一、前言

    動(dong)態(tai)測(ce)試(shi)領(ling)域(yu)中(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)高(gao)過(guo)載(zai)低(di)量(liang)程(cheng)一(yi)直(zhi)是(shi)未(wei)能(neng)徹(che)底(di)解(jie)決(jue)的(de)問(wen)題(ti)，這(zhe)主(zhu)要(yao)是(shi)因(yin)為(wei)傳(chuan)統(tong)工(gong)藝(yi)傳(chuan)感(gan)器(qi)固(gu)有(you)的(de)特(te)性(xing)或(huo)工(gong)藝(yi)不(bu)能(neng)滿(man)足(zu)這(zhe)一(yi)特(te)定(ding)環(huan)境(jing)的(de)要(yao)求(qiu)。傳(chuan)統(tong)的(de)壓(ya)電(dian)傳(chuan)感(gan)器(qi)由(you)於(yu)輸(shu)出(chu)阻(zu)抗(kang)高(gao)，低(di)頻(pin)特(te)性(xing)較(jiao)差(cha)
，在(zai)高(gao)過(guo)載(zai)後(hou)常(chang)發(fa)生(sheng)零(ling)漂(piao)現(xian)象(xiang)，使(shi)得(de)測(ce)量(liang)數(shu)據(ju)不(bu)能(neng)真(zhen)實(shi)再(zai)現(xian)被(bei)測(ce)量(liang)的(de)動(dong)態(tai)過(guo)程(cheng)
，而(er)傳(chuan)統(tong)工(gong)藝(yi)的(de)壓(ya)阻(zu)和(he)電(dian)容(rong)傳(chuan)感(gan)器(qi)雖(sui)然(ran)在(zai)頻(pin)響(xiang)方(fang)麵(mian)能(neng)滿(man)足(zu)測(ce)試(shi)要(yao)求(qiu)
，低(di)頻(pin)漂(piao)移(yi)較(jiao)小(xiao)
，但(dan)由(you)於(yu)製(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)的(de)原(yuan)因(yin)，也(ye)不(bu)能(neng)較(jiao)好(hao)解(jie)決(jue)這(zhe)一(yi)測(ce)試(shi)問(wen)題(ti)。

    現在
，MEMS技術的發展為傳感器技術的發展提供了一個機會
，MEMS加速度傳感器尺寸小、質量輕
，抗過載能力高
、動態響應快，因此，在動態測試領域將有廣闊前景。

二、MEMS傳感器的原理、結構、工藝及特點

    MEMS加速度計主要由一個懸臂梁構成，梁的一端固定，另一端懸掛一個能感應由加速度產生的作用力的質量塊，其結構如圖1所示。目前，已有壓阻式
、電容式、隧道式

、共振式、熱形式等幾種類型

   [1]本文將主要介紹壓阻式加速度傳感器。

    壓阻式加速度傳感器一般為三層結構：頂層和底座通常為玻璃或矽片，起密封和過載保護作用

，底座上還有前置放大和各種補償電路

   [2]中zhong間jian層ceng是shi用yong體ti矽gui加jia工gong工gong藝yi加jia工gong出chu的de懸xuan臂bi和he質zhi量liang塊kuai，並bing且qie，在zai懸xuan臂bi上shang用yong離li子zi注zhu入ru工gong藝yi製zhi作zuo出chu應ying變bian電dian阻zu器qi，當dang質zhi量liang塊kuai受shou到dao力li運yun動dong時shi，電dian阻zu器qi的de阻zu值zhi變bian化hua，通tong過guo惠hui斯si通tong電dian橋qiao檢jian出chu電dian阻zu變bian化hua量liang，以yi此ci求qiu得de加jia速su度du值zhi。

    zhizuochuanganqideweijixiejiagongjishukefenweitiweijixiejiagonghebiaomianweijixiejiagongliangzhong。tiweijixiejiagongjishushiduidanjingguihuoyoubiaomodetiguijinxingfushi
，congerdedaoyuqiweijiegoudeyizhongjiagongjishu；而(er)表(biao)麵(mian)微(wei)機(ji)械(xie)加(jia)工(gong)技(ji)術(shu)則(ze)是(shi)對(dui)沉(chen)積(ji)或(huo)生(sheng)長(chang)在(zai)基(ji)片(pian)上(shang)的(de)多(duo)層(ceng)膜(mo)進(jin)行(xing)加(jia)工(gong)，得(de)到(dao)各(ge)種(zhong)微(wei)機(ji)械(xie)結(jie)構(gou)的(de)加(jia)工(gong)技(ji)術(shu)。體(ti)微(wei)機(ji)械(xie)加(jia)工(gong)技(ji)術(shu)中(zhong)關(guan)鍵(jian)的(de)步(bu)驟(zhou)是(shi)腐(fu)蝕(shi)工(gong)藝(yi)，分(fen)為(wei)濕(shi)法(fa)腐(fu)蝕(shi)和(he)幹(gan)法(fa)腐(fu)蝕(shi)兩(liang)種(zhong)，目(mu)前(qian)被(bei)廣(guang)泛(fan)使(shi)用(yong)的(de)是(shi)濕(shi)法(fa)腐(fu)蝕(shi)工(gong)藝(yi)
，其(qi)包(bao)括(kuo)各(ge)向(xiang)同(tong)性(xing)與(yu)各(ge)向(xiang)異(yi)性(xing)腐(fu)蝕(shi)。各(ge)向(xiang)同(tong)性(xing)腐(fu)蝕(shi)是(shi)指(zhi)在(zai)晶(jing)片(pian)各(ge)個(ge)方(fang)向(xiang)上(shang)腐(fu)蝕(shi)速(su)度(du)相(xiang)等(deng)
，可(ke)以(yi)製(zhi)作(zuo)出(chu)任(ren)意(yi)橫(heng)向(xiang)幾(ji)何(he)形(xing)狀(zhuang)微(wei)細(xi)圖(tu)形(xing)結(jie)構(gou)的(de)方(fang)法(fa)，而(er)各(ge)向(xiang)異(yi)性(xing)腐(fu)蝕(shi)則(ze)是(shi)與(yu)被(bei)腐(fu)蝕(shi)晶(jing)片(pian)的(de)結(jie)構(gou)方(fang)向(xiang)有(you)關(guan)的(de)腐(fu)蝕(shi)方(fang)法(fa)
，利(li)用(yong)掩(yan)蔽(bi)圖(tu)形(xing)與(yu)不(bu)同(tong)晶(jing)麵(mian)的(de)對(dui)準(zhun)角(jiao)關(guan)係(xi)，可(ke)以(yi)製(zhi)作(zuo)出(chu)深(shen)度(du)達(da)幾(ji)十(shi)微(wei)米(mi)的(de)不(bu)同(tong)種(zhong)三(san)維(wei)空(kong)間(jian)結(jie)構(gou)，如(ru)V型槽、懸臂梁、懸台結構等。

    MEMS傳chuan感gan器qi的de特te點dian是shi有you質zhi量liang塊kuai位wei移yi限xian位wei結jie構gou
，使shi質zhi量liang塊kuai在zai高gao過guo載zai激ji勵li下xia的de位wei移yi被bei限xian製zhi在zai安an全quan的de形xing變bian範fan圍wei內nei。此ci外wai，傳chuan感gan器qi和he信xin號hao處chu理li電dian路lu係xi統tong還hai都dou采cai用yong抗kang高gao過guo載zai封feng裝zhuang技ji術shu封feng裝zhuang在zai同tong一yi個ge矽gui片pian上shang。

三、典型應用比較

  　1、壓電傳感器在高過載環境下的測量

    由於固有缺陷，壓電傳感器在受到高過載激勵後經常出現零位偏移的現象
，不能真實再現被測動態過程。圖2為采用壓電傳感器測試的某型號彈丸侵徹40mm鋼板的過載曲線，圖中曲線在高過載後沒有回零
，這時，測試所得的低過載數據已經沒有意義了。

    2、MEMS傳感器在高過載環境下的測量

    3255是EG&G公司的壓阻式矽加速度計，為兩片結構

，一片為用MEMS製造技術加工的懸臂式加速度傳感器，另一片為專用集成電路(ASIC)
，其包括前置放大、自檢與各種補償電路，兩片封裝在同一基片上，有 ±50g、±250g、±500g三種量程和20～30倍量程的抗過載能力。

   （1）馬歇特落錘試驗

    馬歇特錘的原理是用重力對衝擊錘加速，使其擊打鐵質目標，從而產生較大的加速度過載。這個裝置可產生200～50000gn
、持續時間100～120ms的衝擊加速度。現將量程為50gn的MEMS傳感器固定在馬歇特錘頭上，調整使其產生峰值約為30000gn以上的過載值，測試結果如下圖所示。圖3為第一次衝擊後錘頭反彈加速度從正到負的過渡過程。圖4是反彈後第二次衝擊後錘頭逐漸穩定的過程，從曲線上可以看到MEMS傳感器有很好的歸零效果。

    （2）引信上膛過載測試

    火炮炮彈上膛過載是影響引信可靠性和安全性的關鍵因素之一。上膛過載的測量對引信的設計具有一定的指導意義，選用量程50gn的3255傳感器對某火炮炮彈上膛過載進行測試，火炮的膛內發射過載達到23000gn
，重複進行了三次發射試驗，傳感器工作性能正常，在進行第四次試驗後失效。圖5是用3255傳感器測試的某火炮引信上膛的過載曲線。

四

、結論

    試驗表明
，傳統的壓電傳感器經常發生高過載後的零位漂移
，導致測試的高過載後的數據無效
，而MEMS傳感器在測試量程和抗過載能力方麵性能比較優越
，抗過載能力可以達到測量量程的400倍以上，但這是以可靠性為代價的
，比較安全的做法是將過載值控製在量程的100倍以內。