MEMS高量程加速度传感器及其标定测试方法
2016山西省技术发明一等奖
发明人：刘俊、刘文怡、秦丽、郝晓剑、杨胡
项目针对大当量爆炸冲击波场威力的评估的需求为牵引，面向火箭发射、星箭分离为应用需求，深入开展了弹体侵彻等特种测试环境的力学参量测试研究，提出了量程15万g、抗过载20万g的MEMS高量程加速度传感器模型，揭示了特殊工作条件下典型产品失效机理及可靠性原理，发明了多层集成微缓冲结构设计、无引线互连技术开发设计方法，突破了总体幅度范围内对高破坏脉冲的滤除的关键技术，研制了量程15万g、抗过载20万g的MEMS高量程加速度传感器，解决了MEMS高量程传感器可靠性强化试验方法难题，显著提升了惯用典型分布形式的局限性，基于双弹头霍普金斯杆的动态校准方法处于国内领先水平，相关成果已在获取火箭的膛内发射、着靶等关键参数信息获得应用，有力支撑了我国长征系列运载火箭的发射重大任务的实施。
重点实验室完成的主要创新成果如下：
（1）设计、封装了量程15万g、抗过载20万g的MEMS高量程加速度传感器。发明了独特的梁-岛-塔形结构，有效的保障了测量精度和量程；提出了倒角应力释放结构，保障了高量程下的器件存活能力；开发了MEMS批量化制造工艺技术，实现器件低成本加工生产；生产了6英寸圆片大批量芯片。提出了应力匹配封装工艺，降低封装结构残余应力；开发了封装金属管壳结构和工艺；研发了批量MEMS高量程传感器集成制造方法。
（2）提出了微缓冲集成结构及高量程加速度传感器机械滤波方法。提出利用厚膜平面互连技术，开发出了芯片与信号调理电路的平面封装互连新方法；发明导电胶互连引线取代了金属引线方法，提高传感器芯片与测试电路互连的稳定性和可靠性。建立了高冲击环境下弹性应力波传输理论模型；提出基于“软质”材料应力波界面反射/透射机理的机械滤波结构。实现了在总体幅度范围内对高破坏脉冲的滤除，准确的获取了高过载环境下的加速度信号。
（3）提出MEMS高量程传感器可靠性强化试验方法。提出了高过载环境失效数据的加速寿命评估优化方法，突破了惯用典型分布形式的局限性，进一步得到高过载加速试验过程中样本失效的溯源；提出基于退化量分布的加速性能退化数据可靠性评估方法，解决了高可靠长寿命微惯性传感器在高过载有限试验时间内难以获取足够失效数据的技术瓶颈。建立了高过载硬故障和软故障竞争失效模式的可靠度函数、失效率函数、累积分布函数及失效概率，提出了竞争失效可靠性实验强化试验方法；填补了微惯性传感器可靠性评估的理论体系，提高了试验手段和统计分析能力。
该项目获发明专利授权12项、软件著作权登记1项，发表学术论文37篇，制定《MEMS高量程传感器性能测试》国家测试标准1项。
图1 量程15万g、抗过载20万g的MEMS高量程加速度传感器
图2 微缓冲集成结构及高量程加速度传感器机械滤波方法
图3 MEMS高量程传感器可靠性强化试验方法
图4 基于双弹头霍普金斯杆的动态校准方法
图5 结构体的抗高过载综合防护技术
