CN112710382B - 微音叉谐振器振动敏感性片上测试结构和方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种微音叉谐振器振动敏感性片上测试结构和方法，涉及微机电传感器领域，所述方法包括：在微音叉谐振器件的两个子谐振器上添加独立的加力结构，通过微音叉谐振器件实际受力产生的加速度计算驱动电压，施加驱动电压在加力结构上产生与实际受力相同的虚拟振动力，进而等效外界的振动力输入对音叉谐振器进行测试，本申请通过在子谐振器的振动质量块上设置加力结构，能够可以高效、便捷、灵活地对微音叉谐振器的振动敏感性进行测试。并且，本申请的可摆脱现有测试方法中对振动台的依赖，不受振动台激励信号频率范围限制，当微音叉谐振器在应用场景安装固定后仍然可以实现原位在线测试，无需使用振动台。

Description

微音叉谐振器振动敏感性片上测试结构和方法

技术领域

本申请实施例涉及电压传感器领域，具体而言，涉及一种微音叉谐振器振动敏感性片上测试结构和方法。

背景技术

微音叉谐振器是用微电子工艺加工的特征尺寸在微米量级的谐振式器件，是多类微传感器的核心基础结构组件，如微机电陀螺、微谐振式温度传感器、微质量传感器等，其体积小、成本低、适于批量加工，有着广泛的应用前景。

微音叉谐振器的振动敏感性是指音叉谐振器的差模振动输出信号对外界共模振动干扰输入的敏感性。音叉谐振器通常将两个子谐振器的检测结构进行差分互连以敏感有用的差分输入信号，抑制外界的共模干扰信号，降低音叉谐振器对共模振动信号的敏感性。实际应用环境中存在大量的振动干扰信号，由于工艺误差的存在，使得音叉两个子谐振器的结构参数不一致，不能完全抵消外界的振动干扰，造成音叉谐振器输出误差，因此必须对音叉谐振器的振动敏感性进行测试和评估。

发明内容

本申请实施例提供一种微音叉谐振器振动敏感性片上测试结构和方法，旨在解决如何对微音叉谐振器的振动敏感性进行高效、便捷、灵活的测试的问题。

本申请实施例第一方面提供一种微音叉谐振器振动敏感性片上测试结构，所述结构包括：

微音叉谐振器的至少两个子谐振器，每个子谐振器的振动质量块上设置有加力结构；

计算电路，与所述加力结构连接，用于根据测试所需振动加速度计算出所需的驱动电压信号，并将所述驱动电压信号施加至所述加力结构上；

读出电路，与所述子谐振器的振动拾取结构的输出端连接，读取所述子谐振器输出的振动位移信号；

差分电路，与读出电路的输出端连接，得到子谐振器之间的差模信号，根据所述差模信号评估所述微音叉谐振器的振动敏感性。

可选的，所述计算电路根据测试所需输入振动加速度计算出所需的驱动电压信号，包括：

其中，m_s为子谐振器的质量，V(t)为所述驱动电压信号，K_vf为所述加力结构力电转换系数，a(t)为所述振动加速度。

可选的，所述子谐振器的振动拾取结构采用以下任一：

电容拾取结构、压电拾取结构、电磁拾取结构、压阻拾取结构。

可选的，所述加力结构采用以下任一：

静电加力结构、压电加力结构、电磁加力结构、电热加力结构。

可选的，所述子谐振器的振动拾取结构输出的信号为以下任一：

电容变化量、电荷变化量、电阻变化量。

本申请实施例第二方面提供一种微音叉谐振器振动敏感性片上测试方法，所述方法应用于以上任一所述结构，，所述方法包括：

利用所述计算电路根据测试所需输入振动加速度计算出所需的驱动电压信号；

将所述驱动电压信号施加至所述加力结构上；

通过所述子谐振器的所述振动拾取结构读取所述子谐振器的位移变化，得到位移变化信号；

将每个子谐振器输出的位移变化信号连接到差分电路，得到子谐振器变化量的差模信号；

通过所述差模信号对所述微音叉谐振器的振动敏感性进行评估。

采用本申请提供的微音叉谐振器振动敏感性片上测试结构，在微音叉谐振器件的两个子谐振器上添加独立的加力结构，通过微音叉谐振器件实际受力产生的加速度计算驱动电压，施加驱动电压在加力结构上产生与实际受力相同的虚拟振动力，进而等效外界的振动力输入对音叉谐振器进行测试，本申请通过在子谐振器的振动质量块上设置加力结构，能够可以高效、便捷、灵活地对微音叉谐振器的振动敏感性进行测试。并且，本申请的可摆脱现有测试方法中对振动台的依赖，不受振动台激励信号频率范围限制，当微音叉谐振器在应用场景安装固定后仍然可以实现原位在线测试，无需使用振动台。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例提出的一种微音叉谐振器的示意图；

图2是本申请一实施例提出的一种微音叉谐振器振动敏感性片上测试结构；

图3是本申请一实施例提出的微音叉谐振器振动敏感性片上测试方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参考图2，图2是本申请一实施例提出的一种微音叉谐振器振动敏感性片上测试结构。如图2所示，该结构包括：

微音叉谐振器的至少两个子谐振器200，每个子谐振器的振动质量块上设置有加力结构；

参考图1，图1是本申请一实施例提出的一种微音叉谐振器，微音叉谐振器结构100一般包括两个子谐振器101和102：子谐振器101由振动质量块1、振动弹簧梁5、锚点3以及振动拾取结构12所组成，振动质量块1通过振动弹簧梁5连接至锚点3；子谐振器102由振动质量块2、振动弹簧梁7、锚点4以及振动拾取结构13所组成，振动质量块2通过振动弹簧梁7连接至锚点4。子谐振器101和子谐振器102之间通过耦合弹簧梁6连接，构成音叉式结构。振动拾取结构12和13通常采用差分式电容式结构，或者压电式结构。

对微音叉谐振器振动敏感性测试的方法是将音叉谐振器置于振动台上。利用振动台产生加速度信号作用于被测谐振器的某一测试轴向上，再对输出进行采集。如图1，由振动台产生一定幅值和频率的加速度a(t),振动质量块1和2受该加速度作用，产生惯性力8和9，所生成的惯性力8和9使振动质量块1和2产生同向振动位移10和11。位移变化量10和11被振动拾取结构12和13转变为电容变化量、电荷变化量或者电阻变化量等，再通过读出电路14和15，以及差分电路16转换为差模振动电压信号17。电压输出信号17即可表示为微音叉谐振器在加速度a(t)作用下的振动敏感性。

此种测试音叉谐振器的方法的缺点是，测试时间花费较长，成本高，振动台激励信号频率范围有限，且对于已经在应用场景中安装好的器件无法进行离线振动敏感性验证测试。

本申请基于上述方法的缺陷，如图2所示，在微音叉谐振器200的每个子谐振器的振动质量块上设置有加力结构，微音叉谐振器200包括子谐振器201和202，子谐振器201设置有加力结构18，加力结构18与振动质量块1、振动弹簧梁5、锚点3以及振动拾取结构12所组成子谐振器201，振动质量块1通过振动弹簧梁5连接至锚点3；子谐振器102设置有加力结构19加力结构19与振动质量块2、振动弹簧梁7、锚点4以及振动拾取结构13组成子谐振器202，振动质量块2通过振动弹簧梁7连接至锚点4。加力结构与各自振动质量块刚性连接，加力结构接收到电压后会产生虚拟振动力。当施加特定幅值和频率的驱动电压时，两个子谐振器受到大小相等，方向相反的驱动时力，即虚拟振动力20和21，将同时作相向运动以平衡单个谐振器对衬底带来的力矩，其位移变化可以通过振动拾取结构进行检测，通过振动拾取结构输出的振动位移信号能够获得微音叉谐振器的运动信息。

优选的，所述加力结构采用以下任一：

静电加力结构、压电加力结构、电磁加力结构、电热加力结构。

对于加力结构可以采用不同的结构，在不同的应用环境下会根据需要选择最适宜的加力结构，加力结构可以是静电加力结构、压电加力结构、电磁加力结构、电热加力结构。

计算电路203，与所述加力结构连接，用于根据测试所需输入振动加速度计算出所需的驱动电压信号，并将所述驱动电压信号施加至所述加力结构上。

微音叉谐振器所应用的场景不同，不同场景下的微音叉谐振器所受到的实际应用环境的振动量级和频谱不同，因此不同场景下的微音叉谐振器受到的振动力不同，当微音叉谐振器的振动质量块受力后，将以某一加速度来加速进行位移。测试过程中，模拟实际场景中的虚拟振动力时，需要根据微音叉谐振器所应用的场景下的受力来产生相同的力，才能更加贴近实际，精准的进行测试，由于受力相同从而产生的加速度也是与实际应用的场景相同。由于本申请的虚拟振动力是由加力结构上电后产生的，因此可以利用所需要产生的振动加速度来反推出需要对加力结构施加的电压。

优选的，所述根据测试所需输入振动加速度计算出所需的驱动电压信号，包括：

其中，m_s为子谐振器的质量，V(t)为所述驱动电压信号，K_vf为所述加力结构力电转换系数，a(t)为所述振动加速度。

具体地，施加在子谐振器上的加载力F_el(t)可以表达为

F_el(t)＝K_vfV(t)      (2)

V(t)为所述驱动电压信号，K_vf为所述加力结构力的电转换系数，当外界输入振动加速度为a(t)时，两个子谐振器所受到的振动力F_ex(t)为

F_ex(t)＝m_sa(t)    (3)

根据式(2)和式(3)可以计算出与外界输入加速度相对应的驱动电压

将计算电路计算得到驱动电压转换为模拟信号格式，将转换得到的驱动电压信号通过加力结构上的驱动电极22和23加到加力结构上，驱动加力结构振动。

读出电路，与所述子谐振器的振动拾取结构的输出端连接，读取所述子谐振器输出的振动位移信号。

当子谐振器的振动质量块受力后会产生位移，振动质量块的位移会被子谐振器的振动拾取结构检测到，子谐振器201的振动位移会被振动拾取结构12检测到，子谐振器202的振动位移会被振动拾取结构13检测到，振动拾取结构12和13产生两个子谐振器的振动变化信号分别输出。

优选的，，所述子谐振器的振动拾取结构采用以下任一：

电容拾取结构、压电拾取结构、电磁拾取结构、压阻拾取结构。

对于拾取结构可以采用不同的结构，在不同的应用环境下会根据需要选择最适宜的拾取结构，拾取结构可以是电容拾取结构、压电拾取结构、电磁拾取结构、压阻拾取结构等。

进一步的，所述位移变化信号为以下任一：

电容变化量、电荷变化量、电阻变化量。

由于采用的拾取结构不同，拾取结构输出的位移变化信号也会是不同的格式，位移变化信号可以是电容变化量、电荷变化量、电阻变化量。

差分电路16，与读出电路的输出端连接，得到子谐振器之间的差模信号，根据所述差模信号评估所述微音叉谐振器的振动敏感性。

采用差分电路接收振动位移信号，差分放大器是一种电子放大器，能够将两个输入端的差以固定增益放大。差分的结构能够使干扰信号的有效输入为零，这就达到了抗共模干扰的目的。电路的输入的是两个子谐振器输出信号的差值，并采用差分放大器对这两个输入信号之差的放大得到差模信号。

采用本申请提供的一种微音叉谐振器振动敏感性片上测试结构，在微音叉谐振器件的两个子谐振器上添加独立的加力结构，通过微音叉谐振器件实际受力产生的加速度计算驱动电压，施加驱动电压在加力结构上产生与实际受力相同的虚拟振动力，进而等效外界的振动力输入对音叉谐振器进行测试，本申请通过在子谐振器的振动质量块上设置加力结构，能够可以高效、便捷、灵活地对微音叉谐振器的振动敏感性进行测试。并且，本申请的可摆脱现有测试方法中对振动台的依赖，不受振动台激励信号频率范围限制，当微音叉谐振器在应用场景安装固定后仍然可以实现原位在线测试，无需使用振动台。

基于同一发明构思，本申请一实施例提供一种微音叉谐振器振动敏感性片上测试方法。参考图3，图3是本申请一实施例提出的微音叉谐振器振动敏感性片上测试方法的流程图，应用于以上任一所述结构。如图3所示，该方法包括：

利用所述计算电路根据测试所需输入振动加速度计算出所需的驱动电压信号；

将所述驱动电压信号施加至所述加力结构上；

通过所述子谐振器的所述振动拾取结构读取所述子谐振器的位移变化，得到位移变化信号；

将每个子谐振器输出的位移变化信号连接到差分电路，得到子谐振器变化量的差模信号；

通过所述差模信号对所述微音叉谐振器的振动敏感性进行评估。

对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域内的技术人员应明白，本申请实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本申请实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请实施例是参照根据本申请实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的一种微音叉谐振器振动敏感性片上测试结构和方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (5)

1.一种微音叉谐振器振动敏感性片上测试结构，其特征在于，所述结构包括：

微音叉谐振器的至少两个子谐振器，每个子谐振器的振动质量块上设置有加力结构；

计算电路，与所述加力结构连接，用于根据测试所需振动加速度计算出所需的驱动电压信号，并将所述驱动电压信号施加至所述加力结构上，其中，所述加力结构接收到所述驱动电压信号后产生虚拟振动力，每个所述子谐振器受到所述虚拟振动力而产生振动位移信号，所述虚拟振动力与所述微音叉谐振器在实际应用的场景下的受力相同，所述测试所需振动加速度与所述微音叉谐振器在实际应用的场景下的受力而产生的加速度相同；

读出电路，与所述子谐振器的振动拾取结构的输出端连接，读取所述子谐振器输出的所述振动位移信号；

差分电路，与读出电路的输出端连接，得到子谐振器之间的差模信号，根据所述差模信号评估所述微音叉谐振器的振动敏感性；

所述计算电路根据测试所需输入振动加速度计算出所需的驱动电压信号，包括：

其中，m_s为子谐振器的质量，V(t)为所述驱动电压信号，K_vf为所述加力结构力电转换系数，a(t)为所述振动加速度。

2.根据权利要求1所述结构，其特征在于，所述子谐振器的振动拾取结构采用以下任一：

电容拾取结构、压电拾取结构、电磁拾取结构、压阻拾取结构。

3.根据权利要求1所述结构，其特征在于，所述加力结构采用以下任一：

静电加力结构、压电加力结构、电磁加力结构、电热加力结构。

4.根据权利要求1所述结构，其特征在于，所述子谐振器的振动拾取结构输出的信号为以下任一：

电容变化量、电荷变化量、电阻变化量。

5.一种微音叉谐振器振动敏感性片上测试方法，其特征在于，应用于权利要求1-4任一所述结构，所述方法包括：

利用所述计算电路根据测试所需输入振动加速度计算出所需的驱动电压信号；

将所述驱动电压信号施加至所述加力结构上；

通过所述子谐振器的所述振动拾取结构读取所述子谐振器的位移变化，得到位移变化信号；

将每个子谐振器输出的位移变化信号连接到差分电路，得到子谐振器变化量的差模信号；

通过所述差模信号对所述微音叉谐振器的振动敏感性进行评估。

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