高g值加速度条件下微结构动态测试技术研究

　　0　引言

　　微机电系统(MEMS)技术的迅速发展,使得采用MEMS技术制造的微器件在寿命、可靠性、成本、体积和质量等方面都显示出巨大的优势,使其在民用及军用领域都有着广泛的应用前景。目前,采用MEMS技术制造的各种微机械传感器广泛应用于诸如汽车、机器人的测控系统、战术武器和智能炮弹的制导系统,以及微小卫星的测控等航空航天各领域。采用MEMS技术制造的传感器由于其具有功耗小、可靠性高、抗振动冲击能力强等特点,使其更能适用于各种恶劣工作环境以及各种极限条件下的应用,如应用于高载荷条件下高g(重力加速度)值加速度传感器、各种高低温环境下的传感器与执行器等,正成为研究的一个热点[1-2]。在各式微器件中,通常是通过器件内挠性微结构的动态变形来实现其特定功能的,微结构动态特性是考察器件性能的重要指标,研究常态及各种恶劣工作情况下的测试技术,尤其是动态测试技术是MEMS研究的一个重要方面。相对于工作在各种恶劣环境下的MEMS器件研发,其在恶劣环境下的动态特性及测试技术的研究显得相对落后。到目前为止,国内外对于MEMS器件在恶劣环境下的动态特性及测试技术方面还有许多待研究的方面。本文研究了高g值加速度条件下微结构动态测试技术,建立了测试装置,测试了高g值加速度条件下微结构的动态特性。

　　1　高g值加速度条件下微结构动态测试技术

　　不同于常规动态测试技术,研究高g值环境微结构动态测试技术需要考虑以下三个方面的技术难点:①持续稳定高g值加速度测试环境的产生;②高g值环境下对微结构的激励;③在高g值环境下微结构动态响应信号的采集与传输。

　　对高g值加速度下微结构动态测试技术的研究,需在一个持续稳定的高g值加速度环境下对微结构进行激励并采集动态响应信号,完成微结构动态测试。常用的高速冲击法无法产生持续恒定的高g值加速度环境;高速离心法通过调整设备回转半径或改变转速可实现不同的持续稳定高g值加速度环境,是一种理想的稳态高g值加速度产生方式。

　　基于MEMS工艺的微结构本身尺寸小(毫米级到微米级),谐振频率高,其动态测试激励装置必须具有较高的激励带宽,且高g值加速度测试环境也对激励装置提出了严格要求。

　　基于底座激励的激振方式将微结构固定在底座上,通过底座的运动实现对微结构的激励,改变激励装置的驱动源可实现较宽带宽的激励,结构简单、通用性强,可用于高g值加速度条件下微结构动态测试技术的研究。当将待测试件安装在底座激励装置上,待测试件在高g值加速度作用下将对底座产生很大的力,因此在选择底座激励方式时,必须考虑底座装置能承受较大的力,同时能输出较大的作用力以激励安装于其上的试件。压电陶瓷响应迅速,输出带宽大,且具有输出较大推力的特性,在外部稳定作用力下压电陶瓷的输出特性不会产生变化,故采用压电陶瓷底座激励方式可以实现高g值加速度条件下对被测微器件的激励[3-4]。