[发明专利]压阻加速度传感器的模态共振频率的半桥测试方法

说明书

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

在微纳机电系统(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，在微机电系统的设计和实施中，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