CN101539588B - 压阻加速度传感器的模态共振频率的半桥测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压阻加速度传感器的模态共振频率的测试方法。其特征在于在保持压阻加速度传感器原有全桥电路连接结构的基础上，利用金属碰撞冲击产生丰富的频谱作为激励源，通过适当的外接电路，采用半桥输出的形式，以获得加速度传感器模态的共振频率信息，利用获得的原始数据进行频谱分析，获得微结构的模态共振频率。加速度传感器模态的共振频率包括器件在敏感方向和非敏感方向的同一结构的不同共振频率。通过确定加速度传感器不同模态的一阶共振频率，还可以获取微结构加工制造的结构参数，验证结构尺寸设计的正确性，可用来分析器件工作状态。测试方法适合于具有全桥结构的高量程压阻、电容等类型的加速度传感器、压力传感器等。

Description

压阻加速度传感器的模态共振频率的半桥测试方法

技术领域

本发明涉及提供一种基于压阻加速度传感器的模态共振频率的测试方法，更确切地说涉及中高量程的微加工制造的压阻加速度传感器的模态共振频率的半桥测试方法，属于微传感器的力学测试分析领域。

背景技术

在微纳机电***(MEMS)中，模态是指一种结构所具有的振动模式，不同的振动模式对应不同的特征振动频率。微结构的模态分析是获取器件几何结构信息和验正器件工作状态的一种重要分析方法[黄卫东 彩霞 徐步陆 程兆年，封装对MEMS高G值传感器性能的影响，功能材料与器件学报，2002，8(3)，pp251-258]。量程在2000g(g＝9.8m/s²)以上的微加工制造的压阻加速度传感器在许多领域具有重要应用，是目前研究的一个主要方面[V.T.Srikar，Stephen D.Senturia，The reliability of microelectromechanical systems(MEMS)in shock environments，Journal of microelectromechanical systems，2002，V11(3)，pp206-214]。加速度传感器敏感方向一阶模态的共振频率是衡量其工作带宽的一个重要参数。一阶共振频率越高，则器件就具有越宽的工作频率范围，因此，常采用不同的方式以获取共振频率这一器件的重要信息。然而微结构其它模态的共振频率信息的获取对器件和材料的设计、实施和应用起到了重要的作用[R.Rabe，K.Janser，and W.Arnold，Vibrations of free andsurface-coupled atomic force microscope cantilevers：theory and experiment，Rev.Sci.Instrum.67(9)，1996，pp3281-3293]。因为，不同模态对应了器件相同结构的不同运动形式，从相关的实验和模拟试验中，可以获取器件的力学结构信息和工作过程中所激发出来的有用信息。因为，器件在实验室条件下的测试和在真正工作环境下的测试具有较大的差异性。因此，获取加速度传感器的共振频率是一种重要的分析途径，对识别器件的本征振动和获取外界特征振动和冲击具有重要意义。

压阻加速度传感器一般采用惠斯通全桥或半桥电路的连结方式用于加速度信息的提取。如压阻加速度传感器，在全桥测量电路中，是将受力性质相同的压阻接入电桥的对边，不同的压阻接入邻边，其输出灵敏度比半桥结构提高一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。因此，敏感电阻全桥电路结构广泛应用于多种信号的获取中，其原因在于全桥形式的结构输出具有很多优点：一个是具有较大的输出信号，即具有较大的灵敏度输出，另外一个更为主要的原因是，全桥结构在电学上具有能够消除共模成分的输入信号和噪声，使得有用的差分信号的输入能够被有效地输出。目前，在微机电***的设计和实施中，一般都将敏感结构或者敏感方式设计成全桥电路的形式，或者将微机械惯性器件设计成一对相同的微机械结构，然后再在其上面加工制造全桥的敏感电阻或者电容结构，这些构成方式同样用来消除振动和冲击所带来的共模影响。全桥结构还具有实施简单等特点，是获取外界有效敏感信息的主要途径。

虽然全桥结构通常是作为抑制共模成分的有效途径，但是，在信息提取过程中，有关器件内部的一些相关动态信息却被掩盖。试验发现，在中高量程加速度传感器中，压阻加速度传感器其它模态的共振波一般也被抑制了。而在半桥实验中，不同受力方向的压阻接入电桥作为邻边，电桥输出具有灵敏度高，非线性较好等特性。但对共模成分不具有抑制作用，因此，可以利用半桥输出的形式获取更丰富的微结构模态的信息。

一般的模拟工具如有限元分析软件ANSYS，可以对微结构的前几阶模态进行分析。在实施上，可以通过振动台或者激光频闪测试等方法获取微结构的模态信息，同样受到驱动方式和驱动频率等限制，这些方法对弹性系数比较小的结构较为有效，对中高量程加速度传感器的模态获取上存在一定难度。因此，本发明拟在不改变原有加速度传感器的电路结构上，采用外接半桥输出方式，利用金属碰撞共振激发的方式，结合富丽叶变换分析等手段对原始数据提取分析，获取加速度传感器敏感方向和非敏感方向相关振动结构的模态信息。

发明内容

综上所述，本发明的目的在于提供一种中高量程的压阻加速度传感器的模态共振频率的测试方法。本发明特征在于在保持压阻加速度传感器原有全桥电路连接结构的基础上，利用金属碰撞冲击产生丰富的频谱作为激励源，通过适当的外接电路，采用半桥输出的形式，以获得器件模态的共振频率信息，然后利用获得的原始数据进行频谱分析，再综合理论分析和相应的测试数据，获得微结构的模态共振频率。模态的共振频率包括器件在敏感方向和非敏感方向的同一结构的不同共振频率。本发明不仅给出了中高量程加速度传感器器件模态共振频率的测试方法，而且还可确定加速度传感器不同模态的一阶共振频率，由此可以获取微结构加工制造的结构参数，验证结构尺寸设计的正确性，以及分析器件工作状态的正确性。此测试并不排除全桥结构测试的结果，并适合于具有全桥结构的高量程压阻、电容等类型的加速度传感器、压力传感器等。

不同敏感结构其共振频率具有不同的数学表达形式。图1是一种最简单的悬臂梁式加速度传感器的结构示意图，悬臂梁结构存在着挠曲、扭转等模态。图1中的数字1表示悬臂梁，数字2表示悬臂梁上的四个敏感电阻区域，数字3表示传感器的敏感法向方向，数字4表示传感器的非敏感横向方向。对于这种悬臂梁结构，敏感方向3的一阶挠曲形式的共振频率，即模态1的共振频率是：

$f=\frac{1.015}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{m}}=0.162\frac{h}{L^2}\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}},$

其中，k为悬臂梁的法向弹性系数，m为悬臂梁的有效质量，h为悬臂梁的厚度，L为长度，E和ρ分别是硅的杨氏模量和密度。

而非敏感横向方向4的一阶挠曲共振频率，即模态2的共振频率为：

$f_{\mathrm{tr}}=\frac{1.015}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k_{\mathrm{tr}}}{m}}=0.162\frac{w}{L^2}\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}$

式中，k_tr为悬臂梁横向弹性系数，w为悬臂梁的宽度。因为，宽度w要远大于厚度h，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，悬臂梁横向共振频率波和高阶频率波不容易激发出来；尤其是全桥结构的输出形式，在某种程度上从电学和力学上会抑制高阶频率的出现。

压阻加速度传感器由四个敏感电阻构成，加速度传感器的四个敏感电阻和相应的放大电路连接方式如图2和图3所示，其中电压(通常为5V)是加在由敏感电阻组成的惠斯通电桥上。图2是加速度传感器和运算放大器以全桥信号连接输出的示意图。在全桥连接中，将两对同侧敏感电阻的中间输出分别连接到运算放大器的两个输入端。针对全桥敏感结构对振动冲击具有共模抑制作用，尤其对高阶模态有一定的抑制作用。因此，在保持原有加速度传感器的全桥结构基础上，在电路上采用半桥输出形式用来获取敏感结构的输出特性。图3是传感器和运算放大器以半桥形式连接的输出示意图。在半桥输出中，四个敏感电阻与运算放大器的连接同全桥形式相同，只是将连接到运算放大器的两个输入端中的一个输入端与地相连接，以构成半桥输出。这样，实际上就只有半个桥路的信号输入给运算放大器，也就是相当于传感器只有半个桥路在工作。这样的结果是半桥输出的信号幅度会损失一半，由于传感器敏感方向的输出波形的特性可以由振动和冲击所带来的器件响应会充分体现出来，不会受到抑制。此方法并不排除全桥结构能够获取模态共振频率的途径，只是通过半桥形式更容易观察到传感器固有波形特征和获取振动模态的共振频率，是一种有效的方法。

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用来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。碰撞端端面发生速度变化并产生应力波(固体中的声波)，应力波向金属杆的另一端传播。当t＝L/C时(L是金属杆的长度，C是金属杆中的声速)，声波传到金属杆的传感器端。如果传感器与金属杆直接刚性连接，声波就能完全传递给传感器。

图4是器件的3种安装示意。顺着管脚方向(图中y方向)即为加速度传感器的敏感方向。图4(a)是当安装的器件管脚12方向与金属杆10的轴向一致时，即沿重力加速度方向y方向，在金属杆自由下落与金属砧碰撞就记录了加速度传感器在敏感方向的输出；同样，图4(b)是当管脚12方向与金属杆10垂直时，就获得了器件在非敏感方向，即横向方向(x方向)的输出。图4(c)是器件安装在金属杆顶端非敏感z方向的示意图；图4(d)表示器件的坐标。

整个试验装置简图如5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。最终对数据进行富丽叶变换分析，得到器件输出的功率谱，即幅值平方与频率的关系，从频谱的峰位上即可判断，从中就可以获得所需要器件模态和相应的共振频率。

具体实施步骤：

(1)加速度传感器的安装、连接总体布局：

首先，将被测试的压阻加速度传感器按照图4所示的三种安装方式中的一种安装，利用双面胶或者502胶将加速度传感器11安装固定在一定长度和直径的金属铝杆10的尾端上。然后，然后将加速度传感器与放大电路5连接，构成全桥或者半桥形式；按照图2连接就为全桥输出形式，按照图3的连接就为半桥输出方式。最后是放大电路5与计算机数据采集***18连接，总体布局如图5所示意。启动计算机和相应的控制数据采集***的软件为Topview400，开启相应的电源使器件和运算放大器以及计算机处于正常工作状态。

(2)实验过程：

实验中，按照图5将固定加速度传感器的金属铝杆10从一定高度自由落下冲击碰撞一个固定在地面上的金属砧17。金属杆和地面上的金属钢砧碰撞冲击产生较高的加速度和频率丰富的激励信号，激发的高频波中含有频率与加速度传感器共振频率一致的波，这样就可以将器件在敏感方向和横向方向不同模态的共振波激发出来，以此获得加速度传感器在敏感方向和非敏感横向方向不同模态下的共振频率信息。图6和图8分别是加速度传感器在敏感方向和横向冲击下输出电压信号幅值与时间的关系。

试验中金属钢砧的尺寸为：长29.8cm，宽26.7cm，高19.2cm；金属铝杆长为1m、直径1.5cm；传感器13(或者14位置)安装固定在金属铝杆的尾端，传感器所产生的小信号通过细软电缆7与运算放大器5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18连接，碰撞过程产生的波形显示于计算机屏幕上。

(3)数据采集和分析：

金属碰撞过程中产生应变波，应变波将沿着金属铝杆传递给加速度传感器，当相互碰撞产生的应力波高于数据采集***设定的阈值电平时，计算机的数据采集***将开始自动记录输出的电压波形。

图6和图8分别是利用计算机数据采集***得到的加速度传感器在敏感方向和横向冲击下输出电压信号幅值与时间的原始数据关系。这一原始数据是输出电压信号幅值与时间的关系，即是时域上的对应关系，其中，电压信号幅值的大小直接对应加速度的大小。为了获得相应频率和输出特性的关系，还需要将数据转换。即利用数据采集***中的数据分析功能，将得到的原始数据利用富丽叶变换分析方式对数据进行分析，即得到频域上的输出强度和频率的对应关系，也就是得到功率频谱，图7和图9分别是图6和图8经过富丽叶变换后得到的功率频谱，从功率频率上分析可以发现明显对应的不同频率位置的波强度等信息，获得最终加速度传感器模态共振频率的信息。

当敏感方向与加速度方向平行时，即管脚方向和金属杆的轴向一致时(如图4(a)所示)，图6所示记录了加速度传感器在敏感方向的输出。为了验证输出结果的正确形，可以将该器件在横向放置进行安装测试，当加速度传感器的管脚方向与金属杆轴向垂直时(图中4(b)所示)，图8所示记录了加速度传感器横向方向的输出，然后对数据进行富丽叶变换分析，得到器件输出的功率谱，即幅值平方与频率的关系，从频谱的峰位上即可判断分析加速度传感器相应的模态共振频率。

综上所述，本发明所述的压阻加速度传感器的模态共振频率的半桥测试方法，其特征在于测试步骤是：

a.将被测试的压阻加速度传感器按照下述三种安装方式中的任一种安装在金属铝杆的尾端上：

(1)加速度传感器的管脚方向与金属杆的轴向一致(敏感方向)；

(2)加速度传感器的管脚方向与金属杆的轴向垂直(非敏感方向)；

(3)加速度传感器水平放置安装在金属杆顶端的非敏感方向；

b.然后，将加速度传感器与运算放大器连接，构成半桥输出形式，在所描述半桥输出中，四个敏感电阻与运算放大器的连接与全桥输出时相同，只是连接到运算放大器的两个输入端的一个输入端与地相连接；

c.将步骤a安装有加速度传感器的金属铝杆自由落下冲击碰撞固定在地面上的金属钢砧，产生频率丰富的激励信号；

d.步骤c所述的由加速度传感器产生的激励信号，通过电缆与运算放大器连接，经放大的信号通过电缆线与计算机连接，由计算机的数据采集***自动记录输出的电压波形，通过富丽叶变换分析，得到输出的功率谱，获得所需加速度传感器模态和相应的共振频率。

本发明所述的压阻加速度传感器的量程为大于2000g的中高量程，通过确定加速度传感器不同模态的一阶共振频率，还可以获取微结构加工制造的结构参数，验证结构尺寸设计的正确性，可用来分析器件工作状态。测试方法适合于具有全桥结构的高量程压阻、电容等类型的加速度传感器、压力传感器等。

附图说明

图1.一种悬臂梁式加速度传感器的结构示意图；1表示悬臂梁，2表示悬臂梁上的四个敏感电阻区域，外接连线没有画出，3表示传感器的敏感法向方向，4表示传感器的非敏感横向方向。

图2.传感器的全桥连接方式示意图；5是运算放大器，6是信号输出端，7是金属线连接，8是金属线连接点，9表示接地，Vdd为施加在运算放大器上的电源电压。

图3.传感器的半桥连接方式示意图(各数字代表与图2同)。

图4.器件的三种安装方式，图中金属铝杆10和加速度传感器11均是非比例的示意，图4a，器件安装在金属杆侧壁，器件的敏感y方向安装，管脚12方向与金属杆平行；图4b，器件安装在金属杆侧壁敏感非敏感x方向，管脚方向与金属杆垂直；图4c，器件安装在金属杆顶端非敏感z方向的示意图；图4d，表示器件的坐标。

图5.自由落杆冲击测试装置示意图，13表示器件敏感方向安装(旋转90度可以得到非敏感方向的一种安装)，14表示非敏感方向的另外一种安装，15表示加速度方向，16表示金属杆和金属砧之间的高度差，17表示金属砧，18表示计算机数据采集***。

图6.敏感方向安装在金属铝杆上量程为6000g的加速度传感器从5cm高度处自由落体的半桥输出波形。

图7.图6中传感器的半桥输出波的功率频谱(简称功率谱)(下半图)。

图8.非敏感z方向安装在金属铝杆上量程为6000g的加速度传感器从5cm高度处自由落体的半桥输出波形。

图9.图8中传感器的半桥输出波的功率谱(下半图)。

具体实施方式

实施例1.敏感方向安装、量程为6000g的加速度传感器的模态共振频率

针对量程为6000g压阻加速度传感器，由计算机软件Ansys进行理论计算分析，得到加速度传感器不同模态所对应的一阶共振频率。其中，敏感方向的一阶共振频率为24.1KHz，而横向的一阶共振频率为58.0KHz。

按照图4(a)的方式，利用双面胶或502胶将器件在敏感方向安装固定在金属杆上，器件的四个管脚按照一定顺序连接电源的正极、负极和两个输出端以半桥形式输出(如图3所示)，由运算放大器和相应的电阻电容构成的放大电路具有较宽的频带。然后将信号放大器的输出电缆线连接到计算机，启动计算机和相应的控制数据采集软件(Topview 400数据采集软件)，取样频率不小于625KHz；从5cm高度处将金属铝杆自由释放与金属砧相互碰撞；相互碰撞后，产生的应力波高于数据采集***设定的阈值电平时，计算机的数据采集***将开始自动记录输出的电压波形。

图6和图7是该加速度传感器在敏感方向输出波形示意图和相对应的功率频谱图。图6中，敏感方向的输出存在一个明显的主波，以及主波后的余波，余波中存在有规律的波形输出。通过富丽叶变换得到功率频谱图7，在图7的强度随频率的变化谱图中，可以发现在低于100KHz的频率，存在两个明显尖锐的峰，经确认分别是：敏感方向的一阶共振频率为24KHz，非敏感横向方向的一阶共振频率为58KHz，且敏感方向的一阶共振峰强度要比横向方向的一阶共振峰强度高，图中标出的是特征峰位；而100KHz到300KHz之间处有多个峰，但不是很明显，更高阶振动模态的共振频率需要通过理论计算核定，这里不予考虑。

实施例2.非敏感横向方向安装、量程为6000g的加速度传感器的模态共振频率

步骤同例1，保持传感器的电路连接方式，只是把同一传感器按照图4(b)的非敏感方向安装在金属铝杆上。同样从5cm高度处将金属杆自由释放与金属砧相互碰撞；计算机的软件自动记录输出波形；通过富丽叶变换得到功率频谱。

图8和图9是该加速度传感器在非敏感横向安装下输出电压波形随时间的关系以及经过富丽叶变换后所对应的功率频谱图。图9中的输出强度和频率的关系谱图中，可以发现在低于100KHz的功率谱图中，存在两个明显尖锐的峰，即为共振峰，经确认，敏感方向的一阶共振频率为24KHz，非敏感横向方向的一阶共振频率为58KHz，结果同例1一致。但图6和图8比较，图8中非敏感方向安装碰撞的输出波形不存在明显的主碰撞波(半正弦输出波形)；而图7和图9的功率(强度)谱比较中，图9中横向方向的共振峰(58KHz)比敏感方向共振峰(28KHz)强度要高，这也验证了该器件的测试结果的正确性。同样在100KHz到300KHz之间有峰值但不是很明显，也需要进一步通过理论计算标定出，这里不予考虑。

Claims (7)

1.压阻加速度传感器的模态共振频率的半桥测试方法，其特征在于保持压阻加速度传感器全桥电路连接结构的基础，利用金属碰撞冲击产生丰富的频谱作为激励源，通过外接电路，采用半桥输出形式，获取压阻加速度传感器模态共振频率的信息，通过计算机数据采集***分析而获得器件的模态和相应的共振频率，测试步骤是：

a.将被测试的压阻加速度传感器按照下述三种安装方式中的任一种安装在金属铝杆的尾端上：

(1)加速度传感器的管脚方向与金属铝杆的轴向一致；

(2)加速度传感器的管脚方向与金属铝杆的轴向垂直；

(3)加速度传感器水平放置安装在金属铝杆顶端的非敏感方向；

b.然后，将加速度传感器与运算放大器连接，构成半桥输出形式，在所描述半桥输出中，四个敏感电阻与运算放大器的连接与全桥输出时相同，只是连接到运算放大器的两个输入端的一个输入端与地相连接；

c.将步骤a安装有加速度传感器的金属铝杆自由落下冲击碰撞固定在地面上的金属钢砧，产生频率丰富的激励信号；

d.步骤c所述的由加速度传感器产生的激励信号，通过电缆与运算放大器连接，经放大的信号通过电缆线与计算机连接，由计算机的数据采集***自动记录输出的电压波形，通过傅里叶变换分析，得到输出的功率谱，获得所需加速度传感器模态和相应的共振频率。

2.按权利要求1所述的压阻加速度传感器的模态共振频率的半桥测试方法，其特征在于所述的模态共振频率包括加速度传感器在敏感方向和非敏感方向的同一结构的不同共振频率。

3.按权利要求1所述的压阻加速度传感器的模态共振频率的半桥测试方法，其特征在于被测试的压阻加速度传感器是用双面胶或502胶安装固定在金属铝杆的尾端上。

4.按权利要求1所述的压阻加速度传感器的模态共振频率的半桥测试方法，其特征在于所述的金属铝杆长度为1m，直径为1.5cm。

5.按权利要求1所述的压阻加速度传感器的模态共振频率的半桥测试方法，其特征在于所述的金属钢砧尺寸长为29.8cm，宽为26.7cm，高为19.2cm。

6.按权利要求1所述的压阻加速度传感器的模态共振频率的半桥测试方法，其特征在于所述的计算机数据采集***的软件为Topview 400。

7.按权利要求1所述的压阻加速度传感器的模态共振频率的半桥测试方法，其特征在于所述的压阻加速度传感器的量程大于2000g。

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