專利名稱：高g值加速度計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于加速度傳感器的生產(chǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種基于SOI技術(shù)的高g值加速度計(jì)。
背景技術(shù)：
穿甲、掩體侵徹、鉆地武器攻擊目標(biāo)以及航彈發(fā)射時(shí)，所產(chǎn)生的加速度信息是觸發(fā)其引信系統(tǒng)解除保險(xiǎn)并引爆起爆系統(tǒng)的主要參考依據(jù)之一。新軍事思想的發(fā)展和武器技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)武器系統(tǒng)加速度的測(cè)試要求越來(lái)越高，現(xiàn)有的加速度傳感器件已經(jīng)不能很好地滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需要。例如，新型導(dǎo)彈、火箭攻擊目標(biāo)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生g×105以上的加速度，要求加速度測(cè)量器件能準(zhǔn)確測(cè)量該加速度值，并將測(cè)量信號(hào)提供給引信控制系統(tǒng)；而且在加速度值達(dá)到g×105值時(shí)，加速度計(jì)應(yīng)該具有過(guò)載保護(hù)系統(tǒng)，避免高加速度沖擊造成加速度計(jì)損壞?，F(xiàn)有的加速度計(jì)大多僅能承受50000g以下的加速度，不能滿足要求。根據(jù)申請(qǐng)人所進(jìn)行的資料檢索，目前還沒(méi)有高g值加速度計(jì)的產(chǎn)品及相關(guān)報(bào)導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種基于SOI技術(shù)的一種高g值加速度計(jì)，該加速度計(jì)集應(yīng)力敏感與力電轉(zhuǎn)換檢測(cè)于一體，適用于穿甲、掩體侵徹、鉆地武器以及航彈等引信系統(tǒng)的高g值加速度測(cè)量。
實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)解決方案是，一種高g值加速度計(jì)，其特征在于，該加速度計(jì)由加速度敏感梁、兩塊電路板和SOI硅微固態(tài)壓阻芯片構(gòu)成；該加速度敏感梁上有對(duì)稱的臺(tái)階，其兩端有定位槽，兩塊電路板對(duì)稱粘接在臺(tái)階上，SOI硅微固態(tài)壓阻芯片設(shè)置在加速度敏感梁的中間，硅微固態(tài)壓阻芯片與兩塊電路板通過(guò)引線連接。
本發(fā)明采用雙端固定的加速度敏感梁和硅隔離SOI硅微固態(tài)壓阻芯片構(gòu)成硅微應(yīng)變固態(tài)壓阻高g值傳感器，解決了穿甲、掩體侵徹、鉆地武器以及航彈等引信系統(tǒng)的高g值加速度測(cè)量問(wèn)題。同時(shí)采用共晶焊接技術(shù)，解決了傳感器遲滯問(wèn)題。該加速度計(jì)傳感器具有量程高、動(dòng)態(tài)特性好、耐侯性強(qiáng)以及測(cè)量精度高、高過(guò)載等特點(diǎn)，能夠滿足穿甲、掩體侵徹、鉆地武器以及航彈等引信系統(tǒng)高g值加速度的測(cè)量需要。


圖1為本發(fā)明高g值加速度計(jì)安裝示意圖。
圖2為本發(fā)明的高g值加速度計(jì)結(jié)構(gòu)組成圖。
圖3為本發(fā)明的彈性元件工作原理圖。
圖4加速度敏感梁結(jié)構(gòu)圖。
圖5為SOI硅微固態(tài)壓阻芯片的結(jié)構(gòu)圖和顯微照。
圖6為高g加速度計(jì)的實(shí)物照片。
以下結(jié)合附圖和以下結(jié)合附圖和發(fā)明人實(shí)現(xiàn)的實(shí)施例以及本發(fā)明用于穿甲、掩體侵徹、鉆地武器以及航彈等引信系統(tǒng)用高g值加速度計(jì)工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1、圖2，一種高g值加速度計(jì)，由加速度敏感梁1、兩塊電路板2、3和SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4構(gòu)成；該加速度敏感梁1上有對(duì)稱的臺(tái)階，其兩端有定位槽，兩塊電路板2、3對(duì)稱粘接在臺(tái)階上，SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4設(shè)置在加速度敏感梁1的中間，SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4與兩塊電路板2、3通過(guò)引線5連接。
高g值加速度計(jì)用兩個(gè)固定螺釘6通過(guò)處于一個(gè)平面上的兩個(gè)定位槽與載體(引信組件)連接固定，實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)的定位。安裝時(shí)，使加速度方向垂直于加速度敏感梁1的長(zhǎng)度方向。
參照?qǐng)D3，當(dāng)產(chǎn)生圖示垂直于加速度敏感梁1長(zhǎng)度方向的加速度a時(shí)，相當(dāng)于在加速度敏感梁上產(chǎn)生分布力p的作用，根據(jù)牛頓定律p＝ρhwa (1)式中a為被測(cè)加速度，單位m/s2；h、w為梁的高度和寬度，單位m；ρ為梁材料的密度，單位Kg/m3。
加速度敏感梁1在加速度作用下發(fā)生撓度變形。通過(guò)共晶焊接封裝在加速度敏感梁1中點(diǎn)處的SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4能夠感知加速度敏感梁1應(yīng)力的變化，使SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4中的惠斯登電橋的橋臂電阻阻值成比例地變化，因?yàn)?amp;Delta;RR0=Δρρ0=πσ---(2)]]>電橋在固定電源的激勵(lì)下，輸出電信號(hào)。應(yīng)力的變化和分布力p的大小成正比，因而通過(guò)輸出信號(hào)的大小就可以測(cè)知p的大小，通過(guò)式(1)即可計(jì)算出被測(cè)加速度a。通過(guò)改變加速度敏感梁1的結(jié)構(gòu)參數(shù)(寬度、長(zhǎng)度和厚度)，可以設(shè)計(jì)不同量程范圍的加速度計(jì)。
對(duì)于加速度傳感器而言，考慮到傳感器精度指標(biāo)的要求，設(shè)計(jì)加速度計(jì)量程時(shí)，以加速度敏感梁1檢測(cè)點(diǎn)處SOI敏感元件檢測(cè)到的應(yīng)變≤500με為計(jì)算依據(jù)，梁的寬度由粘貼硅壓阻芯片的要求確定，根據(jù)許用應(yīng)變計(jì)算加速度敏感梁的長(zhǎng)度和厚度參數(shù)?？紤]到封裝因素和安裝時(shí)的體積限制，設(shè)計(jì)的加速度敏感梁的結(jié)構(gòu)如圖4所示。在分布力p作用下，加速度計(jì)彈性梁1中部產(chǎn)生的應(yīng)變最大，即為應(yīng)力集中點(diǎn)，SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4安裝在這個(gè)部位，可最大限度的提高傳感器的靈敏度。
采用SOI技術(shù)和各種硅微機(jī)械加工技術(shù)在(100)硅晶面上制作出所需的SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4。SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4的結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示，包括4000的SiO2，用于隔離測(cè)量電路層與硅基底，用LPCVD方法外延并得到滿足壓阻效應(yīng)的單晶硅層厚度(大約1.5～2u)和上層0.1～0.3u的氮化硅應(yīng)力匹配層和保護(hù)層，其中的氮化硅層用于消除硅與SiO2因熱膨脹系數(shù)不同而造成的熱應(yīng)力的影響。電阻條采用四折結(jié)構(gòu)、浮雕形式，具有檢測(cè)靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。為了更好地實(shí)現(xiàn)鍵合操作，SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4的背面進(jìn)行了鍍金。
由于采用了SOI技術(shù)和鈦—鉑—金梁式引線結(jié)構(gòu)，該芯片可工作于200℃～400℃條件下，解決了高溫下存在漏電流的影響，滿足高溫等惡劣環(huán)境下壓力測(cè)量的要求。
采用共晶焊接技術(shù)將SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4封裝在加速度彈性元件1的固支梁中部。其中加速度彈性元件1上表面采用鍍金處理，共晶焊的焊料成份為98Au/2Si，在380℃～430℃的環(huán)境條件下將SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4焊接在加速度彈性元件1中部。共晶焊接具有焊接強(qiáng)度高，焊接平整，SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4與加速度彈性元件1之間的熱阻小，并具有耐高溫性能。
發(fā)明人按上述技術(shù)方案完成的SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4的顯微照片如圖6所示。其外型尺寸11mm(L)×7mm(W)×1.5mm(H)，量程g×105～g×205；靈敏度0.5μV/g，重量0.7克。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。
權(quán)利要求
1.一種高g值加速度計(jì)，其特征在于，該加速度計(jì)由加速度敏感梁(1)、兩塊電路板(2、3)和SOI硅微固態(tài)壓阻芯片(4)構(gòu)成；該加速度敏感梁(1)上有對(duì)稱的臺(tái)階，其兩端有定位槽，兩塊電路板(2、3)對(duì)稱粘接在臺(tái)階上，SOI硅微固態(tài)壓阻芯片(4)設(shè)置在加速度敏感梁(1)的中間，SOI硅微固態(tài)壓阻芯片(4)與兩塊電路板(2、3)通過(guò)引線(5)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的高g值加速度計(jì)，其特征在于，所述的SOI硅微固態(tài)壓阻芯片(4)與加速度敏感梁(1)通過(guò)共晶焊接或其他封裝工藝鍵合在一起。
3.如權(quán)利要求1所述的高g值加速度計(jì)，其特征在于，所述的所述SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4的背面鍍金。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高g值加速度計(jì)，該加速度計(jì)由加速度敏感梁、兩塊電路板和SOI硅微固態(tài)壓阻芯片構(gòu)成；該加速度敏感梁上有對(duì)稱的臺(tái)階，兩塊電路板對(duì)稱粘接在臺(tái)階上，SOI硅微固態(tài)壓阻芯片設(shè)置在加速度敏感梁的中間，硅微固態(tài)壓阻芯片與兩塊電路板通過(guò)引線連接。本發(fā)明采用雙端固定的加速度敏感梁和硅隔離SOI硅微固態(tài)壓阻芯片構(gòu)成硅微應(yīng)變固態(tài)壓阻高g值傳感器，解決了穿甲、掩體侵徹、鉆地武器以及航彈等引信系統(tǒng)的高g值加速度測(cè)量問(wèn)題。同時(shí)采用共晶焊接技術(shù)，解決了傳感器遲滯問(wèn)題。該加速度計(jì)傳感器具有量程高、動(dòng)態(tài)特性好、耐侯性強(qiáng)以及測(cè)量精度高、高過(guò)載等特點(diǎn)，能夠滿足穿甲、掩體侵徹、鉆地武器以及航彈等引信系統(tǒng)高g值加速度的測(cè)量需要。
文檔編號(hào)G01P15/12GK1693901SQ20051004277
公開(kāi)日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2005年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月9日
發(fā)明者趙玉龍, 蔣莊德, 高建忠, 趙立波 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)