高g微阵列加速度传感器的电气互联研究

第２３卷第１期　

２０１０年１月　传感技术学报　

ＣＨＩＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＥＮＳＯＲＳ　ＡＮＤ　ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ　ＶｏＩ．２３　Ｎｏ．１　

Ｊａｎ．２０１０　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｈｉｇｈ－Ａｒｒａｙ　Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｉｎｔｅｒｃ０ｎｎｅｃｔｉｎｇ　

ＣＡ０　Ｓｈｉｊｉａｎ，ＬＩＵ　Ｘｉａｏｍｉｎｇ　，ＺＨＵ　Ｚｈｏｎｇｇａｎ，ＺＨＡＯ　Ｍｉｎｇｒｕｉ，ＹＡＯ　Ｋｅｍｉｎｇ　

（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｅｎｇｄｏｕ　６１　１７３　１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｈｉｇｈ　ｇ　ａｒｒａｙ　ａｅｅｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ　ｔｏ　ｓｔａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ａ　ｈｅａｖｙ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｔ　ｈａｓ　ａ　ｇｏｏｄ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　

ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ａｃｃｅｌｅｃａｔｉｏｎ　ｓｈｏｃｋ　ｏｆ　１．５×１０　ｇ　．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｒｏｍ　ａｃｅｅｌｅｒｏｍｅｔｅｓ　

ｌｅａｄ　ｗｉｒｅ　ｐｕｌｌｉｎｇ　ｔｅｓｔ　ａｆｔｅｒ　ｉｎｐｒｏｖｉｎｇ　ｉｔｓ　ｓｏｌｄｉｎｇ　ｓｅａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｒｉｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｕｚｚｙ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　

ｔｈｅｏｒｙ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃａｌｃａｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｄａｔａ，ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｐｒｅｃｉｏｕｓ　ｗｉｌｄｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｉｓ　ａｂｔａｉｎｅｄ．Ａｎｄ　ｔｈｅ　

ｉｍｐａｃｔ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｓｅｎｓｏｒ　ｓａｍｐｌｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ　ｐｏｌｅ　ｗａｓ　ｃａｒ—　

ｒｉｅｄ　ｏｕｔ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｅｆｆｅｃｔ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　１４８　０００　ｇ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｓｈｏｃｋ，ｔｈｅ　

ｓｅｎｓｏｒ　ｓｔｉｌｌ　ｃｏｕｌｄ　ｗｏｒｋ　ｎｏｒｍａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｇ　ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ　ｓａｔｉｓｆｉｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ－ｇ　ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ；Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ；ｆｕｚｚｙ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｉｎｎｅｒ　ｗｉｒｅ　ｗｅｌｄｉｎｇ　

ＥＥＡＣＣ：２５７５；７２３０Ｍ；７３１０Ｆ　

高ｇ微阵列加速度传感器的电气互联研究木　

曹始建，刘晓明　，朱钟淦，赵明锐，姚科明　

（电子科技大学机械电子工程学院，成都６１　１７３１）　

摘　要：设计高ｇ微阵列传感器在受到１５０　ｏｏｏ　ｇ　加速度冲击作用下，它的电气性能良好。通过对改进封装后加速度传感器　

引线拉伸试验数据进行分析，利用模糊优化理论优点对试验数据进行模糊计算，得出最佳的精确焊接工艺参数。对不同工艺　

参数的传感器样品在霍普金森杆上进行冲击破坏试验，实验结果表明，在１４８　０００　ｇ　加速度冲击作用冲击下，传感器仍能正常　

工作，基本满足设计要求。　

关键词：高ｇ加速度传感器；电气互联；模糊优化；内引线焊接　

中图分类号：ＴＮ３０５．９６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—１６９９（２０１０）０１—００４７—０５　

随着武器弹药系统的发展对引信技术提出了更　

高的要求，如：小型化、微型化、灵巧化、智能化、高可　

靠性、低成本等要求。传统的技术手段已经很难满　

足这些要求，而正在蓬勃发展的微机电系统　

（ＭＥＭＳ）技术却恰恰适应了这些要求，这必将给引　

信技术的发展带来革命性的变革。因此，在国际上，　

ＭＥＭＳ技术受到了各主要发达国家国防部门的广泛　

关注；在我国，随着引信技术的发展，更多的武器系　

统需要ＭＥＭＳ技术作为新的技术支撑。ＭＥＭＳ高加　

速度传感器是ＭＥＭＳ技术应用于引信侵彻过程惯　

性测试与控制的关键之一。　

随着微系统的快速发展，电气互联技术也越来　

越受到人们的关注。本文主要对电气互联中的引线　

键合进行计算分析，针对“十五”期间研制成功的微　

项目来源：装备部军事预研项目资助（５１３１８０２０３１２）　

收稿日期：２００９—０９—０３　修改日期：２００９—０９—２１　阵列加速度传感器的进行引线拉力强度分析。在前　

期我们已经通过试验分析了高微阵列加速度传感器　

的封装，并在封装外壳上做出了最优的选择，同时也　

对试验数据进行了简单的数据拟合，得出引线焊接　

的最佳工艺参数。但是为了得到更加精确的参数我　

们利用模糊优化理论来对样品的拉伸破坏试验数据　

进行模糊分析，计算出在焊接压力和焊接温度约束　

条件下的最佳焊接强度。然后对传感器进行冲击破　

坏试验，得出引线可承受的最大加速度冲击值。　

１拉伸破坏试验　

超声波热压引线焊接强度主要有焊接压力、焊　

接温度、焊接时间和超声波功率这个四个工艺参数　

决定。施加焊接压力的目的是为了使引线和金属焊　４８　传感技术学报　第２３卷　

盘紧密地接触，压力太小不能牢固地压住引线，超声　

功率不能传递到引线与金属焊盘的交界面，产生焊　

接不足的情况，同样压力过大使引线的变形增大，导　

致过度键合，甚至切断引线和破坏芯片。焊接温度　

的变化会导致焊接强度的变化，选择合适的焊接温　度以保证焊接可靠性…。如何选择工艺参数，成为　

我们研究的内容之一。我们主要考虑压力和温度的　

改变对焊接强度的影响。表１列出对传感器样品进　

行的拉伸破坏试验的测试数据。　

表１拉伸破坏试验数据　

温度／￣Ｃ　压力　序号　破坏点　破坏强度　温度／￣Ｅ　压力　序号　破坏点　破坏强度　ｌ　ａ一４　２４．８　ｌ　ａ一１　２４．７　２　ａ一２　２３．４　２　ａ一１　２１．１　３　ａ一１　２２．９　３　ａ一１　２５．０　４　ａ一２　１９．６　４　ａ—ｌ　２１．５　５　ａ一１　２３．４　５　ａ—ｌ　２６．１　５０　７６　：　２４０　５０　７６　：：　

８　ａ一１　２０．６　８　ａ一１　２３．Ｏ　９　ａ一２　２４．３　９　ａ一１　２４．３　１０　ａ一１　２３．７　１０　ａ一１　２６．８　１１　ａ一２　２４．１　１１　ａ—ｌ　２８．９　１２　ａ一１　２１．７　１２　ａ—ｌ　２６．８　

１　ａ一２　２３．８　１　ａ—ｌ　２０．３　２　ａ一１　２４．３　２　ａ一１　２２．５　３　ａ一１　１８．７　３　ａ一１　２６．９　４　ａ一１　１８．８　４　ａ—ｌ　３０．０　５　ａ一１　１８．６　５　ａ一１　２４．９　・ｓ０　６０　７６　：　２００　４０．　７６　：：　

８　ａ一４　２３．０　８　ａ—ｌ　２４．５　９　ａ一２　２６．０　９　ａ—ｌ　２３．３　１０　ａ—ｌ　２８．８　１０　ａ一１　２６．１　１１　ａ一４　２８．９　１１　ａ一１　２４．８　１２　ａ一１　２７．７　１２　ａ一１　２９．４　注：ａ一１为芯片焊盘上的焊点破坏；ａ一２为管脚上的焊点破坏；ａ一４为金丝拉断。　

此传感器引线焊接采用３５　ｍ金丝球焊接，选用　通过在“十五”期间对上面的数据进行分析，综合　

Ｙｌ一１２Ｃ外壳封装，选择金丝球焊接功率为２２０　ｍｗ，　考虑焊接压力和焊接温度可得到拟合二次函数关系：　

金丝球焊接时间为５０　Ｉｌｌｓ，由于焊接压力和温度对焊接　，　）＝一０．０００２４ｘ　一０．０００４９ｘ　＋０．０１１７ｘ。＋　

强度影响很大，焊接压力和温度对焊接强度的关系成０．１７８ｘ　＋１２．４３３３　（１）　

近似二次函数关系。将焊接好的内引线进行拉伸破坏　其中　为焊接压力，　ｚ为焊接温度。对上式进行模　

试验来检验焊接质量，拉伸破坏试验是在两个焊点之　糊优化计算，得出最佳的工艺参数。　

间的某个位置用钩子钩住往上拉伸直到拉断破坏，从　

拉断强度的大小和拉断的位置（焊点与焊盘之间的断　

开；被压变形的金属丝和未变形的金属之间断开；焊球　

颈部断开还是金属丝拉断）来判断焊接质量的好坏。　

图１为金丝球焊接的拉伸破坏试验结构图＿３　Ｊ。　

拉力　ｆ　

球　

图１　金丝球焊接的拉伸破坏试验结构图　占　２模糊优化计算　

２．１模糊理论概念　

１９６５年，美国控制论专家Ｌ．Ａ．Ｚａｄｅｈ教授首次　

提出了模糊集合的概念，从而开创了模糊数学分支。　

模糊数学是处理“亦此亦彼”问题的数学，它弥补了　

确定性数学的“非此即彼”二值逻辑的缺陷。自从创　

立“模糊数学”以来，模糊数学已被广泛应用于自动　

控制、人工智能、系统分析等诸多领域，并取得了惊人　

的成果。模糊理论是以模糊集合（ｆｕｚｚｙ　ｓｅｔ）为基础，　

其基本精神是接受模糊性现象存在的事实，而以处理　

概念模糊不确定的事物为其研究目标，并积极地将其　

严密的量化成计算机可以处理的讯息，不主张用繁杂　

的数学分析，即以模型来解决模型。引入模糊数学方　第１期　曹始建，刘晓明等：高ｇ微阵列加速度传感器的电气互联研究４９　

法不是为了把问题模糊化，而是把实际中的模糊事件　

用精确的数学表达式表示，使问题精确化。随着可靠　

性研究的不断深入，人们己经逐渐认识到了常规可靠　

性的种种不合理性，因此人们对可靠性中存在的不确　

定性的研究开始引入了模糊数学方法，在近２０多年　

的研究中，取得了显著的成果。　

本课题在前期已经对试验数据进行了数据拟　

合，但是为了弥补数据拟合中的的数据不精确的缺　

陷，同时考虑到少量的试验数据和数据中的不确定　

性因素，为了得出更加精确的加工工艺参数我们通　

过利用模糊优化理论来对数据进行模糊优化，来得　

出最佳的焊接工艺参数。为在后期的工作中建立微　

阵列加速度传感器系统机械加固专家数据库提供理　

论依据。　

２．２模糊计算　

我们利用模糊优化理论中的对称模糊优化设　

计，要求目标函数和约束函数都是模糊的。对称模　

糊优化数学模型是指目标和所有约束在优化问题中　

是同等重要的、对称的　

我们应用Ｌ．Ａ．Ｚａｄｅｈ引进的函数ｆ（　）的模糊　

极大值和模糊极小值的概念来对函数模糊优化。　

模糊极大集与模糊极小集令　

Ｍ＝ｍａｘ　）　（２）　∈Ｕ—　ｍ＝ｍ．．ｉｎ＿厂（　）　（３）　∈Ｕ　

．厂（　）在论域　上的模糊极大集定义为一模糊子集　

，其隶属函数为　

（　）＝　Ｘ∈Ｕ（４）　

由式（２）可知，模糊极大集　是函数ｆ（　）经过一定　

的线性变换后得到的，函数－厂（　）的极大点和极小点　

对模糊极大集　的隶属函数分别为１和０。　

求解目标函数　）在模糊约束Ｃ　（Ｊ＝１，２，…，　

．，）下的条件极值的步骤如下：　

（１）求　）的模糊极大集　，将　看成是模糊　

目标集。　

（２）求交模糊判决Ｄ即求　

，　ｐ　ｎ（，　）　（５）　

（３）按最大隶属原则求　

Ｘ　：ｍ…ａｘ　｛　Ｍ（　）＾（八Ｉ　，（Ｘ）｝　（６）　

就是所求的条件极大点　Ｘ　）就是在模糊　

约束ｃ　＝１，２，…，　）下的条件极大值。