GB/T34898-2017
微机电系统（MEMS）技术MEMS谐振敏感元件非线性振动测试方法
Microelectromechanicalsystemtechnology—TestmethodforthenonlinearvibrationoftheMEMSresonantsensitiveelement
- 中国标准分类号（CCS）L55
- 国际标准分类号（ICS）31.200
- 实施日期2018-05-01
- 文件格式PDF
- 文本页数13页
- 文件大小938.61KB
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微机电系统（MEMS）技术MEMS谐振敏感元件非线性振动测试方法
国家标准 GB/T34898一2017 微机电系统(MEMS)技术 MEMS谐振敏感元件非线性 振动测试方法 Mieroelectromechaniealsystemtechnology一Testmethodforthe nonlinearvibrationoftheMEMSresonantsensitiveelemment 2017-11-01发布 2018-05-01实施 国家质量监督检验检疫总局 发布 国家标准化管理委员会国家标准
GB/34898一2017 前 言 本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草
本标准由全国微机电技术标准化技术委员会(SAC/Tc336)提出并归口
本标准起草单位;北京遥测技术研究所、中机生产力促进中心
本标准主要起草人:李庆丰、金小锋、李海斌、朱悦、程红兵
GB/34898一2017 微机电系统(MEMS)技术 MEMS谐振敏感元件非线性 振动测试方法 范围 本标准规定了谐振式传感器中MEMS谐振敏感元件(以下简称敏感元件)非线性振动特性参数的 测试方法
本标准适用于敏感元件在研制和生产过程中关于非线性振动特性和敏感元件闭环系统频率偏移的 测试,其他非MEMS敏感元件可参考使用
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GB/T2298机械振动与冲击术语 GB/T261l1微机电系统(MEMS)技术术语 GB/T26112微机电系统(MEMS)技术微机械量评定总则 术语和定义 GB/T2298和GB/T261l1界定的以及下列术语和定义适用于本文件
3.1 non-linearviration 非线性振动 随着振动幅度的变化,弹性恢复力与位移不成线性关系的振动
3.2 非线性跳跃non-linearjump 当振动系统的振动幅度超过某一闵值时频率响应曲线的跳跃现象
3.3 频率偏移frequeneydeyiatio 敏感元件闭环系统输出的频率相对于敏感元件固有振动频率的偏移 敏感元件非线性振动测试特性参数 敏感元件非线性振动测试的特性参数主要包括: 非线性振动幅频响应A(o),无量纲 aa 非线性振动相频响应P(w),单位为弧度(rad); b 非线性振动幅频响应弯曲系数b,单位为弧度每秒二次方米(rads一1
m一2); c d 非线性跳跃振幅阂值a.,单位为米(m).
GB/T34898一2017 自激闭环系统、锁相闭环系统和锁幅闭环系统的频率偏移率E,无量纲 e fD 间歇激励闭环系统频率偏移率E,无量纲
5 测试方法及其选用原则 5.1光学测试法 激光多普勒测振方法(GB/T26112)、全息照相及其他可以提供相当功能和精度的测试方法适用于 测量MEMS谐振敏感元件的非线性振动
5.2电学测试法 电学测试法是指利用谐振器自身的拾振单元将谐振敏感元件的振动转化为电信号,之后利用锁相 放大器对此电信号进行检测,从而获得振动非线性特性的测试方法
当传感器封装完毕后,无法进行光 学测试时应选用电学测试法
敏感元件非线性振动幅频响应和相频响应测试方法 6.1光学测试方法 6.1.1测试设备 光学测试法测试系统组成如图1所示,主要测试设备包括 计算机 激光测振仪 显微 光学装置 真空系 真空腔 AA 说 安装 夹具 信号发生器 图1光学测试法测试系统原理框图 微光测振仪; a b 显微光学装置; 信号发生器; c
GB/34898一2017 ) 真空腔 e 安装夹具; fD 真空泵,或与此相当的设备
6.1.2测试条件和注意事项 测试条件和注意事项包括 测试环境温度保持23士5C,相对湿度应控制在30%70%,真空腔的真空度可根据敏感 元件的实际工作环境施加; b 调节显微光学装置,使汇聚到敏感元件表面的光斑不能超出敏感元件表面 对于透光性敏感元件,如石英敏感元件,激光测振仪的光斑应汇聚于敏感元件的金属电极表 面,以增加激光测振仪接收的反射光强度; d 敏感元件在安装夹具上的固定,以及安装夹具在真空腔中的固定应牢固可靠,避免测试过程中 发生移位,影响测试精度; 对于离面振动的敏感元件,夹具安装面与水平面的夹角/=0°;对于面内振动的敏感元件,应根 据被测敏感元件的几何形状调节夹具安装面与水平面的夹角0,使激光测振仪获得较高的检 测信号信噪比 真空系和真空腔之间的连接采用柔性被纹管,真空系与真空腔、显微光学装置和激光测振仪之 间应采取有效的振动隔离,真空腔设备可调至规定的真空度 激光测振仪工作过程中真空泵应处于关闭状态
g 6.1.3测试步骤 测试步骤如下 根据敏感元件固有频率估计值设置振动激励源,在以固有频率为中心的较宽频率范围内进行 aa 初次频率扫描,根据激光测振仪测得的敏感元件振动位移计算出幅频响应和相频响应,并记录 谐振频率 设置振动激励源进行二次频率扫描,扫描频率间隔减小为初次扫描时的二分之一,频率扫描 b 范围约为半功率带宽的10倍,根据激光测振仪测得的敏感元件振动位移计算出幅频响应和相 频响应,并记录谐振频率; 将初次和第二次频率扫描获得的谐振频率进行对比,若两次结果的偏差小于或等于规定值,则 两次测量结果均可作为最终的敏感元件幅频特性和相频特性
若两次结果的偏差大于规定 值,则继续降低频率扫描间隔,进行频率扫描,直至与前一次测得的谐振频率偏差小于或等于 规定值,将最后一次获得的频率响应作为最终测试结果
6.2电学测试方法 6.2.1测试设备 电学测试法测试系统组成如图2所示,主要测试设备包括: 锁相放大器; a b 信号发生器 数据采集设备
c
GB/T34898一2017 计算机 信号调 信号发生器 谐振敏感元件 锁相放大器 数据采集设备 理电路 图2电学测试法测试系统原理框图 6.2.2测试条件和注意事项 在图2所示的电学测试法测量系统硬件组成上,数据处理环节应根据敏感元件的振动检测方式进 行添加和删除,当敏感元件的输出反映敏感元件的振动速度时如磁电振检测方式),应添加数据处理环 节,将敏感元件的输出信号转换为振动位移信号后再输人锁相放大器;当敏感元件的输出反映敏感元件 的振动位移时(如电容检测方式、压敏电阻检测方式等),去除数据处理环节,将敏感元件的输出直接输 人锁相放大器
6.2.3测试步骤 测试步骤为 根据敏感元件固有频率估计值设置信号发生器扫描频率,在以固有频率为中心的较宽频率范 a 围内进行初次频率扫描,根据锁相放大器测得的敏感元件振幅和相位计算出幅频响应和相频 响应,并记录谐振波形 b 设置信号发生器进行二次频率扫描,扫描频率间隔减小为初次扫描时的二分之一,频率扫描 范围约为半功率带宽的10倍,根据锁相放大器测得的敏感元件振幅和相位计算出幅频响应和 相频响应,并记录谐振波形; 将初次和第二次频率扫描获得的谐振频率进行对比,若两次结果的偏差小于或等于规定值,则 两次测量结果均可作为最终的敏感元件幅频特性和相频特性
若两次结果的偏差大于规定 值,则继续降低频率扫描间隔,进行频率扫描,直至与前一次测得的谐振频率偏差小于或等于 规定值,将最后一次获得的频率响应作为最终测试结果
敏感元件非线性振动频率响应弯曲系数测试方法 测试方法为 按第6章的要求和步骤剂试敏感冗件的非线性幅频响应,得到游熬频率
，和谐峰值4,， a D)将谐振频率o，和谐振峰值a，代人附录A中的式(A.6),可得到频率响应弯曲系数,见式(1). w, wn b= 其中,敏感元件的固有频率w
可依据元件的设计值进行确定
GB/34898一2017 敏感元件非线性跳跃振幅阔值测试方法 测试方法为: 按第7章中的测试方法得到敏感元件的频率响应弯曲系数 a b)敏感元件的非线性跳跃现象如附录B中的图B.1所示,将弯曲系数b代人式(2),即可得到敏 感元件的频率响应发生非线性跳跃时的振幅阔值d
4w V3VQlb 式中: Q 敏感元件的机械品质因子,无量纲; a 振幅阀值,单位为微米(Mm) 非线性振动引起的敏感元件频率偏移测试方法 9.1自激闭环系统、锁相闭环系统和锁幅闭环系统的频率偏移 按第7章中的测试方法得到敏感元件的频率响应弯曲系数 b 将弯曲系数b代人式(3),即可得到非线性振动引起的敏感元件自激闭环系统、锁相闭环系统 和锁幅闭环系统的频率偏移,相对于敏感元件的固有频率w,的偏移率
ba" ×100% Ea1 w
式中: -敏感元件振动幅度,单位为米(m)
a g.2间歇激励闭环系统的频率偏移 按第7章中的测试方法得到敏感元件的频率响应弯曲系数; a b 将弯曲系数代人式(4),即可得到非线性振动引起的敏感元件间歇激励闭环系统的频率偏移， 相对于敏感元件的固有频率o,，的偏移率
ba e
"'×100% E
2= w 式中: -时间,定义断开激励信号的时刻为1=0,单位为秒(s); a ！时刻敏感元件振动幅度,单位为米m); 自然常数
GB/T34898一2017 附 录 A 规范性附录) 敏感元件非线性振动数学模型和弯曲系数 非线性振动数学模型 MEMS谐振敏感元件在简谐激励下非线性振动时可采用杜芬方程描述,见式(A.1): 于十o工=一2egr一ear十Fcos( A.1 式中 振动位移,单位为米(m) 时间,单位为秒(s): s-I): 固有振动频率,单位为弧度每秒rad t 阻尼因子,单位为每秒(s s- 非线性系数,单位为二次方秒每四次方米(sm-) 摄动参数,无量纲 单位质量的激励力,单位为牛每千克(N
kgl); s-1 激励力角频率,单位为弧度每秒(rad
A.2非线性振动模型的解 非线性振动模型式(A.1)没有精确解析解,可通过摄动法得到其近似解析解,见式(A.2): (A.2 r=acos(o/一9)+0(e 式中 -敏感元件振动幅度,单位为米(m); -敏感元件振动位移相对于等效激励力的相位延迟,单位为弧度(rad); O( 为同阶无穷小符号
振动幅度a与等效激励力角频率o的关系可用式(A.3)表示 3Eaa w=w,十 (A.3 8w. 4wia" 式(A.3)即为MEMS谐振敏感元件非线性振动幅度-频率响应的隐函数表示
相位延迟9与等效激励力角频率的关系可用式(A.4)表示 3"ae sin'9一ecote (A.4 32u 式中人=F/e
式A.4)即为MEMS谐振敏感元件非线性振动相移-频率响应的隐函数表示 A.3非线性振动幅频响应弯曲系数 根据式A.3)得出MEMS谐振敏感元件非线性振动幅度-频率响应曲线如图A.1所示,响应曲线分 为左枝曲线和右枝曲线,左枝曲线和右枝曲线的中间线为骨架曲线
GB/34898一2017 .o 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.9999998 0.9999999 1.0000000 1.0000001 1.00000021.0000003 归一化频率 说明: -左支曲线; -骨架曲线; 右支曲线 图A.1谐振式MEMS敏感元件非线性振动幅度-频率响应曲线 骨架曲线为一条抛物线,可用式(A.5)表示 w=w十ba A.5 式(A.5)中的参数b称为弯曲系数,将测试得到的谐振角频率o
和谐振峰值a，带人式(A.5),即可 得到弯曲系数,见式(A.6) A.6 根据弯曲系数b的取值可以定量判别MEMS谐振敏感元件非线性振动的性质和强弱b取不同值 时非线性幅度-频率响应曲线如图A.2所示;当b<0时,非线性振动幅度-频率响应曲线向低频段弯曲 弹性恢复力与振动位移的比例关系随振动位移的增加而增大表现为刚度软化非线性振动;当b>0时 非线性振动幅度-频率响应曲线向高频段弯曲,弹性恢复力与振动位移的比例关系随振动位移的增加而 减小,表现为刚度硬化非线性振动;并且lb越大,非线性振动越强
当b=0时,表现为线性振动
GB/T34898一2017 1.0 08" 06 0.4 0.2 0.0 0.99999960.9999998 1.0000000 1.0000002 1.0000004 日 -化频率 说明 b<0; -b=0; -0 图A.2弯曲系数b取不同值时敏感元件非线性振动幅度-频率响应曲线
GB/34898一2017 附 录B 规范性附录 敏感元件频率响应非线性跳跃 当振动幅度超过某一阂值时,频率响应将发生非线性跳跃现象,如图B.la、图B.1b)所示
跳跃 现象可能使敏感元件停振,相位跳跃可能使闭环系统失锁,敏感元件无法工作,因此有必要评估发生非 线性跳跃的振幅值,以确保敏感元件实际振动的振幅小于该振幅值
0.14 0.12
正向扫频 反向扫规 0.10 0.08 0.06 挑变 眺变 0.04 0.02 0.00. 4.6 41.8 42.0 42.2 42.4 42.6 频率/kHH2 幅度-频率响应 -20 -40 -60 -80 -100 -120 跳变 跳变 -140 正向扫频 -160 反向扫频 -180 -20g I.6 I.8 42.0 42.2 频率/kHHz 相位-频率响应 图B.1MEMS谐振敏感元件的非线性跳跃现象
GB/T34898一2017 录 附 C 规范性附录) 非线性振动引起的敏感元件的频率偏移 C.1敏感元件频率偏移对谐振式传感器测量精度的影响 敏感元件的闭环系统按照所采用的固有频率跟踪原理主要可分为:自激闭环系统、锁相闭环系统、 锁幅闭环系统和间歇激励闭环系统
这些闭环系统都是利用敏感元件线性振动状态下的相频特性或幅 频特性实现对固有频率跟踪的,当敏感元件处于非线性振动状态时,幅频特性和相频特性均发生改变 使闭环系统无法准确跟踪固有频率的变化,引起谐振式传感器测量误差
C.2非线性振动引起的自激闭环系统频率偏移 处于自激闭环系统中的敏感元件所受的激励力和阻尼力相抵消,系统的频率输出等于敏感元件的 无阻尼自由振荡频率,对比敏感元件非线性振动的无阻尼自由振动频率和固有振动频率可得敏感元件 自激闭环系统的频率偏移
非线性振动引起的锁相闭环系统频率偏移 处于锁相闭环系统中的谐振敏感元件的振动位移与输人激励信号之间维持一T/2的相位差,敏感 元件相频特性中与一其/2相移对应的频率为系统的频率输出,对比该频率输出与敏感元件固有振动频 率可得锁相闭环系统的频率偏移
C.4非线性振动引起的锁幅闭环系统频率偏移 锁幅闭环系统将敏感元件的频率输出锁相为幅频响应最大值对应的频率,将非线性振动时幅频响 应最大值对应的频率与固有频率对比,得到非线性振动引起的锁幅闭环系统频率偏移
C.5非线性振动引起的间歇激励闭环系统频率偏移 在间歌激励闭环系统中,敏感元件的激励和振动的检测分时进行,在检测振动信号时断开激励信 号,检测敏感元件的自由振动频率,将检测到的自由振动频率作为闭环系统的频率输出将系统频率输 出和敏感元件固有振动频率进行对比,可得到非线性振动引起的间歇激励闭环系统的频率偏移 0
微机电系统（MEMS）技术MEMS谐振敏感元件非线性振动测试方法GB/T34898-2017
微机电系统（MEMS）技术是一种将微型电子、机械和光学等技术相结合的多学科交叉领域技术，应用于传感器、执行器、微加工和生物医疗等领域。其中，MEMS谐振敏感元件是一种利用谐振频率变化来检测外界物理量的传感器，广泛应用于惯性导航、气体质量分析和生命体征监测等领域。
在MEMS谐振敏感元件的应用中，非线性振动是一个重要的问题。由于谐振频率与振幅之间存在非线性关系，当谐振元件受到较大的激励时，其振动特性会发生显著变化，从而影响传感器的工作精度和可靠性。因此，对于MEMS谐振敏感元件的非线性振动特性进行测试是非常必要的。
GB/T34898-2017是我国推出的与MEMS谐振敏感元件有关的国家标准，其中规定了MEMS谐振敏感元件的非线性振动测试方法。该标准主要包括试验设备的选择、试验条件的确定和测试结果的处理方法等内容，旨在为MEMS制造商和用户提供更加明确的技术指导和质量保证。
根据GB/T34898-2017标准，MEMS谐振敏感元件的非线性振动测试可以采用多种方法，如扫频法、干扰法和跳变法等。其中，扫频法是一种常用的测试方法，其原理是通过改变外界激励频率，在谐振元件的共振频率范围内逐步增大激励信号的振幅，记录下谐振元件的振动响应曲线，并计算出其非线性特性参数。
总之，在MEMS谐振敏感元件的应用中，对于其非线性振动特性的测试是非常必要的。而GB/T34898-2017标准则为MEMS制造商和用户提供了一种规范化、标准化的测试方法，可以有效提高MEMS谐振敏感元件的工作精度和可靠性。
