机载多通道压力扫描器加速度诱发的稳定性退化机制研究

《Sensors and Actuators A: Physical》：Investigation on Acceleration-Induced Stability Degradation Mechanism of an Airborne Multi-Channel Pressure Scanner

　　

•高g离心机测试与有限元仿真揭示了多通道压力扫描器的载荷诱导漂移机制
•硅膜片的惯性变形远小于工作压力引起的变形
•X轴（测量方向）的惯性载荷构成主要干扰；宽量程通道比小量程通道发生明显更大的漂移
•封装界面应力与通道相关的测量漂移相关，验证了通道差异与传感器布局结构密切相关
•宽带结构共振进一步放大了通道间的测量偏差

**引言**

基于多通道和阵列配置的压力测量已成为多种恶劣环境中的基本技术。机载多通道压力扫描器是高超音速飞行试验中的关键仪器，分布式表面压力测量有助于重构气动载荷并估算飞行器状态。MEMS压力传感器阵列已成功集成到机翼壁温贴片中及飞行试验靶上，用于飞行载荷测量，捕获拉起、推杆等机动过程中的压力分布[1]。航空航天压力变送器经常暴露于复杂的机械和惯性载荷条件下[2]。在高g机动过程中，高超音速飞行器可能承受数十g量级的多轴惯性载荷，据报道此类高惯性环境会在基于MEMS的传感器中引发显著的机械应力和偏置漂移[3]、[4]、[5]。在压力测量领域，加速度诱导效应被广泛认为是压力传感器的重要误差来源[6]。Chao等人[7]针对复杂加速度载荷下的压阻式压力传感器开发了振动-压力耦合模型和数字补偿策略。Xu和Ma[6]结合有限元分析与系统辨识，对压电压力传感器中的加速度诱导效应进行建模与补偿。

许多研究考察了压力传感元件层面由机械应力引入的误差机制。在振动应力作用下，硅压力传感器表现出特征性的零点漂移[8]。对微机械加速度计在随机振动下的分析表明，性能退化与惯性载荷密切相关[9]、[10]。恒定的机械载荷也被证明会损害微电子元件的完整性，凸显了集成系统对动态机械应力的敏感性[11]。

针对压力传感芯片的加速度敏感性结构与材料设计也受到了广泛关注。微型化和抗干扰是传感器件的常见设计目标。研究表明，惯性载荷会在压阻式压力传感器中产生可测量的偏移，而不对称的晶圆安装可显著放大加速度敏感性[12]。结构刚度等参数被证明在压电压力传感器的惯性力耦合中起关键作用[13]。从结构观点看，膜片的几何形状和整体布局强烈影响MEMS压力传感器的内部应力分布[14]、[15]。为降低加速度敏感性，Szczerba等人[16]提出了一种加速度不敏感的双膜片压力传感器，其有效性已在运动和旋转物体的气动测量中得到验证。Arunkumar等人[17]提出了一种采用SiC/SiO?堆叠膜片设计的MEMS压阻式压力传感器，用于高温高压应用。Vadivelu等人[18]将压电阻设计为C形阵列并放置在夹持矩形膜片的峰值应力区域以提高灵敏度。Xu等人[19]开发了一种紧凑型抗磁悬浮加速度计，其微型化设计中表现出结构传感耦合。这为在结构层面抑制惯性干扰提供了参考。

在多传感器和基于阵列的压力测量领域，已将大量精力投入将分立传感元件集成为紧凑型模块化组件。例如，文献[20]将多个压阻传感晶圆集成到一个智能MEMS压力传感器阵列中，实现在小尺寸下同时多点压力采集。与此同时，Wei等人[21]开发了一种基于波动压力传感器阵列的水下运载器可解释智能姿态感知系统，该系统通过分析分布式壁压波动来推断运载器相对于来流的姿态。此外，高速气动试验中的压力测量技术也得到了广泛研究，特别关注了动态压力载荷及相关结构应力带来的测量挑战[22]、[23]。在高速电子压力扫描器及其配套数据采集系统方面也取得了相当大的进展，为现代多通道压力扫描器的架构提供了坚实的技术基础[24]、[25]、[26]。

多通道压力扫描器在面对环境扰动时输出稳定性引起了越来越多的研究兴趣。通道补偿策略，特别是针对温度诱导漂移的补偿，已被证明能显著提高多通道扫描器的测量精度[27]、[28]。Liu等人[29]设计了一种悬臂梁结构的布拉格光栅压力和温度传感器，其中双光栅配置实现了独立的压力检测和温度补偿。除了热效应外，机械振动也会降低航空航天试验仪器测量性能。关于振动诱导测量误差的研究强调了需要专门的系统化评估框架来评估多因素耦合机械应力的综合影响[30]、[31]。

现有研究认识到，惯性载荷通过直接和间接途径引起传感器测量误差。直接惯性效应源于传感膜片或敏感晶体在自身惯性力作用下的变形，产生无法与真实压力信号区分的虚假输出[6]。间接结构耦合效应指惯性载荷通过扫描器壳体、安装支架、粘接层和气动歧管传播，在传感元件上引入附加应力，从而产生测量偏差[13]。尽管在压力传感元件层面已有大量结构创新和数值验证，但以往研究主要关注单个传感元件。这些研究大多纯属数值分析，缺乏对装配体的实验验证。尚缺乏对硅压阻式多通道压力扫描器作为整体进行实验测试或系统级仿真的研究，也尚未建立系统化的框架来评估高惯性载荷对此类扫描器的干扰。

因此，本文系统研究了在高惯性载荷下机载全组装硅压阻式多通道压力扫描器的性能。本文的创新之处在于将整个扫描器作为集成的机电系统处理，首次通过实验和仿真追溯了从加速度输入到信号输出的干扰路径。已开发出结合离心机测试、解析建模和总装有限元分析的系统的评估框架，以量化高惯性载荷对多通道压力扫描器的影响。在仿真中，分别在硅膜片和总装层面利用COMSOL模拟惯性载荷，以便比较直接和间接干扰路径，揭示封装应力和系统级结构耦合如何将外部加速度传递到各个传感通道。在实验中，可控离心机系统施加最高30 g的持续多轴惯性载荷，并根据所有通道的压力输出和性能指标评估扫描器的输出稳定性。本研究为在类似条件下工作的集成多通道压力传感器提供了一个可迁移的系统化评估框架。其研究结果可为在高惯性载荷下工作的机载多通道压力扫描器的结构优化、安装布局设计和测量误差补偿提供参考。

**章节片段**

**压阻式压力传感原理**

硅压阻芯片被广泛应用于现代机载多通道压力扫描器中，用于监测飞行器上的飞行参数。表1总结了本研究中压力扫描器所用两种压阻传感器的关键几何、材料和电学参数。硅膜片的边长与厚度比通常设计在20至60范围内，以在结构刚度和压力测量灵敏度之间取得平衡[33]。薄的方形膜片

**实验装置**

本工作采用单台机载多通道压阻式压力扫描器原型进行测试。扫描器主体为扇环形薄壁结构，扇形角不超过46°，厚度不超过40 mm，总质量不超过3 kg，适合机载平台的狭小安装空间。整体外观和通道布局如图3所示。该扫描器专为多点

**三轴离心机测试结果**

扫描器的测试后结构检查显示，针对高g工作环境优化的结构和封装设计在所有离心测试后均未出现裂纹、松动部件或塑性变形。这证实该器件具有足够的结构刚度，能在高g飞行条件下保持结构完整性。

图6对比了12个通道在X、Y和Z轴惯性载荷下的压力输出和测量标准差。

**结论**

本文结合三轴离心载荷测试与总装有限元仿真，研究了高g惯性载荷如何导致集成多通道压阻式压力扫描器输出漂移的机制。硅膜片的直接惯性变形产生的剪应力比工作应力水平低四个数量级，因此其对测量误差的贡献可忽略不计。由间接结构耦合效应引入的

**CRediT作者贡献声明**

Zanhui Huang：原创稿件撰写、可视化、验证、软件、调研、形式分析。Huan Wang：稿件审阅与编辑、资源、项目管理、资金获取、概念构思。Siyuan Huang：可视化、验证、数据整理。Zhezhi Huang：监督指导、资源、概念构思。Arfat Ahmad Khan：监督指导、形式分析、概念构思。Adam Slowik：稿件审阅与编辑、监督指导、概念构思。Xuanjia Huang：

**利益冲突声明**

作者声明，他们不存在可能影响本文所报告工作的已知经济利益冲突或个人关系。

**致谢**

本工作得到2025年电子信息行业职业教育科研计划（项目编号：DZXXZX2025037）和中国教育部及高等教育技术研究院2025年第二批科研基金项目（项目编号：ZS001）的资助。

**未引用参考文献**
[32]、[41]

Zanhui Huang于2025年从中南大学先进制造学院获得机械工程学士学位，目前正在攻读力学硕士学位。其研究方向包括多物理场仿真、压阻式压力传感器、多通道压力扫描器设计、恶劣环境应力下的测量稳定性以及传感器封装中的结构耦合。

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