MEMS传感器及在引信中的应用研究
|
摘要
微机电系统(MEMS)将对引信的发展提供其它技术不可比拟的技术支撑。本文主要内容可分为两大部分：硅微加速度传感器的设计、制造和测试；基于硅微加速度传感器的引信发射环境的识别。
文中首先分析了国内外硅微加速度传感器研究所取得的成果，根据引信环境信息探测的要求确定了结构简单、加工工艺相对容易、成本较低的压阻式加速度传感器作为引信发射环境识别的传感器。在参数选择基础上，设计了传感器的结构和工艺路线，并经过几个批次的试制，成功地加工出了传感器样机，利用马希特击锤对传感器样机进行了动态标定，标定结果令人满意。
文中分析了基于硅微加速度传感器的环境识别的引信安全性和可靠性，提出了基于加速度传感器的引信发射环境识别的阈值+时间窗法。指出了由于采用加速度传感器，引信安全系统的设计将由结构设计转化为环境识别方法的软件设计。提出了MEMS的发展在三个层次上可能改变未来引信的面貌，即部件级，可制作固态安全系统；产品级，导致固态引信的发展；系统级，实现制导——引信一体化。
Micro Electromechanical Systems (MEMS) will provide new technical support , which the other technology can not provide. The paper can be divided into two parts: the design, manufacture and test of the silicon micro-machined acceleration sensors and the circumstances - identify of the fuze which is based on the silicon micromachined acceleration sensors.
At first, the production of the research on the silicon micromachined acceleration sensors is analyzed home and abroad. The simple - structure, facility - process and low - cost piezoresistive accelerometers are used in the fuze to feel the circumstances of launch, which is under the request of the detection of the circumstances of the fuze. The structure and the process of the sensors are designed according to the preferences. The samplers of the sensors are produced successfully. The samplers are demarcated dynamic, and the results turn up trumps.
The security and the reliability of the fuze are analyzed during the circumstances - identify which is based on the silicon micromachined acceleration sensors in this paper. The method, threshold - time - gate is put forward which is used to identify the circumstances of launch, which is based on this kind of sensor. The paper points out that the design of the safety and arming system (S&A) of the fuze will translate from structure design to software of the circumstance - identify design. At last, the paper points out that the developments of the MEMS will change the design of the fuze on three levels. Component level which can be used to machining solid-state S&A, production level which will result in the developments of the solid - state fuze, system level which will realize the integration of the control, guide and the fuze.
文中首先分析了国内外硅微加速度传感器研究所取得的成果，根据引信环境信息探测的要求确定了结构简单、加工工艺相对容易、成本较低的压阻式加速度传感器作为引信发射环境识别的传感器。在参数选择基础上，设计了传感器的结构和工艺路线，并经过几个批次的试制，成功地加工出了传感器样机，利用马希特击锤对传感器样机进行了动态标定，标定结果令人满意。
文中分析了基于硅微加速度传感器的环境识别的引信安全性和可靠性，提出了基于加速度传感器的引信发射环境识别的阈值+时间窗法。指出了由于采用加速度传感器，引信安全系统的设计将由结构设计转化为环境识别方法的软件设计。提出了MEMS的发展在三个层次上可能改变未来引信的面貌，即部件级，可制作固态安全系统；产品级，导致固态引信的发展；系统级，实现制导——引信一体化。
Micro Electromechanical Systems (MEMS) will provide new technical support , which the other technology can not provide. The paper can be divided into two parts: the design, manufacture and test of the silicon micro-machined acceleration sensors and the circumstances - identify of the fuze which is based on the silicon micromachined acceleration sensors.
At first, the production of the research on the silicon micromachined acceleration sensors is analyzed home and abroad. The simple - structure, facility - process and low - cost piezoresistive accelerometers are used in the fuze to feel the circumstances of launch, which is under the request of the detection of the circumstances of the fuze. The structure and the process of the sensors are designed according to the preferences. The samplers of the sensors are produced successfully. The samplers are demarcated dynamic, and the results turn up trumps.
The security and the reliability of the fuze are analyzed during the circumstances - identify which is based on the silicon micromachined acceleration sensors in this paper. The method, threshold - time - gate is put forward which is used to identify the circumstances of launch, which is based on this kind of sensor. The paper points out that the design of the safety and arming system (S&A) of the fuze will translate from structure design to software of the circumstance - identify design. At last, the paper points out that the developments of the MEMS will change the design of the fuze on three levels. Component level which can be used to machining solid-state S&A, production level which will result in the developments of the solid - state fuze, system level which will realize the integration of the control, guide and the fuze.
引文
1 张卫，马宝华等．国外引信技术发展现状和我国引信技术发展策略研究．北京：中国兵器工业第210研究所．1990．12
2 南长江．鱼雷引信安全系统综述．现代引信，1996，(3)：
3 马宝华，高世桥．抓住MEMS技术带来的机遇，实现我国引信技术大跨度发展．国防科工委科技委年会论文集．1995．32～35
4 Roylance L M, etc. A Batch Fabricated Silicon Accelerometer. IEEE Trans Electron Device, 1979 ED-26 1911～1917
5 Shen S, Chen J, Bao M. Analysis on Twin - mass Structure for A Piezoresistive Acelerometer. Sensors and Actuators, 1999, A34:101～107
6 Plaza J A, Chen H, etc. New Bulk Accelerometer for Traxial Detection. Sensors and Actuators, 1998, A66, 105～108
7 Burrer Chr, Esteve J, etc. Fabrication and characterization of a twin - mass accelerometer. Sensors and Actuaters, 1994, A43 : 115～119
8 Yamada K. A Novel Silicon Accelerometer With A Surrounding Mass Structure. Sensors and Actuators, 1990, A21～A23 : 308～311
9 Rudolf F. Capactive Silicon Accelerometer with μg Resolution. Sensors and Actuators, 1990, A21～A23:297～302
10 Gerlach- Meyer U E. Micromachined Capacitive Accelerometer Sensors and Actuaters, 1991A25～A27 : : 555～558
11 费龙，钟先信等．硅微加速度传感器的现状及研究方向．传感器技术，1995(5)：1～6
12 Hiratsuka R. Design Considerations for Thermal Accelerometer. Sensors and Actuators, 1992, A32 : 380～385
13 郭秀中，陈家斌．微机械惯性仪表综述．测控技术，1996，15(3)：6～10
14 Marc Madou. Fundamentals of Microfabrication. CRC Press, 1997
15 Yuebin Ning. Fabrication and Characterization of High g- force, Silicon Piezoresistive Accelerometers. Sensors and Actuators, 1995, A48 : 55～61
16 Van Kampon R P. Modeling the Mechanical Behavior of Bulk- Micromachined Silicon Accelerometers. Sensors and Actuaters, 1998, A68 : 329～332
17 Thomas Tschan, Nico de Rooij. Characterization and Modelling of Silicon Piezoresistive Accelerometers Fabricated by a Bipolar- compatible Process. Sensors and Actuaters, 1991, A25～A27: 605～609
18 西安交通大学材料力学教研室编．材料力学．北京：人民教育出版社，1980
19 范茂军．微机械加工伺服加速度传感器技术研究：博士论文．南京：南京理工大学，1999
20 王寿荣编著．硅微型惯性器件理论及应用．南京：东南大学出版社，1999
21 王国强主编．实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践．西安：西北工业大学出版社，1999
22 刘天理．簧片式硅弹性膜应力分布的计算和加速度传感器的优化设计．仪表技术与传感器，1998(8)：1～4
23 Muro H K. Stress Analysis of SiO2/Si bi - Metal Effect in Silicon Accelerometers. Sensors and Actuators, 1992 ,A31:121～124
24 陈宏．硅微加速度传感器过载能力的研究．传感器技术学报，1996(4)：1～5
25 余瑞芬编．传感器原理．北京：航空工业出版社
26 Tufte E L S. Silicon Diffused- Element Piezoresistive Diaphragms. Journal of Applied Physis, 1962(23): 3322～3327
27 Tufte E L S. Piezoresistive Propertities of Silicon Diffused Layers. Journal of Applied Physis, 1963(34 : 313～318
28 孙以材，高振武．压力传感器芯片版图设计中若干重要问题(1)．半导体杂志，1999(1)：25～37
29 孙以材，刘玉岭，孟庆浩编著．压力传感器的设计制造与应用．北京：冶金工业出版社，2000
30 郑秀瑗，谢大吉．应力应变电测技术．北京：国防工业出版社，1985
31 沈桂芬．压阻式传感器灵敏度特性分析．传感器技术，1999(4)：17～20
32 鲍敏杭．微机械加工技术发展概况(1)．传感器技术，1999(5)：1～3
33 鲍敏杭．微机械加工技术发展概况(2)．传感器技术，1999(6)：1～2
34 黄庆安著．硅微机械加工技术．北京：科学出版社，1996
35 Riethmuller W, Benecke W, etc. A smart accelerometer with on- chip electronics fabricated by a commercial COMS process. Sensor and Actuators 1992, A31 : 121～124
36 高融等译．硅片加工工艺学．上海：上海科学技术出版社
37 编写组．半导体器件制造工艺．北京：中国劳动出版社，1995
38 K．A杰克逊主编．半导体工艺学．北京：科学出版社，1999
39 李玉龙，郭伟国等．高g值加速度传感器校准系统的研究．爆炸与冲击，1997，17(3)：90～96
40 袁希光主编．传感器技术手册．北京：国防工业出版社，1986
41 徐开先主编．实用新型传感器及其应用．沈阳：辽宁科学技术出版社，1995
42 庄楚强，吴亚森编．应用数理统计基础．广州：华南理工大学出版社，1999
43 陈丽杰，范茂军．压阻式加速度计的阻尼分析．传感器技术，1999，18(2)：15～18
44 Thomas T, Nico de R. Damping of Pizoresistive Silicon Accelerometers. Sensor and Actuators 1992, A32: 375～379
45 洪连进，李巍．硅悬梁式加速度计的研究．电测与仪表，1999，36：40～42
46 James B S. Squeeze - film Damping in Solid- state Accelerometers , IEEE
47 R.P. van Kampen, M. J. Vellekcop, etc. Application of electrostaic feedback to critical damping of an integrated silicon capacitive accelerometers.Sensor and Actuators. 1994 ,A43 : 100～106
48 孙以材，宋青林．压力传感器零点电漂移与热漂移特性的模拟．电子器件，2000，23(2)：94～99
49 Boukabache P P. Characterization and modeling of the mismatch of TCRs and their effects on the drift of the offset voltage of piezoresistive pressure sensors. Sensor and Actuators, 2000 (84) : 292～296
50 吴亚林，赵扬．压阻式传感器热灵敏度飘移的变压源补偿．传感器技术，2000，19(3)：38～40
51 王蕴辉，齐虹．扩散硅压力传感器工艺过程的FMECA分析．传感器技术，1998，17(5)：37～40
52 陈信琦，季安．硅压阻传感器稳定性品质的研究．仪表技术与传感器，1999(8)：1～3
53 石庚辰．关于开展引信传感器研究的若干问题．现代引信，1995(2)15～19
54 石庚辰．关于开展引信机电一体化安全系统研究的一些看法．现代引信，1994(1)：18～21
55 高敏．引信安全系统环境识别和状态控制研究：博士学位论文．北京：北京理工大学，1992
56 党瑞荣．高速战斗部侵彻混泥土过程中的炸点控制．弹箭与制导学报，2000(2)：54～57
57 洪元军．外军侵彻弹药及引信技术的最新进展．探测与控制学报，2000，22(2)：8
～13
58 石庚辰．引信用微机电传感器．探测与控制学报，2000，22(4)：31～35
59 高俊国，王建华，高敏．引信安全系统环境敏感装置分析．中国兵工学会引信分会第九届年会论文集，1995
60 高敏，马宝华．引信安全系统环境识别理论初步．兵工学报 1991，12(2)：8～13
61 张彦梅，李世义．引信电子安全系统可靠性建模．兵工学报，1998，19(4)：306～309
62 范宁军，马宝华．引信安全系统解除保险过程的数学模型．兵工学报，1992，13(3)：80～84
63 党瑞荣．全电子直列式保险装置：[博士学位论文]．南京：华东工学院，1991
64 Farace L, Meyer AL. Solid - state Accerlermeter Chip: Final Report, AD - A180112
65 USP 6,129,022. Ammunition Safety and Arming Unit
66 Keith B, Randll S. Military application of microelectromechanical system. 1994, AD—A282470
67 梅默思．微机电系统技术的军用研究．国防科技，2002，21：12～15
68 熊永虎．弹道修正引信无陀螺捷联惯性测量方法研究：博士学位论文．北京：北京理工大学，2001
69 马宝华．战争、技术与引信—关于引信与引信技术的发展．探测与控制学报，2001，23(1)：1～6
70 刘靖，石庚辰．微机电系统(MEMS)技术即在引信中的应用．现代引信，1997(3)：20～26
71 艾俐．有能力弹药．弹箭技术，1996(3)：
72 席占稳．微机电引信发展模式探讨．弹道学报，1999，11(1)：93～96
73 赵毅．微机械陀螺及其在制导兵器上的应用．弹箭与制导学报，1997(2)：55～59
74 Bradford S, D. Using Low- Cost MEMS Accelerometers and Gyroscopes as Strapdown. IMUS on Rolling Proiectiles. U.S. Army Research Laboratory Aberdeen Proving Ground MD21005～5066
75 Brown T G, Bradford S D.Dynamic High- g Loading of MEMS Sensors:Ground and Flight Testing.U.S. Army Research Laboratory Aberdeen Proving Ground MD21005～5066
2 南长江．鱼雷引信安全系统综述．现代引信，1996，(3)：
3 马宝华，高世桥．抓住MEMS技术带来的机遇，实现我国引信技术大跨度发展．国防科工委科技委年会论文集．1995．32～35
4 Roylance L M, etc. A Batch Fabricated Silicon Accelerometer. IEEE Trans Electron Device, 1979 ED-26 1911～1917
5 Shen S, Chen J, Bao M. Analysis on Twin - mass Structure for A Piezoresistive Acelerometer. Sensors and Actuators, 1999, A34:101～107
6 Plaza J A, Chen H, etc. New Bulk Accelerometer for Traxial Detection. Sensors and Actuators, 1998, A66, 105～108
7 Burrer Chr, Esteve J, etc. Fabrication and characterization of a twin - mass accelerometer. Sensors and Actuaters, 1994, A43 : 115～119
8 Yamada K. A Novel Silicon Accelerometer With A Surrounding Mass Structure. Sensors and Actuators, 1990, A21～A23 : 308～311
9 Rudolf F. Capactive Silicon Accelerometer with μg Resolution. Sensors and Actuators, 1990, A21～A23:297～302
10 Gerlach- Meyer U E. Micromachined Capacitive Accelerometer Sensors and Actuaters, 1991A25～A27 : : 555～558
11 费龙，钟先信等．硅微加速度传感器的现状及研究方向．传感器技术，1995(5)：1～6
12 Hiratsuka R. Design Considerations for Thermal Accelerometer. Sensors and Actuators, 1992, A32 : 380～385
13 郭秀中，陈家斌．微机械惯性仪表综述．测控技术，1996，15(3)：6～10
14 Marc Madou. Fundamentals of Microfabrication. CRC Press, 1997
15 Yuebin Ning. Fabrication and Characterization of High g- force, Silicon Piezoresistive Accelerometers. Sensors and Actuators, 1995, A48 : 55～61
16 Van Kampon R P. Modeling the Mechanical Behavior of Bulk- Micromachined Silicon Accelerometers. Sensors and Actuaters, 1998, A68 : 329～332
17 Thomas Tschan, Nico de Rooij. Characterization and Modelling of Silicon Piezoresistive Accelerometers Fabricated by a Bipolar- compatible Process. Sensors and Actuaters, 1991, A25～A27: 605～609
18 西安交通大学材料力学教研室编．材料力学．北京：人民教育出版社，1980
19 范茂军．微机械加工伺服加速度传感器技术研究：博士论文．南京：南京理工大学，1999
20 王寿荣编著．硅微型惯性器件理论及应用．南京：东南大学出版社，1999
21 王国强主编．实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践．西安：西北工业大学出版社，1999
22 刘天理．簧片式硅弹性膜应力分布的计算和加速度传感器的优化设计．仪表技术与传感器，1998(8)：1～4
23 Muro H K. Stress Analysis of SiO2/Si bi - Metal Effect in Silicon Accelerometers. Sensors and Actuators, 1992 ,A31:121～124
24 陈宏．硅微加速度传感器过载能力的研究．传感器技术学报，1996(4)：1～5
25 余瑞芬编．传感器原理．北京：航空工业出版社
26 Tufte E L S. Silicon Diffused- Element Piezoresistive Diaphragms. Journal of Applied Physis, 1962(23): 3322～3327
27 Tufte E L S. Piezoresistive Propertities of Silicon Diffused Layers. Journal of Applied Physis, 1963(34 : 313～318
28 孙以材，高振武．压力传感器芯片版图设计中若干重要问题(1)．半导体杂志，1999(1)：25～37
29 孙以材，刘玉岭，孟庆浩编著．压力传感器的设计制造与应用．北京：冶金工业出版社，2000
30 郑秀瑗，谢大吉．应力应变电测技术．北京：国防工业出版社，1985
31 沈桂芬．压阻式传感器灵敏度特性分析．传感器技术，1999(4)：17～20
32 鲍敏杭．微机械加工技术发展概况(1)．传感器技术，1999(5)：1～3
33 鲍敏杭．微机械加工技术发展概况(2)．传感器技术，1999(6)：1～2
34 黄庆安著．硅微机械加工技术．北京：科学出版社，1996
35 Riethmuller W, Benecke W, etc. A smart accelerometer with on- chip electronics fabricated by a commercial COMS process. Sensor and Actuators 1992, A31 : 121～124
36 高融等译．硅片加工工艺学．上海：上海科学技术出版社
37 编写组．半导体器件制造工艺．北京：中国劳动出版社，1995
38 K．A杰克逊主编．半导体工艺学．北京：科学出版社，1999
39 李玉龙，郭伟国等．高g值加速度传感器校准系统的研究．爆炸与冲击，1997，17(3)：90～96
40 袁希光主编．传感器技术手册．北京：国防工业出版社，1986
41 徐开先主编．实用新型传感器及其应用．沈阳：辽宁科学技术出版社，1995
42 庄楚强，吴亚森编．应用数理统计基础．广州：华南理工大学出版社，1999
43 陈丽杰，范茂军．压阻式加速度计的阻尼分析．传感器技术，1999，18(2)：15～18
44 Thomas T, Nico de R. Damping of Pizoresistive Silicon Accelerometers. Sensor and Actuators 1992, A32: 375～379
45 洪连进，李巍．硅悬梁式加速度计的研究．电测与仪表，1999，36：40～42
46 James B S. Squeeze - film Damping in Solid- state Accelerometers , IEEE
47 R.P. van Kampen, M. J. Vellekcop, etc. Application of electrostaic feedback to critical damping of an integrated silicon capacitive accelerometers.Sensor and Actuators. 1994 ,A43 : 100～106
48 孙以材，宋青林．压力传感器零点电漂移与热漂移特性的模拟．电子器件，2000，23(2)：94～99
49 Boukabache P P. Characterization and modeling of the mismatch of TCRs and their effects on the drift of the offset voltage of piezoresistive pressure sensors. Sensor and Actuators, 2000 (84) : 292～296
50 吴亚林，赵扬．压阻式传感器热灵敏度飘移的变压源补偿．传感器技术，2000，19(3)：38～40
51 王蕴辉，齐虹．扩散硅压力传感器工艺过程的FMECA分析．传感器技术，1998，17(5)：37～40
52 陈信琦，季安．硅压阻传感器稳定性品质的研究．仪表技术与传感器，1999(8)：1～3
53 石庚辰．关于开展引信传感器研究的若干问题．现代引信，1995(2)15～19
54 石庚辰．关于开展引信机电一体化安全系统研究的一些看法．现代引信，1994(1)：18～21
55 高敏．引信安全系统环境识别和状态控制研究：博士学位论文．北京：北京理工大学，1992
56 党瑞荣．高速战斗部侵彻混泥土过程中的炸点控制．弹箭与制导学报，2000(2)：54～57
57 洪元军．外军侵彻弹药及引信技术的最新进展．探测与控制学报，2000，22(2)：8
～13
58 石庚辰．引信用微机电传感器．探测与控制学报，2000，22(4)：31～35
59 高俊国，王建华，高敏．引信安全系统环境敏感装置分析．中国兵工学会引信分会第九届年会论文集，1995
60 高敏，马宝华．引信安全系统环境识别理论初步．兵工学报 1991，12(2)：8～13
61 张彦梅，李世义．引信电子安全系统可靠性建模．兵工学报，1998，19(4)：306～309
62 范宁军，马宝华．引信安全系统解除保险过程的数学模型．兵工学报，1992，13(3)：80～84
63 党瑞荣．全电子直列式保险装置：[博士学位论文]．南京：华东工学院，1991
64 Farace L, Meyer AL. Solid - state Accerlermeter Chip: Final Report, AD - A180112
65 USP 6,129,022. Ammunition Safety and Arming Unit
66 Keith B, Randll S. Military application of microelectromechanical system. 1994, AD—A282470
67 梅默思．微机电系统技术的军用研究．国防科技，2002，21：12～15
68 熊永虎．弹道修正引信无陀螺捷联惯性测量方法研究：博士学位论文．北京：北京理工大学，2001
69 马宝华．战争、技术与引信—关于引信与引信技术的发展．探测与控制学报，2001，23(1)：1～6
70 刘靖，石庚辰．微机电系统(MEMS)技术即在引信中的应用．现代引信，1997(3)：20～26
71 艾俐．有能力弹药．弹箭技术，1996(3)：
72 席占稳．微机电引信发展模式探讨．弹道学报，1999，11(1)：93～96
73 赵毅．微机械陀螺及其在制导兵器上的应用．弹箭与制导学报，1997(2)：55～59
74 Bradford S, D. Using Low- Cost MEMS Accelerometers and Gyroscopes as Strapdown. IMUS on Rolling Proiectiles. U.S. Army Research Laboratory Aberdeen Proving Ground MD21005～5066
75 Brown T G, Bradford S D.Dynamic High- g Loading of MEMS Sensors:Ground and Flight Testing.U.S. Army Research Laboratory Aberdeen Proving Ground MD21005～5066