CN115406612A - 一种用于mems惯性器件多方向振动与冲击测试的工装 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装，包括器件固定夹具，其实施为一个立方体结构，六个表面上均开有一个向内凹陷的腔体，且其中一个表面上的腔体继续向内凹陷形成器件容纳腔，器件容纳腔的底壁面上设有固定部，任一个表面上绕腔体的外周均匀间隔布置有若干第一连接孔；转接件实施为一方形板块且其的厚度方向的两个表面实施为安装面，安装面的面积大于立方体结构的表面的面积，转接件上开设有第二连接孔及第三连接孔；第一紧固件适于将转接件与器件固定夹具固定在一起；第二紧固件适于将转接件和振动台或冲击台固定在一起。可以实现MEMS惯性器件多方向的振动和冲击试验，操作方便、固定可靠。

Description

一种用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装

技术领域

本发明涉及MEMS惯性器件振动测试技术领域，具体地涉及一种用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装。

背景技术

电子产品在使用前，经常要经过各种环境试验，验证产品在储存、运输和使用环境的适用能力。其试验的主要目的是：暴露产品各方面的缺陷、评价产品可靠性是否达到预定指标；剔除有失效隐患的产品；分析产品在不同环境和应用条件下的失效规律及有关的失效模式和失效机理；以及为改进产品可靠性提供方案等。

MEMS（Micro-Electro-Mechanical-System，微电子机械系统）惯性器件具有体积小、重量轻、功耗低、可大批量生产、成本低、抗过载能力强等一系列优点，因此被广泛应用于生物与医学行业、汽车工业、机器人、消费电子、航空航天、导弹制导等军民用领域中。MEMS惯性器件不可避免地应用在各种恶劣的工作环境中，由此引发的可靠性问题非常突出，近年来受到了高度重视。在制造、安装、运输或使用过程中，MEMS惯性器件经常会遭受到剧烈冲击或振动应力的影响，这些恶劣环境应力将导致MEMS惯性器件的一些性能特性发生变化（典型为零点漂移等）或失效，所引发的典型失效模式包括断裂、分层、粘附、疲劳、腐蚀、微粒污染等。

MEMS惯性器件与其它电子器件有诸多不同之处，其中MEMS器件有很多微可动机械结构，如MEMS惯性器件的悬臂梁、梳齿等部件，对应力非常敏感，在振动和冲击环境下最容易发生断裂、粘附、微粒污染、机械阻塞、短路、疲劳、以及金属键合引线的脱落及分层等，因此，对MEMS惯性器件进行振动和冲击环境试验是非常必要的。同时，MEMS惯性器件通常应用于运动物体上，需在振动和冲击情况下，不断检测物体的运动状态，与大多数电子器件的振动和冲击试验提出了不同的要求，在振动与冲击的试验方向的个数和测试要求上有所不同。

大多数电子产品和MEMS惯性器件、组件或系统等都要做X、Y、Z三个轴向的振动试验，但电子产品一般在振动试验过程中不测试器件的性能指标，而是在振动试验后再对器件进行电性能的测试，然而MEMS惯性器件除了在振动试验前后对器件进行电性能的测试外，还需要在振动试验过程中测试器件的性能指标。在冲击试验中，大多数电子器件一般只做一个方向如Y方向的试验，然而MEMS惯性器件，要做+X、-X、+Y、-Y、+Z、-Z六个方向的冲击试验。基于MEMS惯性器件振动与冲击试验的不同要求，对应用于MEMS惯性器件振动与冲击试验工装提出了更多的要求。

电子产品或MEMS惯性器件（MEMS惯性传感器、组件或系统）要做振动与冲击试验时，需将器件安装固定在设备的振动和冲击试验台上进行，不可避免都要考虑器件安装固定在振动台或冲击台上的问题。目前一般常采用专用工装和采用压条或压块的固定这两种方法。为了对器件进行X、Y、Z三个轴向的振动试验和+X、-X、+Y、-Y、+Z、-Z六个方向的冲击试验，如果采用目前的专用工装时，需要多次更换器件和工装的组合方向才能完成。但在频繁更换器件方向的安装固定过程中，操作起来极为繁锁，不仅耗时、不方便，而且在拆装器件和器件引出导线的过程中，很容易磨损器件表面或把固定在工装上的引出导线破损或压断等。如果只采用更换工装的方向安装固定时，则至少需要制作两种工装才能完成，增加了成本；如果采用压条或压块的固定方式，器件是通过压条或压板间接地固定在设备的振动台面或冲击台面上，安装固定不可靠，这种安装固定方式在长时间的振动过程中，工装或器件在振动台面上易产生松动，给在振动试验过程中的测试结果带来较大误差，严重影响了MEMS惯性器件的测试结果，有时甚至出现器件失效的输出结果。同时，器件在长时间的振动或冲击后，与压条或压块产生的松动或滑动，易使器件表面磨伤。

也就是说，现有的MEMS器件振动与冲击测试用工装存在设计不足，即使在更换工装安装方向的前提下，也不能解决器件在X、Y、Z三个轴向的振动试验和+X、-X、+Y、-Y、+Z、-Z六个方向的冲击试验，最多只能实现四个方向的冲击。为了能够实现多方向的振动与冲击试验，要么另外制作一个工装，要么采用多次更换器件和工装的组合方向才能实现完成。但在频繁更换器件方向的安装过程中，不但耗时耗力，而且操作起非常麻烦。同时，在频繁地卸装器件操作过程中，很容易磨损器件表面，或导致把固定在工装上的器件引出导线（振动与冲击试验过程中，器件引出导线一般都用胶带固定在工装上）破损、压断或拉断等。如果采用只更换工装安装固定方向时，则至少需要制作两种工装才能完成，增加了成本，这种多次固定器件和工装的过程，操作起来极为繁锁；虽然采用压条或压板固定器件或工装的方式能够解决器件进行X、Y、Z三个轴向的振动试验和+X、-X、+Y、-Y、+Z、-Z六个方向的冲击试验，但器件安装固定不可靠，在长时间的振动过程中，器件或工装在振动台面上易产生松动，给实时在线测试结果带来较大误差，严重影响了MEMS惯性器件的测试精度，以及安装固定的不可靠，产生松动滑动磨伤器件表面。因此，非常有必要重新设计开发一种全新的用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装。

发明内容

针对上述存在的技术问题至少之一，本发明目的是：提供一种用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装，固定可靠，通用性较强，操作较方便，可广泛适用于电子产品和各种MEMS器件等的振动与冲击试验的安装固定。

本发明的技术方案是：

本发明的用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装，包括：

器件固定夹具，其实施为一个立方体结构，所述立方体结构的六个表面上均开有一个朝向立方体结构的中心方向凹陷的腔体，且其中一个表面上的腔体继续向内凹陷以形成器件容纳腔，所述器件容纳腔的底壁面上设有供待试验MEMS惯性器件固定的固定部，任一个表面上绕腔体的外周均匀间隔布置有若干贯穿该表面和与其相对的表面及与其相邻的表面上开设的腔体的内壁面的第一连接孔；

转接件，其实施为一方形板块且其的厚度方向的两个表面实施为安装面，所述安装面的面积大于所述立方体结构的表面的面积，所述转接件上开设有一一对应于若干所述第一连接孔的第二连接孔及于所述第二连接孔外周分布的若干用于将所述转接件与振动台或冲击台固定连接的第三连接孔；

第一紧固件，其适于穿设于第一连接孔和第二连接孔内以将所述转接件与所述器件固定夹具固定在一起；

第二紧固件，其适于穿设于所述第三连接孔内以将所述转接件和振动台或冲击台固定在一起。

可选的，所述固定部包括贯通所述器件容纳腔的底壁面的第一固定孔及绕所述第一固定孔的外周布置的若干第二固定孔；

与所述器件容纳腔相对侧的腔体通过所述第一固定孔相连通；

所述的工装还包括：

第三紧固件，其适于穿设于所述第二固定孔内将所述待试验MEMS惯性器件固定在所述器件容纳腔的底壁面上。

可选的，与开有所述器件容纳腔相邻的四个表面上的腔体与所述器件容纳腔均不相通。

可选的，任一表面上的第一连接孔的排布与其相邻的表面上的第一连接孔的排布呈90°旋转角度差设置。

可选的，任意所述腔体实施为方形腔体。

可选的，任一表面上的所述第一连接孔的数量为六个，六个第一连接孔的中心的连线构成一个正六边形；

其中方形腔体的一组对边的外侧各设有两个第一连接孔，另一组对边的外侧各设有一个第一连接孔。

可选的，与开有所述器件容纳腔相对的表面上还开设有向内凹陷的以供所述待试验MEMS惯性器件的导线引出的导线槽，所述导线槽由该表面上的腔体的开口延伸至该表面与相邻的表面之间的棱边上。

可选的，所述导线槽的数量为两个，两个导线槽关于该表面的腔体对称设置。

可选的，所述第一紧固件为螺钉，所述第二连接孔为螺纹孔或螺纹通孔。

可选的，所述立方体结构和转接件的任一棱边及棱角均采用倒角处理；和/或

所述器件工装和转接件采用铝合金材质且任一表面采用硬质氧化处理。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明的用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装，可以实现MEMS惯性器件多方向的振动和冲击试验，操作方便、固定可靠，器件振动和冲击试验方向只需要通过更换器件固定夹具在转接件的安装接触面即可，不需要多次更换器件方向和器件引出导线在工装上的安装过程，就可以完成器件六个方向的试验，明显提高了工作效率也保证了测量精度。减少了因工装或器件移动引起的在线测试误差，解决了现有技术中采用压条或压块安装固定不可靠，长时间的振动与冲击产生松动或滑动，对器件表面的划伤。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明实施例的用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装的立体结构示意图；

图2为本发明实施例的用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装的器件固定夹具的其中一个角度的立体结构示意图；

图3为本发明实施例的用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装的器件固定夹具的另一个角度的立体结构示意图；

图4为本发明实施例的用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装的器件固定夹具的仰视结构示意图；

图5为本发明实施例的用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装的器件固定夹具的俯视结构示意图；

图6为本发明实施例的用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装的转接件的立体结构示意图。

其中：1、器件固定夹具；11、器件容纳腔；12、腔体；13、第一连接孔；14、第一固定孔；15、第二固定孔；16、导线槽；2、转接件；21、安装面；22、第二连接孔；23、第三连接孔；3、第一紧固件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例：

参见图1至图6，本发明实施例的用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装，包括器件固定夹具1、转接件2、第一紧固件3和第二紧固件。其中，器件固定夹具1实施为一个立方体结构，立方体结构的六个表面上均开有一个朝向立方体结构的中心方向也即向内凹陷的腔体12，且其中一个表面上的腔体12继续向内凹陷以形成器件容纳腔11（也即表明器件容纳腔11的深度要大于其余的腔体12的深度），器件容纳腔11的底壁面上设有供待试验MEMS惯性器件固定的固定部，任一个表面上绕腔体12的外周均匀间隔布置有若干贯穿该表面和与其相对的表面及与其相邻的表面上开设的腔体12的内壁面的第一连接孔13。转接件2实施为一方形板块且其的厚度方向的两个表面实施为安装面21，安装面21的面积大于立方体结构的表面的面积，转接件2上开设有一一对应于若干第一连接孔13的第二连接孔22及于第二连接孔22外周分布的若干用于将转接件2与振动台或冲击台固定连接的第三连接孔23。第一紧固件3适于穿设于第一连接孔13和第二连接孔22内以将转接件2与器件固定夹具1固定在一起。第二紧固件适于穿设于第三连接孔23内以将转接件2和振动台或冲击台固定在一起。

也就是说，利用立方体结构的对称性，器件固定夹具1采用立方体结构设计，每个面上均设有六个相同的连接通孔也即第一连接孔13，只是相邻面间的六个连接通孔相互差90度旋转角度。这种对称结构便于器件固定夹具1的六个方向与转接板也即转接件2的安装及方向的更换。为了设有六个连接通孔，在器件固定夹具1的每个面上各设有一个浅腔，用于每个面上能制作六个连接通孔。这样器件固定夹具1六个面中任意面作为安装接触面时，都能通过六个第一紧固件3比如螺钉与转接板固定连接起来。为了兼容不同振动与冲击台的安装尺寸，设有一块转接板，转接板上设有四个工装安装固定通孔也即第三连接孔23，均匀分布在方形转接件2的四个角位置，其通孔大小和孔间距将根据振动与冲击台上的安装螺纹孔尺寸来进行确定。转接件2通过四个第二紧固件（未图示）比如螺栓安装固定在振动或冲击台上。待试验MEMS惯性器件固定安装在器件固定夹具1中的器件容纳腔11内且固定在固定部位置，器件容纳腔11的形状和尺寸可根据待试验MEMS惯性器件来确定。在器件容纳腔11的对面设有两个器件引出导线槽16，用于该面安装在转接件2上时不压器件的引出导线。转接件2上设有六个与器件固定夹具1六个面上的六个第一连接孔13相对应的第二连接孔22比如连接螺纹孔，用于器件固定夹具1与转接件2的固定连接。

整个工装也即包括器件固定夹具1和转接件2均采用7075铝合金材料加工，表面采用硬质氧化处理，提高工装的耐磨性和绝缘性。整个工装采用对称结构设计，便于器件固定夹具1的各个面与转接板的固定连接。整个工装也即包括器件固定夹具1和转接件2的棱边和棱角夹具均采用倒边和倒角处理。

根据本发明的一些优选实施例，如图1至图5所示，器件固定夹具1采用立方体结构，六个面均设有六个腔体12，腔体12的深度为10mm~15mm，这六个腔体12是每面设置六个第一连接孔13的关键所在，利用腔体12可在每个面上加工出六个连接通孔也即第一连接孔13。每个面上的六个第一连接孔13的大小和孔间距是相同的，分布在腔体12的方形开口的四条边上，通过旋转90度可完全重合。六个第一连接孔13在方形的四条边上的分布是：一组对边各对称分布两个第一连接孔13，另一组对边各对称分布一个第一连接孔13。立方体每一条棱边相邻的两个面上第一连接孔13的分布设置情况为：如果一条棱边的一侧分布是两个第一连接孔13，则另一侧就分布一个第一连接孔13，便于三个第一连接孔13相互错开，不受影响。这样器件固定夹具1的六个面均能与转接件2接触，通过六个第一紧固件3比如螺钉把器件固定夹具1和转接件2连接固定在一起。其中一个面设有一个器件容纳腔11，用于安装MEMS惯性器件，MEMS惯性器件通过第三紧固件比如螺钉固定在器件容纳腔11的底壁面上的固定部上而固定器件固定夹具1上，有一面具体为与开有器件容纳腔11相对的面上设有两个器件引出的导线槽16，用于器件引出导线的通过。在振动与冲击试验过程中，对MEMS惯性器件进行六个方向的试验测试时，只需要更换器件固定夹具1在转接件2上的固定连接方向就可以了，改变器件的振动与冲击方向极方便，可方便实现器件X、Y、Z三个轴向的振动试验和+X、-X、+Y、-Y、+Z、-Z六个方向的冲击试验。优选的，固定部包括一个贯通器件容纳腔11的底壁面的第一固定孔14（为通孔）和分布在第一固定孔14外周的若干第二固定孔15（为螺纹孔，本发明实施例中如图5所示第二固定孔15的数量为四个，用于待测试MEMS惯性器件通过第三紧固件（未图示）比如螺钉安装固定，一般的MEMS惯性器件、MEMS惯性测量单元或电子模块等，均有螺钉安装孔），也即器件容纳腔11和与其相对的面上的腔体12相通，方便待测试MEMS惯性器件的安装固定同时也便于器件上的导线引出与外界仪器设备连接。本发明实施例中第一固定孔14可选但不局限于为圆形固定孔，可视待测试MEMS惯性器件的具体形状而定，同理器件容纳腔11的具体形状也不局限于如图所示的方柱形，也可视待测试MEMS惯性器件的具体形状而定。待测试MEMS惯性器件安装在器件固定夹具1内后，更换振动与冲击方向时，不需要反复安装待测试MEMS惯性器件，只需更换器件固定夹具1与转接件2的安装面21连接的表面即可。器件容纳腔11的对面设有两个待测试MEMS器件上的导线引出的导线槽16，两个导线槽16呈一字型排布，具体以该表面上的腔体12的开口对称分布，用于器件的引出导线的通过，防止该面安装在转接件2上时不压坏器件引出导线，便于在试验测试过程中引出导线与外界仪器测试设备的连接。

根据本发明的一些优选实施例，如图1和图6所示，为了兼容不同设备的振动与冲击台安装位置不同的要求，设有一块工装转接板也即上述的转接件2，转接件2的作用是：转接件2中间位置设有六个第二连接孔22比如连接螺纹孔，用于把器件固定夹具1通过第一紧固件3比如螺钉固定连接在转接件2上。转接件2上设有四个工装安装固定通孔也即第三连接孔23，四个第三连接孔23均匀分布在方形的转接件2的四个角位置，其通孔大小和孔间距将根据振动与冲击台上的安装螺纹孔尺寸来进行确定。转接件2通过四个第二紧固件比如螺栓安装固定在振动或冲击台上。极大地降低了加工成本，加工方便，通用性较强。转接件2由一块方形的7075铝合金板块加工而成，板的厚度为6mm~10mm，边长尺寸可根据振动或冲击台的螺栓安装孔尺寸灵活确定，适用于不同尺寸的振动或冲击台。表面采用硬质氧化处理，提高工装的耐磨性、耐蚀性和绝缘性。采用对称结构设计，便于器件固定夹具1的各个面与转接件2上的安装，以及转接件2与振动或冲击台的安装。转接件2的棱边和棱角均采用倒边和倒角处理。

在对MEMS惯性器件、组件或其它电子器件等进行振动与冲击试验前，先把转接件2安装固定在设备的振动台或冲击台上，待测试MEMS惯性器件安装固定在器件固定夹具1的器件容纳腔11内的固定部上，再按照器件所需的试验方向要求，选择器件固定夹具1与转接件2的安装接触面，把这两部分固定连接起来后，最后把整个工装安装固定在振动台或冲击台上，就可以对器件进行X、Y、Z三个轴向的振动试验和+X、-X、+Y、-Y、+Z、-Z六个方向的冲击试验。器件固定夹具1的六个安装接触面对应器件+X、-X、+Y、-Y、+Z、-Z六个试验方向。本发明的工装可以实现MEMS惯性器件多方向的振动和冲击试验，操作方便、固定可靠，器件振动和冲击试验方向只需要通过更换器件固定夹具1在转接件2的安装接触面即可。

本发明实施例的工装的优点在于：1）适用性较强，可用于各类MEMS惯性传感器、MIMU、MEMS器件和各类电子产品的振动与冲击试验工装；2）安装固定可靠，减少了因工装或器件移动引起的在线测试误差，同时防止了采用压条或压块安装固定不可靠，长时间的振动与冲击产生松动或滑动，对器件表面的划伤；3）更换器件试验方向，安装固定较方便，器件只要一次性固定在同一工装上后，只需要更换器件固定夹具1与转接板的相对方向，而不需要多次更换器件方向和器件引出导线在工装上的安装过程，就可以完成器件六个方向的试验，明显提高了工作效率；4）防止了采用多次更换器件安装方向时，频繁卸装器件和器件引出导线（器件引出导线一般都用胶带固定在工装上）时所引起的器件表面损伤和引出导线的拉断等；5）加工简单、可靠高、成本低、具有通用性。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装，其特征在于，包括：

器件固定夹具，其实施为一个立方体结构，所述立方体结构的六个表面上均开有一个朝向立方体结构的中心方向凹陷的腔体，且其中一个表面上的腔体继续向内凹陷以形成器件容纳腔，所述器件容纳腔的底壁面上设有供待试验MEMS惯性器件固定的固定部，任一个表面上绕腔体的外周均匀间隔布置有若干贯穿该表面和与其相对的表面及与其相邻的表面上开设的腔体的内壁面的第一连接孔；

转接件，其实施为一方形板块且其的厚度方向的两个表面实施为安装面，所述安装面的面积大于所述立方体结构的表面的面积，所述转接件上开设有一一对应于若干所述第一连接孔的第二连接孔及于所述第二连接孔外周分布的若干用于将所述转接件与振动台或冲击台固定连接的第三连接孔；

第一紧固件，其适于穿设于第一连接孔和第二连接孔内以将所述转接件与所述器件固定夹具固定在一起；

第二紧固件，其适于穿设于所述第三连接孔内以将所述转接件和振动台或冲击台固定在一起。

2.根据权利要求1所述的用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装，其特征在于，所述固定部包括贯通所述器件容纳腔的底壁面的第一固定孔及绕所述第一固定孔的外周布置的若干第二固定孔；

与所述器件容纳腔相对侧的腔体通过所述第一固定孔相连通；

所述的工装还包括：

第三紧固件，其适于穿设于所述第二固定孔内将所述待试验MEMS惯性器件固定在所述器件容纳腔的底壁面上。

3.根据权利要求2所述的用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装，其特征在于，与开有所述器件容纳腔相邻的四个表面上的腔体与所述器件容纳腔均不相通。

4.根据权利要求1所述的用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装，其特征在于，任一表面上的第一连接孔的排布与其相邻的表面上的第一连接孔的排布呈90°旋转角度差设置。

5.根据权利要求1所述的用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装，其特征在于，任意所述腔体实施为方形腔体。

6.根据权利要求5所述的用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装，其特征在于，任一表面上的所述第一连接孔的数量为六个，六个第一连接孔的中心的连线构成一个正六边形；

其中方形腔体的一组对边的外侧各设有两个第一连接孔，另一组对边的外侧各设有一个第一连接孔。

7.根据权利要求1所述的用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装，其特征在于，与开有所述器件容纳腔相对的表面上还开设有向内凹陷的以供所述待试验MEMS惯性器件的导线引出的导线槽，所述导线槽由该表面上的腔体的开口延伸至该表面与相邻的表面之间的棱边上。

8.根据权利要求7所述的用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装，其特征在于，所述导线槽的数量为两个，两个导线槽关于该表面的腔体对称设置。

9.根据权利要求1所述的用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装，其特征在于，所述第一紧固件为螺钉，所述第二连接孔为螺纹孔或螺纹通孔。

10.根据权利要求1所述的用于MEMS惯性器件多方向振动与冲击测试的工装，其特征在于，所述立方体结构和转接件的任一棱边及棱角均采用倒角处理；和/或

所述器件工装和转接件采用铝合金材质且任一表面采用硬质氧化处理。

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