［12］DAVIES B R，MONTAGUE S.High－g accelerometer for earth－penetrator weapons application ［R］.Sandia Report，Sand98－0510·UC－810.

［13］董景新.微惯性仪表－微机械加速度计［M］.北京：清华大学出版社，2003.

［14］陈辰，韩秋实，张福学.基于气体热对流的微机械倾角传感器综述［J］.北京信息科技大学学报，2009，24（4）：35－38.CHEN Chen，HAN Qiushi，ZHANG Fuxue.Overview on micro－machined tilt sensors based on convection［J］.Journal of Beijing Institute of Machinery，2009，24（4）：35－38.

［15］杨拥军，吝海锋，师谦，等.微机械热对流加速度传感器可靠性研究［J］.微纳电子技术，2003（7）：317－320.YANG Yongjun，LIN Haifeng，SHI Qian，et al.Research on reliability of the MEMS convective accelerometer［J］.Micronanoelectronic Technology，2003（7）：317－320.