[实用新型]一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计

说明书

技术领域

本实用新型属于光学微加速度传感器技术领域，涉及了一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计。

背景技术

飞行器的惯性导航，电磁炮发射，爆炸侵彻等领域，不仅对加速度计的测量灵敏度和精度有一定的要求，并且对抗大冲击的性能也提出了很高的要求。同时，为了满足现有先进装备和战略武器装备的小型化、集成化需求，设计制作高性能的微型加速度计也成为了现阶段加速度计的研究重点之一。

目前已经有了很多具有高测量精度的加速度计，如冷原子干涉加速度计[Canuel,B.,et al.,Six-Axis Inertial Sensor Using Cold-Atom Interferometry.Physical Review Letters,2006.97:010402.]、基于微光纤的光学加速度计[Chen,G.Y.,et al.,Theoretical and experimental demonstrations of a microfiber-based flexural disc accelerometer.Opt Lett.,2011.36(18):p.3669-71.]、隧穿式加速度计[Hiu,C.H.,et al.,A High-Precision,Wide-Bandwidth Micromachined Tunneling Accelerometer.Journal of Microelectromechanical Systems,2001.10(3):p.425-433.]，但是它们在承受巨大冲击后无法正常工作，并且冷原子干涉型加速度计也很难实现小型化。微机电系统(MEMS)加速度计已有许多实例可以抵抗高冲击，比如美国专利号为US7013730B2的专利“Internally shock caged serpentine flexure for micro-machined accelerometer”公开了一种抗冲击的MEMS加速度计，该设计通过引入限位缓冲块和调整弹性结构的宽度实现了良好的抗冲击性能，该种MEMS加速度计可以抵抗16000到20000g的冲击；世界专利号为WO2012/047996A1的专利“Shock resistant mounting for high gshock Accelerometer”提出了一种基于无引线芯片载体(LLC)的抗冲击MEMS加速度计，该设计通过将MEMS加速度敏感单元封装进高弹性的无引线芯片载体的方式实现了进一步的抗冲击性能，该种MEMS加速度计最高可以抵抗300000g的冲击。现有许多文献也报道了多种抗大冲击的MEMS加速度计，例如Jiachou Wang等人曾报道了一种双悬臂梁型MEMS加速度计，该种加速度计采用自限位保护面来抵抗冲击，可以抵抗20500g的冲击[Wang,J.and X.Li,A High-Performance Dual-Cantilever High-Shock Accelerometer Single-Sided Micromachined in(111)Silicon Wafers.Journal of Microelectromechanical Systems,2010.19(6):p.1515-1520.]；Kebin Fan等人提出了一种基于键合铰链的MEMS加速度计，并实验证明该种加速度计可以抵抗44614g的冲击[Dong,J.,et al.,Silicon micromachined high-shock accelerometers with a curved-surface-application structure for over-range stop protection and free-mode-resonance depression.Journal of Micromechanics and Microenigneering,2002.12:p.742-746.]；Peitao Dong等人提出了能够承受50000到100000g冲击的三轴压阻式MEMS加速度计[Dong,P.,et al.,High-performance monolithic triaxial piezoresistive shock accelerometers.Sensors and Actuators A:Physical,2008.141(2):p.339-346.]。在大冲击应用场合，MEMS加速度计可以通过加入限位措施或者提高弹性机构的刚度来提升抗冲击性能，目前已可以有效抵抗大于10000g的冲击。但是，基于MEMS的加速度计由于其测量原理的限制(电容、压阻、压电等形式由于工艺误差的存在)，很难实现高加速度测量灵敏度和测量精度。以上所述的抗高冲击MEMS加速度计的典型灵敏度在μV/g的量级，很难满足高测量灵敏度及精度的需求。