一、前言

    動態測試領域中傳感器的高過載低量程一直是未能徹底解決的問題，這主要是因為傳統工藝傳感器固有的特性或工藝不能滿足這一特定環境的要求。傳統的壓電傳感器由于輸出阻抗高，低頻特性較差，在高過載后常發生零漂現象，使得測量數據不能真實再現被測量的動態過程，而傳統工藝的壓阻和電容傳感器雖然在頻響方面能滿足測試要求，低頻漂移較小，但由于制造工藝的原因，也不能較好解決這一測試問題。

    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硅片，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]中間層是用體硅加工工藝加工出的懸臂和質量塊，并且，在懸臂上用離子注入工藝制作出應變電阻器，當質量塊受到力運動時，電阻器的阻值變化，通過惠斯通電橋檢出電阻變化量，以此求得加速度值。

    制作傳感器的微機械加工技術可分為體微機械加工和表面微機械加工兩種。體微機械加工技術是對單晶硅或有表膜的體硅進行腐蝕，從而得到預期微結構的一種加工技術；而表面微機械加工技術則是對沉積或生長在基片上的多層膜進行加工，得到各種微機械結構的加工技術。體微機械加工技術中關鍵的步驟是腐蝕工藝，分為濕法腐蝕和干法腐蝕兩種，目前被廣泛使用的是濕法腐蝕工藝，其包括各向同性與各向異性腐蝕。各向同性腐蝕是指在晶片各個方向上腐蝕速度相等，可以制作出任意橫向幾何形狀微細圖形結構的方法，而各向異性腐蝕則是與被腐蝕晶片的結構方向有關的腐蝕方法，利用掩蔽圖形與不同晶面的對準角關系，可以制作出深度達幾十微米的不同種三維空間結構，如V型槽、懸臂梁、懸臺結構等。

    MEMS傳感器的特點是有質量塊位移限位結構，使質量塊在高過載激勵下的位移被限制在安全的形變范圍內。此外，傳感器和信號處理電路系統還都采用抗高過載封裝技術封裝在同一個硅片上。

三、典型應用比較

  　1、壓電傳感器在高過載環境下的測量

    由于固有缺陷，壓電傳感器在受到高過載激勵后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，圖中曲線在高過載后沒有回零，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公司的壓阻式硅加速度計，為兩片結構，一片為用MEMS制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沖擊錘加速，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的沖擊加速度。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為第一次沖擊后錘頭反彈加速度從正到負的過渡過程。圖4是反彈后第二次沖擊后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，重復進行了三次發射試驗，傳感器工作性能正常，在進行第四次試驗后失效。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后的零位漂移，導致測試的高過載后的數據無效，而MEMS傳感器在測試量程和抗過載能力方面性能比較優越，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制在量程的100倍以內。