MEMS高g加速度传感器高过载能力的优化分析

杜 彬

(1.太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024；2.中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

科技的高速进步，伴随着核武器等技术的日新月异的发展，引信及点火技术应用于各类核武器弹药的制造中。并且对该技术的安全性提出了较高的要求，比如外形小巧、成本低廉等。MEMS技术的全称是微机电系统技术，该技术的应用能够满足核武器等研究的要求，因此MEMS技术在国内与国外都受到了广泛的关注。而MEMS高过载加速度传感器是MEMS技术在引信侵彻过程惯性测试与控制的重要组成部分。关于MEMS高过载加速度传感器的研究结论和应用必将会极大促进多个类型攻击性武器的设计和开发。

1 加速度传感器

加速度传感器的主要功能是对加速度值的测试和分析。通常由质量模块、阻尼系统、弹性系统、感应器和电桥模块等部分组成。在传感器在测试过程中，通过监视质量模块所受惯性力，利用牛顿第二定律即可计算出加速度值。按照传感器感应器件的类型，可以把加速度传感器分为压电式、电感式、应变式、压阻式、电容式等几个类别。MEMS高g加速度传感器是引信技术研究中的关键技术之一，MEMS高g加速度传感器能够优化当前武器研究领域中的问题，满足现代化社会研究对武器的需求，因此MEMS高g加速度传感器中MEMS技术在军事领域中具有非常高的研究价值，在使用中具有较高的安全性[1]。

2 压阻式加速度传感器的实用性分析

加速度传感器的种类非常多，可以分为压电式传感器、电容式传感器和压阻式传感器等，而压阻式加速度传感器又可以分为系统反馈和导航仪器两种。系统反馈型压阻式加速度传感器是用于控制系统来反馈加速度信号，导航仪器型压阻式加速度传感器则是用来监视导航仪器的加速度[2]。

基于对加速度传感器的研究，我们对比了压电式传感器、电容式传感器以及压阻式传感器三者之间的性能。首先是压电式传感器，其敏感原理是电荷参数，处理信号的电路属于电荷放大器，具有较好的线性度以及较宽的频响范围，与其他加速度传感器相比，具有较高的工艺稳定以及反应速度快的优点，但是不适用于连续测试中，因为其信号处理电路复杂。第二个是电容式传感器，该传感器的敏感原理是电容参数敏感，信号处理电路属于高灵敏度的开关电容，与其他传感器相比，其线性度较差，频响范围比较宽，其优点是精准度比较高，容易集成，成本低，使用过程中功耗也比较低，受外界温差影响程度比较低，但是与电压式传感器具有相似的缺点，就是信号处理电路比较复杂。第三个是压阻式加速度传感器，该传感器敏感源属于电阻敏感参数，简单的电阻电路，具有良好的线性度，与其他加速度传感器相比，具有比较窄的频响范围，缺点是受外界温度影响比较大，所以在使用时，需要处于规定的温差范围内。压阻式加速度传感器具有工艺稳定、信号较强等优点[3]。

通过对压电式传感器、电容式传感器以及压阻式传感器的多方面对比，我们可以得出：压阻加速度传感器具有相对较高的可靠性、成熟的生产工艺、快捷方便的模拟仿真实验等优点，因此本设计通过对各类型传感器优缺点的比较，最终选择压阻式加速度传感器作为研究对象。

3 力学模型的构建

3.1 结构的应力分析

通过上文对加速度传感器的分析，我们确定将压阻式加速度传感器作为研究对象，接着我们根据压阻式加速度传感器进行力学模型的构建，首先对结构的应力进行分析。MEMS高g加速度传感器具有较快的反应速率，并且有固有频率、阻尼等，由此可见该结构在大小方面相互影响，为了优化其高过载能力，在结构中，我们确保良好的工艺，其最大应力为340 MPa，固有频率最低为250 kHz，其阻尼比为0.707[4]。

3.2 频率分析

MEMS高g加速度传感器具有固有频率，如图1所示，设y0为中间点的挠度，然后计算最低频率。

图1 结构的弯曲振动图

在图1中，y0中间节点，y为x的固定挠度，在计算MEMS高g加速度传感器最低频率时，可以采用Rayleigh方法。

3.3 阻尼分析

在EMES设计中，阻尼与频率息息相关，我们对机械设备、武器等的要求是外形小巧，而外形变小后，空气阻尼会发生变化，因此在灵敏度较高的传感器中，阻尼的数值会对固定频率产生一定的影响。通过数据分析，我们发现随着设备尺寸的降低，频率与阻尼的比率会逐渐增加。在设置实验中，阻尼为0.707是最佳数值，因此在进行优化MEMS高g加速度传感器的研究中，我们可以将阻尼设置到最佳数值，使实验研究更加顺畅。空气与阻尼之间的模拟图如图2所示。

图2 阻尼模拟图

4 仿真实验

在 MEMS高 g加速度传感器高过载能力的优化分析中，由于其具有较高的灵敏性，为了使仿真实验数据更准确，不受外界条件干扰，我们将频率、阻尼等设置为最佳值，然后进行仿真模拟实验。

4.1 静态仿真

高g加速度传感器的结构普遍容易出现顶端或者根端断裂的情况，我们将传感器在150 000 g作用下进行研究。然后对MEMS高g加速度传感器高过载能力进行分析，并且做了静态仿真实验，据实验分析可知，传感器的高过载能力原理如图3所示。

图3 高过载能力原理图

静态仿真模拟的目的是用于求解静力载荷作用下结构的位移、应力等，因此静态仿真中，我们主要针对在150 000 g～200 000 g应力分布结果。分析结果为应力达到3 470 000 g时，发生形变，因此完全能够抵抗住200 000 g的应力。

4.2 模态仿真

模态仿真与静态仿真的实验方法相似，根据平面图形进行模拟，在计算中，我们将其前六个阶段以图形的形式展现出来，如图4所示。

图4 前六阶段模态图

在MEMS高过载加速度传感器的结构设计中以及模态仿真中，我们发现，当频率靠近固有频率，容易引起共振，从而导致结构出现损坏，因此我们应该计算出加速器的固有频率，在使用时，避开其固有频率。

5 总结

综上所述，本文通过MEMS高g加速度传感器的分析，构建了相应的模型，并且对MEMS高g加速度传感器进行了静态仿真实验与模拟仿真实验，实验表明，MEMS高g加速度传感器适用于当代军事领域，与其他加速度传感器相比较，MEMS高g加速度传感器具有较高的实用性、可靠性以及安全性，且对于传统的引线技术等进行了有效的优化，我国未来军事领域中核武器的研究、武器爆炸监测等工作都可以通过MEMS高g加速度传感器技术来完成。