单轴强冲击加速度传感器优化方案

美国Endevco 公司(已经被美国Meggitt PLC 公司收购，成为其传感器系统事业部)在强冲击传感器与极端强冲击试验测试方面具有长期技术积累。其研发的727 系列产品是一款质量只有0.3 g 的压阻式MEMS 加速度传感器，如图6-1 所示，最高量程6 ×104 g，频响100 kHz，10 V 电压激励，典型冲击灵敏度为0.3 μV/g，黏接方式安装。7270A 系列产品有2 ×104g、6 ×104g、20 ×104g 等多个量程，如图6-2 所示，双螺钉硬连接安装方式，标称谐振频率1.2 MHz，频响150 kHz，质量1.5 g，外形尺寸14 mm×7 mm×2.8mm，价格非常昂贵。7270AM4 与7270A 参数完全相同，它采用单螺柱结构硬连接安装方式。6 ×104g 以上量程产品对中国实行严格的出口限制。2255B 系列压电式冲击传感器如图6-3(a)所示，采用IEPE 技术，电压输出，螺纹硬连接方式安装，质量2 g，2255B-01 型号量程是5 ×104g，标称谐振频率300 kHz，频响20 ～30 kHz，典型灵敏度为0.1 mV/g。2225M5A 系列压电式冲击传感器如图6-3(b)所示，电荷输出方式，量程为10 ×104g，采用螺纹硬连接安装方式，质量13 g，电荷灵敏度0.025 pC/g。

图6-1 Endevco727 系列传感器

图6-2 Endevco7270A 系列传感器

图6-3 Endevco 公司压电传感器

(a)2255B 型；(b)2225M5A 型

美国PCB 公司(已被美国MTS 公司收购，成为其传感器事业部)在极端强冲击、振动、力学参数测试领域优势明显。3501B 系列压阻式MEMS 加速度传感器产品如图6-4(a)所示，采用螺纹硬连接安装方式，质量2.5 g，2 ×104g 量程产品频响为10 kHz，标称谐振频率60 kHz，灵敏度为1 μV/g；6 ×104g 量程产品的频响为20 kHz，标称谐振频率120 kHz，灵敏度为0.3 μV/g。350 系列压电式冲击传感器如图6-4(b)所示，采用ICP 技术，电压输出，有1 ×104g、5 ×104g、10 ×104g 三个量程，螺纹硬连接方式安装，质量4.5 ～5.5 g，标称谐振频率100 kHz，频响10 kHz，价格昂贵。

图6-4 PCB 公司压电传感器

(a)3501B 型；(b)350 型

丹麦B&K 公司是声学、振动、冲击测量与分析领域著名传感器制造商。8339 系列压电式冲击传感器如图6-5(a)所示，采用IEPE 技术，电压输出，有2 ×104g、5 ×104g、8 ×104g 三个量程，螺纹硬连接安装，质量5.8 g，标称谐振频率130 kHz，频响20 kHz 左右。8309 系列压电式冲击传感器如图6-5(b)所示，电荷输出，量程为10 ×104g，M5 螺纹硬连接安装，质量3 g，标称谐振频率180 kHz，频响28 kHz，价格昂贵。

瑞士KISTLER 公司研制的8742A 系列压电式冲击传感器如图6-6 所示，采用IEPE 技术，电压输出，有0.5 ×104g、1 ×104g、2 ×104g、5 ×104g 四个量程，采用螺纹硬连接方式安装，质量4.5 g，标称谐振频率100 kHz，频响10 kHz，5 ×104g 量程传感器冲击灵敏度为0.1 mV/g。

图6-5 B&K 压电系列传感器

(a)8339 型；(b)8309 型

图6-6 KISTLER 压电系列传感器

基于MEMS 微加工技术，美国Draper 实验室研制了电容式MEMS 强冲击加速度传感器，文献资料显示，其量程为20 ×104g，具有体积小、成本低、响应频率高、温度系数小、回零快和准确度高的特点。

美国Sandia 国家实验室基于MEMS 微机械加工技术研制出一种侵彻武器用强冲击加速度传感器，如图6-7 所示，量程5 ×104g。加速度传感器主要由参考电容、检测电容和支撑梁组成。图6-7 中检测电容和参考电容形状大小完全一致。检测电容材料为多晶硅，结构由两部分组成，一部分是固定极板，另一部分是可动极板。固定极板直接粘在衬底上，可动极板在梁的支撑下正对固定极板。图6-7 中左边为检测电容，采用L 形梁连接；右边为参考电容，直接连接在基座上，由于刚度较大，确保满量程时电容变化较小，有效减少测量误差。检测电容没有直接通过直梁连到基座上而是通过L 形梁连到基座上，使检测电容的可动电极在水平和垂直方向上都有一定的余量，减少安装时的应力影响。检测电容和参考电容都采用打孔方式增加阻尼，以改善动态特性。

图6-7 Sandia 实验室强冲击加速度传感器

(a)微结构扫描电镜照片；(b)微结构示意图

基于SOI-MEMS 加工工艺，美国ADI 公司设计了单片集成强冲击加速度传感器，其结构简图和封装图如图6-8 所示。该传感器量程达10 ×104g，应用时直接将传感器焊接在电路板上。(www.xing528.com)

图6-8 SOI-MEMS 加速度计结构简图与封装图

基于CMOS-MEMS 技术，伊朗Sahand 大学设计了双梳齿结构的强冲击加速度传感器，如图6-9 所示，文献描述该结构器件可测到12 ×104g 的冲击加速度。Dytran 公司研制出3086A 型强冲击加速度传感器，其外形结构如图6-10 所示，量程7 ×104g，抗10 ×104g 瞬时冲击，灵敏度为0.05 mV/g，采用螺纹硬连接方式安装，其质量为3.5 g。

图6-9 双梳齿的高g 传感器3D 结构

图6-10 Dytran 公司强冲击传感器

强冲击MEMS 加速度传感器属于高端传感器，主要应用于国防武器装备和民防重大工程，使用环境极端恶劣，可靠性要求高，研发难度大，资金投入多，用量少，仅凭市场行为拉动效应，很难研制出可用产品，需要国家持续的支撑和投入。我国20世纪90年代开始进军MEMS 产业，几十家科研机构和高校开展强冲击传感器研究，但是整体水平还有待提高，许多成果停留在实验室原理样机阶段，能达到工程化应用的产品很少。

兵器工业集团214 研究所和中科院上海微系统所合作，基于MEMS 技术研制出悬臂梁结构的强冲击加速度传感器，有2 ×104g 和6 ×104g 两种量程，封装采用TO263-5L 塑封形式，将传感器焊接到电路板上使用，外形图和安装示意图如图6-11 所示。

图6-11 兵器工业第214 研究所塑封传感器

(a)外形图；(b)传感器安装示意图

图6-12 北理工强冲击传感器样机

“十五”到“十二五”期间，北京理工大学李科杰教授、张振海副教授开展了硬目标侵彻强冲击试验、单轴和三轴强冲击传感器关键技术攻关，包括压电薄膜压缩型、压电石英型、MEMS 压阻型等多种强冲击加速度传感器研究，进行了近百发实弹打靶硬目标侵彻试验，获取到18 ×104g、脉冲持续时间大于1 ms 典型实弹数据，其传感器样机如图6-12 所示。

中国工程物理研究院电子工程研究所程永生团队开展压阻式MEMS 加速度传感器研究，传感器最高量程达15 ×104g。

中北大学张文栋团队研制的单轴压阻式强冲击加速度传感器，结构如图6-13 所示，量程为15 ×104g，自然谐振频率300 kHz。

图6-13 中北大学强冲击加速度计

(a)加速度计模型正反面；(b)样片正面图片

西安交通大学赵玉龙教授、蒋庄德院士在MEMS 压力传感器、MEMS 加速度传感器领域实力雄厚、成果丰硕。高动态MEMS 压阻式特种传感器及系列产品获得2017年国家技术发明奖二等奖，该团队研制出105g 单轴强冲击MEMS 传感器，打靶试验结果优良，有很好的产业化前景。

图6-14 988 型压电石英冲击传感器

扬州科动电子技术研究所KD 系列小型、微型压电加速度传感器与电荷放大器配合用于冲击加速度的测量，1001B 型号的最大量程为5 ×104g，电荷灵敏度为0.2 pC/g，频响10 kHz，自然谐振频率50 kHz，质量10 g，尺寸为φ11mm×21 mm。

中国兵器工业204 研究所苏建军团队研制的988 型压电石英冲击传感器，如图6- 14 所示，量程10 ×104g，频响25 kHz，电荷灵敏度0.4 ～0.7 pC/g。