CN101354284B - 一种高量程压阻加速度传感器共振频率的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高量程压阻加速度器共振频率的测试方法，特征在于利用金属端面之间碰撞产生较高的加速度和频率成份分布丰富的波作为激励源，当激励源中某些频率的波与高量程压阻加速度传感器的固有模态的频率等于或者接近时，器件高量程压阻加速度传感器发生共振，利用共振激发的方式以获得高量程压阻加速度传感器的共振频率：具体是高量程加速度传感器器件的管脚输出与放大器连接，从放大器输出的信号通过电缆线连接到计算机的输入端，记录金属端面之间碰撞过程产生应变波，从对应变波的时域或频域的分析测出共振频率是一种简单、经济、快速的测试方法。

Description

一种高量程压阻加速度传感器共振频率的测试方法

技术领域

本发明涉及提供一种高量程压阻加速度传感器共振频率的测试方法，属于微传感器的力学测试分析领域。

背景技术

量程范围在5000g到100000g(g＝9.8m/s²)或更高的高量程压阻加速度传感器在现代武器装备中具有重要的应用价值[Robert D.Sill，Shock calibrationof accelerometers at amplitudes to 100 000 G using compression waves，ENDEVCO，TP283]，其中描述傠速嚦传感器一个重要的工作指标就是器件的一阶共振频率。在实施设计中□就将传□器设计成具有较高共振频率的悬臂梁或者板崏歉敏感结构，如一阶共振频率一般在几十KHz到几百KHz，这样保证器件具攉较高的工作带宽[石云波，祈打瑾□刘俊，引信用加速嚦传低器摏感元件的覾计，半导体技术，Semiconductortechnology，2006：31(7)：pp537～541]。但是高量程加速度传感器的共振频率测试却并非易事。通常的振动台只能提供较小的加速度，在正弦驱动下，当加速度a一定时，振动幅度A和圆频率ω的平方成反比， $A=\frac{a}{{\mathrm{\ω}}^2},$ 频率越高，则振动的幅度就越小，当加速度为10g，频率达到50KHz时候，则振动幅度为1nm，即达到了振动台的振动极限，因此这样小的振动幅度是很难用来驱动和检测高量程高频率的响应。光学检测振动的方法具有较高的分辨率，可以用来检测微纳米结构中较高的共振频率。如原子力显微镜(AFM)中所使用的悬臂梁，在轻敲模式下，利用压电驱动悬臂梁，通过悬臂梁的光学反射就能检测具有上百KHz水平的振动。但单纯的悬臂梁与加速度传感器最大的差别是，悬臂梁探针结构在使用中直接暴露在空气环境下，不需要封装而可以直接使用，而加速度传感器器件却需要封装好来才可以使用，因此，利用光学方法是很难测试封装好器件内部结构的振动，这无疑是及其不利的。同样封装好的器件其内部是一个封闭的结构，对于高量程加速度传感器来说，在敏感结构的上下通常还具有抗过载等保护结构，其敏感结构内部的阻尼与暴露在空气中的状态截然不同，这就会显著影响测试到的共振频率。如果是在欠阻尼情况下，理论上检测到的振动频率 ${\mathrm{\ω}}_d=\sqrt{{\mathrm{\ω}}_0^2-n^2}$ 将要比自由振动频率ω₀低，其中n是阻尼系数c与质量m之比 $n=\frac{c}{2m}$ 。因此，如果在空气中能够进行测试的话将带来一定的测试不准确性。

碰撞过程中一般会产生很高的加速度和频率成份丰富的高频波，当碰撞激发的某些高频波与器件微结构(一般是微悬臂梁等)固有模态的频率接近时，器件就将发生共振，因此，在某些场合下可以利用碰撞冲击激发的方式以获得器件的共振频率。但是当微结构在共振状态时，会产生较大的振幅，当产生的应变超过一定极限时，对于Si来说，应变极限为10^-3，微结构将发生断裂进而导致器件失效。尤其是在加速度传感器的敏感方向上，当利用器件进行碰撞冲击实验检测加速度时，一阶共振波在某些条件下会激发出来，激发出来的共振波会叠加到由碰撞产生的主波上。如果碰撞是弹性碰撞，则碰撞输出的主波一般具有半正弦波形的形式。也就是叠加合成波的振幅甚至超过主波的几倍。因此，就使得微结构产生更大的振幅，这极容易导致加速度传感器的损坏。同时，叠加到主波上的共振波也影响到器件灵敏度的计算。更为重要的是，在加速度传感器微结构的工艺制造中，需要多步工艺才能完成，因此，器件从制造到封装一般来说成品率不高。针对于此，为了避免敏感结构的损坏，以及减小封装后器件在测试过程中的损坏问题，本发明拟提供一种高量程加速度传感器的共振频率测试方法，即在加速度传感器非敏感方向进行共振频率的测试方法，但并不排除在敏感方向进行测试的方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种高量程压阻加速度传感器共振频率的测试方法，具体地说，利用碰撞过程中产生的较高加速度和频率成份丰富的高频率的波作为激发源，当某碰撞冲击所产生的高频波与传感器微结构(一般是微悬臂梁等)固有模态的频率等于或者接近时，加速度传感器微结构将发生共振，进而得到共振信号的电压输出波形。因此，可以利用共振激发的方式以获得器件的共振频率。本发明提供一种简单、经济、快速的测试方法。主要采用加速度传感器的非敏感方向安装进行测试以减小器件损伤的测试方法。

考虑到当微结构在敏感方向共振状态时，一阶共振波在一定条件下会激发出来，激发出来的共振波将叠加到主波上。叠加合成波的振幅甚至超过正常碰撞输出主波振幅的几倍。当产生的应变超过一定极限时，微结构将发生断裂进而导致器件损坏。一般来说，高量程加速度传感器的灵敏度都很低，信号需要经过放大后才能提取出来，由于器件在横向方向具有较高的刚度，所以在同样的激励作用下器件的横向响应输出就小，也就是说横向灵敏度相当小，一般小于敏感方向的5％。因此，在同样激励作用下，器件在横向方向由冲击碰撞产生的输出波幅度就相当小，也就是敏感结构的振幅很小，而碰撞激发出来的共振信号即使叠加到主波上也不会对器件造成损坏。

下面，首先简单介绍基于硅的悬臂梁式加速度传感器的制造和工作原理，悬臂梁式加速度传感器采用较薄的硅悬臂梁结构，通过扩散在其表面形成敏感电阻层，当在敏感方向有加速度时，在敏感电阻上产生应变，导致电阻发生变化，悬臂梁式的加速度传感器结构如图1所示意。通过构成全桥输出方式，在一定的工作条件下，输出信号为电压。

敏感悬臂梁的结构力学参数和材料性能决定了器件的工作性能。对于悬臂梁式加速度传感器，如图1所示，其中硅悬臂梁厚度t，宽度w，长度L，当质量为m的悬臂梁受到敏感方向加速度a的作用时，在悬臂梁根部，也就是敏感电阻的位置，产生的最大应力为[Bao，Minhang，Analysis and DesignPrinciples of MEMS Devices.Minhang Bao.1^st，Amsterdam：Elsevier，2005]

$T_s=\frac{6\mathrm{maL}}{{\mathrm{wt}}^2}---\left(1\right)$

图1中的悬臂梁在同样加速度a作用下，横向受到的应力为

$T_{\mathrm{tr}}=\frac{6\mathrm{maL}}{{\mathrm{tw}}^2}---\left(2\right)$

而输出电压的大小正比于应力：

$V_{\mathrm{out}}=\frac{{\mathrm{\π}}_{44}}{2}{T}_{s\left(\mathrm{tr}\right)}{V}_s---\left(3\right)$

其中，Vs为激励电压，π₄₄是硅的敏感压阻系数。由(1)和(2)知道： $\frac{T_{\mathrm{tr}}}{T_s}=\frac{t}{w}.$ 一般来说，厚度t要远比宽度w小，这就是横向输出信号非常小的原因。

在图1中，悬臂梁法向方向即敏感方向上其弹性系数为：

$k=\frac{{\mathrm{Ewt}}^3}{{4L}^3}---\left(4\right)$

式中E是硅的Young’s模量，ρ是密度。其一阶共振频率为

$f=\frac{1.015}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{m}}=0.162\frac{t}{L^2}\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}---\left(5\right)$

而在横向方向即非敏感方向，则具有较高的弹性系数，为：

$k_{\mathrm{tr}}=\frac{{\mathrm{Etw}}^3}{{4L}^3}---\left(6\right)$

其共振频率为

$f_{\mathrm{tr}}=\frac{1.015}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k_{\mathrm{tr}}}{m}}=0.162\frac{w}{L^2}\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}---\left(7\right)$

因为，宽度w要远大于厚度t，也就是说，悬臂梁横向共振频率f_tr要远比敏感方向的共振频率f高很多，因此，相比较而言，横向的共振频率波和高阶频率波不容易激发出来。由上述应力、弹性系数和共振频率的分析知道，对同一结构的悬臂梁其横向方向的刚度要远比敏感方向高，即当在同样幅度的高加速度冲击下，横向输出较小的信号，对应敏感结构悬臂梁的形变很小。而悬臂梁在横向和二阶以上模态的共振频率均要比一阶的高出很多倍，一般较难激发出来。因此，当在非敏感方向进行测试，敏感方向的一阶共振频率的波能够被激发出来，产生较小的输出波，不会对悬臂梁结构造成损伤。另外，微加工是利用化学腐蚀的方法，腐蚀过程中总是会或多或少地带来结构的不对称性，这些不对称性使得敏感结构的一阶共振波在横向测试过程中容易被激发出来。

一般来说，传感器微结构的共振频率越高，则所需要的激发能量也越高，对应自由落体碰撞高度也越大。传感器敏感结构固有的本征振动能量为

$E=\frac{1}{2}{A}^2{\mathrm{\ω}}^{2}M{\cos }^2\left(\mathrm{\ωt}\right)---\left(8\right)$

其中，A为微结构振动幅度，ω为振动圆频率，ω＝2πf，M是质量。由(8)知道，共振频率越高，能量E也越大。这就是说，传感器的量程越高，其本征共振频率也越高，所需自由落体碰撞高度也越大。不同量程的传感器其共振频率不一样，因此，选择自由落体的高度也不一样。量程高的自由落体的高度也要高一些，对应于较高的激发能量。一般来说在满足器件过载的条件下，自由落体高度越小越好，对器件造成的损伤也越小。

对采集到的波形数据可以从两个方面进行分析，一个是从时域上，即从获得的随时间变化的有规律的输出波形，计算在一定时间间隔内的波形峰值数目，然后按照频率f和波形周期时间T的关系计算得到，即

$f=\frac{1}{T}---\left(9\right)$

第二种方法就是从频域上，对获得的输出数据通过付丽叶变换得到功率谱，即输出强度与频率的关系，从峰的位置上确定器件共振频率。

在本发明中，利用一个金属杆在下落时与地面上的金属钢砧相互碰撞作用产生高加速度和高频率成份波的激发源，金属杆的碰撞端端面首先被减速，然后向上加速。碰撞端的端面发生速度变化并产生应力波(固体中的声波)，应力波向杆的另一端传播。当t＝l/C时(l是金属杆的长度，C是杆中的声速)，声波传到杆的传感器端。如果传感器与杆直接刚性连接，声波就能完全传递给传感器。本发明提供的测试试验装置简图如2所示。实验中，将传感器以一定的方式固定在金属杆的尾端。金属砧碰撞过程中产生应变波，应变波将沿着金属杆传递给加速度传感器，加速度传感器记录这一碰撞过程。当敏感方向与加速度方向平行时(如图中2数字1所示意)，就记录了加速度传感器在敏感方向的输出，当输入加速度已知时，从敏感结构中获得的电压输出就可以计算灵敏度；同样，当敏感方向与金属杆垂直时(如图中2数字2所示意)，就获得了器件在非敏感方向，即横向方向的输出，然后对数据进行分析，从中就可以获得所需要器件的一阶共振频率。因此，本发明并不排除在敏感方向安装器件进行共振频率的测试。

本发明的具体实施步骤：

利用一定长度和直径的金属杆或铝合金杆3从一定高度自由落体条件下冲击碰撞一个固定在地面上的金属砧4，当金属杆或铝合金杆与金属钢砧相碰撞的时候，在金属杆或铝合金杆与金属砧碰撞前后会有较大速度的变化，以此获得较高的加速度，如20.000g。另外一种方式就是将高量程压阻加速度传感器器件(以下简称器件)安装固定在一个小的金属块上，金属块在固定的轨道上运动，然后与另一钢砧碰撞。之所以会产生较大的加速度，是因为金属杆或铝合金杆与金属砧碰撞速度变化的时间通常在微秒量级。按照图2将器件的非敏感方向安装固定在金属杆上，金属杆上或铝合金杆刻有凹口，用双面胶或者其它强力胶将器件固定好。然后将器件的管脚输出与放大器连接好，从放大器输出的信号通过电缆线连接到计算机的输入端，启动计算机和相应的控制数据采集软件。金属砧碰撞过程中产生应变波，应变波将沿着金属杆传递给加速度传感器，加速度传感器记录这一碰撞过程。当敏感方向与加速度方向平行时，如图中3a所示意，就记录了加速度传感器在敏感方向的输出，当输入加速度已知时，从敏感结构中获得的电压输出就可以计算灵敏度；同样，当敏感方向与金属杆垂直时，如图中3b或c所示意，就获得了器件横向方向的输出，然后对数据进行分析就可以获得器件的一阶共振频率。

试验中钢砧的尺寸为：长29.8cm，宽26.7cm，高19.2cm；金属杆或铝合金杆长为1m、直径1.5cm；传感器按图3(a)或(b)的方式安装固定在杆的顶端，传感器所产生的小信号通过细软电缆5与放大器6连接，经过放大的信号又通过电缆线与具有数据采集功能的计算机7连接，碰撞过程产生的波形显示于计算机屏幕上。

综上所述，本发明提供一种高量程压阻加速度器共振频率的测试方法，其特征是利用金属端面之间碰撞产生较高的加速度和频率成份分布丰富的波作为激励源，当激励源中某些频率的波与高量程加速度传感器的(一般是微悬臂梁等)固有模态的频率等于或者接近时，器件就将发生共振，利用共振激发的方式以获得加速度传感器的共振频率；

(1)所述的加速度传感器的非敏感输出方向安装固定在同轴的金属杆上，加速度传感器可以采用快速固化的502胶等固定，金属杆自由落体到金属砧上进行碰撞测试，获得器件在非敏感方向的输出，以减小器件在敏感方向的输出，防止器件的损坏；

(2)所述的加速度传感器的敏感输出方向安装固定在同轴的金属杆上，在自由落体碰撞测试中获得器件在敏感方向的输出。

(3)可以将加速度传感器用快速固化的502胶等固定在同轴的金属杆上或者金属滑块上，对于金属块的运动应控制在固定轨道上运动，在金属与金属碰撞过程中，非敏感轴与相互作用力的方向尽量保持垂直，尽量减小敏感方向的输出。

(4)测试中要求的放大器具有适当的放大倍数和较宽的工作带宽，以保证加速度传感器有较大信号的输出。

(5)对于不同量程的加速度传感器应选择不同的自由落体高度或激发强度。高量程的加速度传感器应在较高的激励下(自由落体高度高)下进行测试，而对于较低量程的加速度传感器应在较低的激励下(自由落体高度低)进行测试；

本发明提供的高量程压阻加速度器共振频率的测试方法，用于其它类型的高量程加速度传感器、高量程压力传感器等的一阶共振频率的测试分析；可以获得加速度传感器的横向输出特性，如横向输出灵敏度和波形等特性。

附图说明

图1.一种加速度传感器的结构示意图；

图2，自由落杆冲击装置示意图，其中1表示敏感方向安装的传感器，2表示非敏感方向安装的传感器，3表示金属杆，4表示金属砧，5表示电缆线，6表示放大器，7表示计算机数据采集系统；

图3，器件的三种安装方式，图中金属杆和器件均是非比例的示意，a，器件安装在金属杆或铝合金杆的侧壁，器件的敏感y方向，管脚(数字8)方向与金属杆长度方向平行；b，器件安装在金属杆侧壁，器件非敏感x方向，管脚方向与金属杆长度方向互相垂直；c，器件安装在金属杆顶端，器件非敏感z方向的示意图；(d)器件的坐标；

图4，一个5000g加速度传感器在敏感方向输出波形示意图；

图5，一个50000g加速度传感器在非敏感横向方向输出波形示意图。

具体实施方式

例1量程5000g加速度传感器的敏感方向安装的共振频率测试

按照图2和图3(a)将器件的敏感方向安装固定在金属杆上。器件固定在金属杆上，是将金属杆的尾端切割一个凹口，然后用双面胶或者502胶将器件固定，如使用502胶，要对安装面涂抹尽量薄和均匀；

然后将器件的四个管脚按照一定顺序连接电源的正极、负极和两个输出端，同放大器连接，放大器的输出电缆线连接到数据采集系统计算机上，启动计算机和相应的控制数据采集软件；

将安装固定在铝合金杆上的传感器从5cm高度处自由落体到地面上的金属砧，金属杆自由释放与金属砧相互碰撞产生应变波，应变波传递到传感器上，激发敏感压阻单元，使敏感压阻单元输出电信号，经过放大器放大传递给数据采集系统计算机，数据采集系统自动记录输出波形；

对采集到的波形数据可以从两个方面进行分析，一个是从时域上，即从获得的随时间变化的有规律的输出波形，计算在一定时间间隔内的波形峰值数目，然后按照公式(9)频率f和波形周期时间T的关系 $f=\frac{1}{T}$ 计算得到；第二种方法就是对获得的数据通过付丽叶变换得到功率谱，即输出强度与频率的关系，直接得到器件共振频率。图4是一个5000g传感器在敏感方向输出波形示意图。对波形中有周期性规律的波进行数据分析，得到周期T＝0.043ms，按照公式 $f=\frac{1}{T}$ 计算，得到共振频率为23KHz。

例2高量程5万g加速度传感器的非敏感方向安装共振频率的测试

按照图3(b)所示将器件的非敏感方向安装固定在金属杆上。器件固定在金属杆上，是将金属杆的尾端切割一个凹口，然后用502胶将器件固定，所使用的胶要涂抹的尽量薄和均匀；

同例1步骤相同，连接好放大器和计算机等。将安装固定好的传感器从30cm高度处自由落体到地面上的金属砧，金属杆自由释放与金属砧相互碰撞产生应变波，应变波传递到传感器上，激发敏感单元，敏感压阻单元输出电信号，经过放大器放大传递给数据采集系统计算机，数据采集系统自动记录输出波形；对波形中有周期性规律的波进行数据分析，得到周期T＝4.71μs，按照公式 $f=\frac{1}{T}$ 计算，得到共振频率为212KHz。图5是该传感器在非敏感横向方向输出波形示意图。器件在敏感方向的安装也得到同样频率的结果。

Claims (5)

1.一种高量程压阻加速度器共振频率的测试方法，其特征在于利用金属端面之间碰撞产生较高的加速度和频率成份分布丰富的波作为激励源，当激励源中某些频率的波与高量程压阻加速度传感器的固有模态的频率等于或者接近时，器件高量程压阻加速度传感器发生共振，利用共振激发的方式以获得高量程压阻加速度传感器的共振频率：具体是高量程加速度传感器器件的管脚输出与放大器连接，从放大器输出的信号通过电缆线连接到计算机的输入端，记录金属端面之间碰撞过程产生应变波，从对应变波的分析测出共振频率；所述的高量程加速度传感器的量程为5,000g到100,000g。

2.按权利要求1所述的高量程压阻加速度器共振频率的测试方法，其特征在于所述金属端面之间碰撞有两种情况：一种是将高量程压阻传感器安装固定在金属杆或铝合金杆的顶端；或固定在金属块上，为金属杆或铝合金杆自由落体冲击碰撞一个固定在地面上的金属钻产生碰撞；另一种是将高量程压阻加速度传感器安装固定在一个金属块上，金属块在固定的轨道上运动，然后与另一金属钻碰撞。

3.按权利要求2所述的高量程压阻加速度器共振频率的测试方法，其特征在于所述的高量程压阻传感器安装固定在金属杆或铝合金杆的顶端有下述三种情况：

(a)高量程压阻加速度传感器器件安装在金属杆或铝合金杆的侧壁，高量程压阻加速度传感器器件的敏感方向为Y方向，传感器管脚方向与金属杆或铝合金杆的长度方向平行；

(b)高量程压阻加速度传感器器件安装在金属杆或铝合金杆侧壁，高量程压阻加速度传感器器件的非敏感方向为x方向，传感器的管脚方向与金属杆或铝合金杆长度方向互相垂直；

(c)高量程压阻加速度传感器器件安装在金属杆或铝合金杆的顶端，高量程加速度传感器器件非敏感方向为z方向；

所述的高量程压阻加速度传感器器件是用双面胶固定在金属杆或铝合金杆上的凹口中。

4.按权利要求1所述的高量程压阻加速度器共振频率的测试方法，其特征在于对产生的应变波从以下两种方法中任一种进行分析：

方法(a)从时域上，对获得的随时间变化的输出波形，计算在一定时间间隔内的波形峰值数目，按频率f和波形周期时间T的关系计算

即 $f=\frac{1}{T}$

方法(b)从频域上，对获得的输出数据通过付丽叶变换得到功率谱，即输出强度与频率的关系，从峰的位置上确定高量程压阻加速度传感器器件的共振频率。

5.按权利要求1所述的高量程压阻加速度器共振频率的测试方法，其特征在于所述的高量程压阻加速度传感器为硅悬臂梁式。

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