CN1288448C - 高g值加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高g值加速度计，该加速度计由加速度敏感梁、两块电路板和SOI硅微固态压阻芯片构成；该加速度敏感梁上有对称的台阶，两块电路板对称粘接在台阶上，SOI硅微固态压阻芯片设置在加速度敏感梁的中间，硅微固态压阻芯片与两块电路板通过引线连接。本发明采用双端固定的加速度敏感梁和硅隔离SOI硅微固态压阻芯片构成硅微应变固态压阻高g值传感器，解决了穿甲、掩体侵彻、钻地武器以及航弹等引信系统的高g值加速度测量问题。同时采用共晶焊接技术，解决了传感器迟滞问题。该加速度计传感器具有量程高、动态特性好、耐候性强以及测量精度高、高过载等特点，能够满足穿甲、掩体侵彻、钻地武器以及航弹等引信系统高g值加速度的测量需要。

Description

高g值加速度计

                      技术领域

本发明属于加速度传感器的生产及应用领域，涉及一种基于SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘体硅片)技术的高g值加速度计。

                      背景技术

穿甲、掩体侵彻、钻地武器攻击目标以及航弹发射时，所产生的加速度信息是触发其引信系统解除保险并引爆起爆系统的主要参考依据之一。新军事思想的发展和武器技术的不断进步，对武器系统加速度的测试要求越来越高，现有的加速度传感器件已经不能很好地满足现代战争的需要。例如，新型导弹、火箭攻击目标过程中，会产生g×10⁵以上的加速度，要求加速度测量器件能准确测量该加速度值，并将测量信号提供给引信控制系统；而且在加速度值达到g×10⁵值时，加速度计应该具有过载保护系统，避免高加速度冲击造成加速度计损坏。现有的加速度计大多仅能承受50000g以下的加速度，不能满足要求。根据申请人所进行的资料检索，目前还没有高g值加速度计的产品及相关报导。

                      发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘体硅片)技术的一种高g值加速度计，该加速度计集应力敏感与力电转换检测于一体，适用于穿甲、掩体侵彻、钻地武器以及航弹等引信系统的高g值加速度测量。

实现上述目的的技术解决方案是，一种高g值加速度计，其特征在于，该加速度计由加速度敏感梁、两块电路板和SOI硅微固态压阻芯片构成；该加速度敏感梁上有对称的台阶，其两端有定位槽，两块电路板对称粘接在台阶上，SOI硅微固态压阻芯片设置在加速度敏感梁的中间，硅微固态压阻芯片与两块电路板通过引线连接。

本发明采用双端固定的加速度敏感梁和硅隔离SOI硅微固态压阻芯片构成硅微应变固态压阻高g值传感器，解决了穿甲、掩体侵彻、钻地武器以及航弹等引信系统的高g值加速度测量问题。同时采用共晶焊接技术，解决了传感器迟滞问题。该加速度计传感器具有量程高、动态特性好、耐侯性强以及测量精度高、高过载等特点，能够满足穿甲、掩体侵彻、钻地武器以及航弹等引信系统高g值加速度的测量需要。

                      附图说明

图1为本发明高g值加速度计安装示意图。

图2为本发明的高g值加速度计结构组成图。

图3为本发明的弹性元件工作原理图。

图4加速度敏感梁结构图。

图5为SOI硅微固态压阻芯片的结构图和显微照。

图6为高g加速度计的实物照片。

以下结合附图和以下结合附图和发明人实现的实施例以及本发明用于穿甲、掩体侵彻、钻地武器以及航弹等引信系统用高g值加速度计工作原理作进一步详细说明。

                      具体实施方式

参照图1、图2，一种高g值加速度计，由加速度敏感梁1、两块电路板2、3和SOI硅微固态压阻芯片4构成；该加速度敏感梁1上有对称的台阶，其两端有定位槽，两块电路板2、3对称粘接在台阶上，SOI硅微固态压阻芯片4设置在加速度敏感梁1的中间，SOI硅微固态压阻芯片4与两块电路板2、3通过引线5连接。

高g值加速度计用两个固定螺钉6通过处于一个平面上的两个定位槽与载体(引信组件)连接固定，实现加速度计的定位。安装时，使加速度方向垂直于加速度敏感梁1的长度方向。

参照图3，当产生图示垂直于加速度敏感梁1长度方向的加速度a时，相当于在加速度敏感梁上产生分布力p的作用，根据牛顿定律：

p＝ρhwa                                          (1)

式中：a为被测加速度，单位m/s²；h、w为梁的高度和宽度，单位m；ρ为梁材料的密度，单位Kg/m³。

加速度敏感梁1在加速度作用下发生挠度变形。通过共晶焊接封装在加速度敏感梁1中点处的SOI硅微固态压阻芯片4能够感知加速度敏感梁1应力的变化，使SOI硅微固态压阻芯片4中的惠斯登电桥的桥臂电阻阻值成比例地变化，因为：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R_0}=\frac{\mathrm{\Δ\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_0}=\mathrm{\π\σ}---\left(2\right)$

电桥在固定电源的激励下，输出电信号。应力的变化和分布力p的大小成正比，因而通过输出信号的大小就可以测知p的大小，通过式(1)即可计算出被测加速度a。通过改变加速度敏感梁1的结构参数(宽度、长度和厚度)，可以设计不同量程范围的加速度计。

对于加速度传感器而言，考虑到传感器精度指标的要求，设计加速度计量程时，以加速度敏感梁1检测点处SOI敏感元件检测到的应变≤500με为计算依据，梁的宽度由粘贴硅压阻芯片的要求确定，根据许用应变计算加速度敏感梁的长度和厚度参数。考虑到封装因素和安装时的体积限制，设计的加速度敏感梁的结构如图4所示。在分布力p作用下，加速度计弹性梁1中部产生的应变最大，即为应力集中点，SOI硅微固态压阻芯片4安装在这个部位，可最大限度的提高传感器的灵敏度。

采用绝缘体硅片(SOI)技术和各种硅微机械加工技术在单晶硅片的100晶面上制作出所需的SOI硅微固态压阻芯片4。SOI硅微固态压阻芯片4的结构如图5(a)所示，包括4000的SiO₂，用于隔离测量电路层与硅基底，用LPCVD方法外延并得到满足压阻效应的单晶硅层厚度(大约1.5～2u)和上层0.1～0.3u的氮化硅应力匹配层和保护层，其中的氮化硅层用于消除硅与SiO₂因热膨胀系数不同而造成的热应力的影响。电阻条采用四折结构、浮雕形式，具有检测灵敏度高的优点。为了更好地实现键合操作，SOI硅微固态压阻芯片4的背面进行了镀金。

由于采用了绝缘体硅片(SOI)技术和钛-铂-金梁式引线结构，该芯片可工作于200℃～400℃条件下，解决了高温下存在漏电流的影响，满足高温等恶劣环境下压力测量的要求。

采用共晶焊接技术将SOI硅微固态压阻芯片4封装在加速度弹性元件1的固支梁中部。其中加速度弹性元件1上表面采用镀金处理，共晶焊的焊料成份为98Au/2Si，在380℃～430℃的环境条件下将SOI硅微固态压阻芯片4焊接在加速度弹性元件1中部。共晶焊接具有焊接强度高，焊接平整，SOI硅微固态压阻芯片4与加速度弹性元件1之间的热阻小，并具有耐高温性能。

发明人按上述技术方案完成的SOI硅微固态压阻芯片4的显微照片如图6所示。其外型尺寸：11mm(L)×7mm(W)×1.5mm(H)，量程：g×10⁵～g×20⁵；灵敏度：0.5μV/g，重量：0.7克。经过实验证明，达到了设计目的。

Claims (3)

1.一种高g值加速度计，其特征在于，该加速度计由加速度敏感梁(1)、两块电路板(2、3)和SOI硅微固态压阻芯片(4)构成；该加速度敏感梁(1)上有对称的台阶，其两端有定位槽，两块电路板(2、3)对称粘接在台阶上，SOI硅微固态压阻芯片(4)设置在加速度敏感梁(1)的中间，SOI硅微固态压阻芯片(4)与两块电路板(2、3)通过引线(5)连接。

2.如权利要求1所述的高g值加速度计，其特征在于，所述的SOI硅微固态压阻芯片(4)与加速度敏感梁(1)通过共晶焊接键合在一起。

3.如权利要求1所述的高g值加速度计，其特征在于，所述的所述SOI硅微固态压阻芯片4的背面镀金。

Images