高低温环境对三轴高g值加速度传感器灵敏度变化影响研究

高低温环境对三轴高g值加速度传感器灵敏度变化影响研究

周碧璇 周立凡 王立群 胡怡彤

陕西电子信息研究院有限公司 陕西省西安市 710077

摘要：本文主要探讨了高低温环境对三轴高g值加速度传感器灵敏度变化的影响。通过建立两端固支的敏感单元数学模型，得到了传感器灵敏度与敏感单元纵向应力、横向应力的关系；通过热-力耦合仿真分析得到了传感器灵敏度与温度间的关系；通过传感器高低温试验得到高低温环境下传感器灵敏度数据。

关键词：三轴高g值加速度传感器；高低温；灵敏度

研究高低温环境对三轴高g值加速度传感器灵敏度变化影响具有多方面的重要意义，了解在不同温度下灵敏度的变化规律，可以对测量结果进行更准确的修正和补偿，从而确保在各种环境下都能获得可靠的加速度数据。有助于设计师在开发新的三轴高g值加速度传感器时，充分考虑温度因素，选择合适的材料和结构，以增强传感器在高低温环境下的性能表现。在一些对加速度监测要求严格的场合，如航空航天和汽车安全领域，准确掌握传感器在高低温下的状态对于保障设备和人员的安全至关重要。同时，了解温度循环等因素对灵敏度的长期影响，有助于保障传感器在长时间使用过程中的稳定性和一致性。

一、敏感单元结构的温度特性

敏感单元结构的温度特性

传感器敏感单元的灵敏度温度特性主要源于温度变化时硅材料相关参数的变动。当温度发生变化时，硅材料的弹性模量、线膨胀系数等关键参数将随之变化，进而引起结构等效刚度及结构尺寸的相应变化。因此，在进行仿真分析之前，需准确确定硅材料的各项参数，特别是弹性模量、泊松比、线膨胀系数等，以评估温度变化对敏感单元性能的具体影响。

表1 硅材料热力学参数

常温条件下，硅材料的热力学参数如表1所示。其中，弹性模量和线膨胀系数具有显著的温度敏感性，即这些参数会随着温度的变化而发生明显的变动；而密度、泊松比、热传导系数等其他参数受温度变化的影响较小或几乎不受影响。在敏感单元的热力学仿真中，应充分考虑各热力学参数随温度的变化关系，以确保仿真结果的准确性和可靠性。同时，这些参数也为后续的热-力耦合分析提供了重要的理论依据。

二、热-力耦合分析

在高低温试验中，敏感单元同时受到稳态温度场和惯性力的作用，因此有必要对模拟进行热机械耦合分析。本文采用间接法进行分析，包括稳态热场和加速度场的顺序分析，并将热分析的结果作为结构受力分析的荷载。

在稳态热力学分析中，高低温实验的传热方法是热传导，它被定义为当物体内部存在温差时，热量从高温部分传递到低温部分；当处于不同温度的物体接触时，热量从高温物体传递到低温物体。

热传导遵循傅里叶定律，即：

q=-k(ΔT/Δx)A

其中q表示热流密度，k表示热导率，ΔT表示温度差，Δx表示在传热方向上的距离，A表示传热面积。

在建模及求解流程中，涉及的部分参数详列于表2，以5℃作为温度增量单位，在-40℃至50℃的广泛温度范围内进行了详尽的稳态热力学分析。随后，将稳态热力学分析所得结果有效加载至结构静力学分析步骤中，以进行精确求解。

表2 求解过程中部分参数

三、低温条件下的仿真结果

在极端低温条件下，对Z敏感单元进行加速度过载测试是一项极具挑战性的任务。在-40℃的低温环境中，针对Z敏感单元施加了高达150,000g的加速度过载，以检验其在极端条件下的应力状态和性能表现。

经过精确的实验和测量，得到了Z敏感单元在纵向和横向的应力分布图，如图1所示。

图1 横向（左侧）纵向（右侧）应力分布（-40℃）

从图中可以清晰地看出，在高达150,000g的加速度过载作用下，Z敏感单元平板的根部区域出现了明显的应力集中现象。这一区域承受了最大的纵向和横向应力，是结构强度和稳定性的关键所在。为了更深入地了解这一应力状态，对实验数据进行了详细的分析。结果显示，在加速度过载的作用下，Z敏感单元的结构发生了微小的位移，最大位移量达到了0.474微米。这一数值虽然看似微小，但在微观尺度下却足以对结构产生显著的影响。还得到了纵向和横向的最大应力值。纵向最大应力σl达到了45.8MPa，而横向最大应力σt则为19.9MPa。这些数值不仅反映了Z敏感单元在加速度过载作用下的应力水平，提供了评估其结构强度和耐久性的重要依据。

在如此极端的条件下进行加速度过载测试，对于Z敏感单元的制造工艺和材料选择都提出了极高的要求。只有经过精心设计和优化的结构，才能承受住如此巨大的加速度过载而不发生破坏。

四、高温条件下的仿真结果

在深入探讨50℃条件下对Z敏感单元施加Z方向150,000 g加速度过载的影响时，得到了Z敏感单元在纵向和横向的应力状态，如图2所示。这两个图形为我们提供了对敏感单元在极端加速度条件下的详细应力分布的直观认识。

图2 横向（左侧）纵向（右侧）应力分布（50℃）

首先，从图形中我们可以看到，在150,000 g的加速度过载作用下，Z敏感单元的平板根部出现了显著的纵向和横向最大应力。这种应力分布反映了敏感单元在承受巨大加速度冲击时，其内部结构的应力变化特征。

根据分析数据，Z敏感单元在承受这种极端加速度过载时，其结构最大位移达到了0.474微米。这一数据揭示了敏感单元在加速度过载下的形变程度，提供了评估其结构强度和耐久性的重要依据。分别计算了敏感单元在纵向和横向的最大应力。纵向最大应力σl达到了35.11 MPa，而横向最大应力σt则为10.2 MPa。这两个数据不仅反映了敏感单元在不同方向上的应力分布特点，揭示了敏感单元在承受加速度过载时可能发生的结构破坏风险。敏感单元的应力分布和最大应力值与其材料特性、结构设计以及制造工艺等因素密切相关。

五、结论

综上所述，在-40℃至50℃的温度范围内，每间隔5℃进行一次仿真，并通过精确计算得出敏感单元的灵敏度数据。在-40℃时，传感器的灵敏度达到0.58 μV/g；而在50℃时，其灵敏度则为0.485 μV/g。值得注意的是，在-40℃至20℃的低温区间内，传感器灵敏度的变化率显著高于20℃至50℃的高温区间。

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