《微机电系统（MEMS）技术 MEMS谐振敏感元件非线性振动测试方法GBT 34898-2017》详细解读

《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》详细解读contents目录1范围2规范性引用文件3术语和定义4敏感元件非线性振动测试特性参数5测试方法及其选用原则5.1光学测试法5.2电学测试法contents目录6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6.2电学测试方法7敏感元件非线性振动频率响应弯曲系数测试方法8敏感元件非线性跳跃振幅阈值测试方法9非线性振动引起的敏感元件频率偏移测试方法contents目录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9.2间歇激励闭环系统的频率偏移附录A(规范性附录)敏感元件非线性振动数学模型和弯曲系数附录B(规范性附录)敏感元件频率响应非线性跳跃附录C(规范性附录)非线性振动引起的敏感元件的频率偏移011范围涵盖的MEMS谐振敏感元件类型本标准适用于采用谐振原理工作的MEMS谐振敏感元件，包括但不限于谐振式压力传感器、谐振式加速度计等。针对不同类型的MEMS谐振敏感元件，本标准提供了相应的非线性振动测试方法及要求。本标准所规定的测试方法适用于MEMS谐振敏感元件在研发、生产及质量控制阶段的非线性振动性能测试。通过本标准的测试，可以有效地评估MEMS谐振敏感元件在振动环境下的性能表现及可靠性。测试方法的适用范围不包含的内容本标准不涉及MEMS谐振敏感元件的电路设计、封装测试等方面的内容。对于特定应用领域的MEMS谐振敏感元件，如汽车电子、航空航天等，可能需要根据相关行业标准进行额外的测试与验证。022规范性引用文件GB/TXXXX-XXXX微机电系统（MEMS）术语和定义该标准规定了MEMS相关术语和定义，为整个MEMS技术领域提供了统一的术语规范。GB/TXXXX-XXXX微机电系统（MEMS）设计通则该标准提供了MEMS设计的通用指导原则，包括设计流程、设计方法和设计验证等。MEMS技术基础标准GB/TXXXX-XXXXMEMS谐振敏感元件通用技术条件该标准规定了MEMS谐振敏感元件的通用技术要求，包括外观、尺寸、性能等。GB/TXXXX-XXXXMEMS谐振敏感元件测试方法该系列标准详细阐述了MEMS谐振敏感元件的测试方法，包括线性振动测试和非线性振动测试等。MEMS谐振敏感元件相关标准GB/TXXXX-XXXX非线性振动测试方法指南该标准提供了非线性振动测试的一般指南，包括测试原理、测试设备、测试步骤和数据处理等。GB/T34898-2017MEMS谐振敏感元件非线性振动测试方法本标准详细规定了MEMS谐振敏感元件的非线性振动测试方法，确保测试结果的准确性和可靠性，为MEMS谐振敏感元件的研发和生产提供重要支持。非线性振动测试相关标准033术语和定义范畴微机电系统包括但不限于微传感器、微执行器、微能源、微光学器件等。定义微机电系统（MEMS）是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。描述微机电系统结合了微电子技术和微机械加工技术，通过集成微小的传感器、执行器、控制电路等元件于一个微小的芯片上，实现各种复杂的功能。3.1微机电系统定义MEMS谐振敏感元件是微机电系统中的一种重要元件，通过利用谐振原理来检测或测量物理量（如压力、加速度、角速度等）的变化。工作原理基于谐振器的振动频率与其结构尺寸及材料物理特性之间的关系，通过检测谐振频率的变化来推算出待测物理量的变化。应用领域广泛应用于惯性导航、消费电子、汽车电子、生物医学等领域。3.2MEMS谐振敏感元件3.3非线性振动特征与线性振动相比，非线性振动具有更复杂的动态特性，如振幅依赖的频率变化、多稳态现象等。影响因素非线性振动可能由系统本身的非线性特性、外部激励的非线性以及两者共同作用而产生。在MEMS谐振敏感元件中，非线性振动可能导致测量误差、性能下降甚至器件损坏，因此需要进行准确的测试与评估。定义非线性振动是指振动系统中恢复力与位移之间呈非线性关系的振动现象。030201044敏感元件非线性振动测试特性参数定义非线性振动是指敏感元件在振动过程中，其运动规律不能用线性微分方程描述的振动现象。分类根据非线性振动的特点，可将其分为弱非线性振动和强非线性振动两类。4.1非线性振动定义与分类描述敏感元件在非线性振动过程中振幅的变化情况，包括最大振幅、最小振幅等。幅值特性反映敏感元件在非线性振动过程中频率的变化规律，如频率偏移、频率稳定度等。频率特性描述敏感元件在非线性振动过程中相位的变化情况，包括相位差、相位稳定性等。相位特性4.2特性参数介绍010203通过合适的传感器和测量设备，实时监测敏感元件在非线性振动过程中的振幅变化，并记录相关数据。幅值测试利用频谱分析仪等仪器，对敏感元件在非线性振动过程中的频率进行精确测量和分析。频率测试借助相位测量仪等设备，检测敏感元件在非线性振动过程中的相位变化情况，确保相位的准确性和稳定性。相位测试4.3参数测试方法温度、湿度、压力等环境因素以及敏感元件自身的材料特性、结构尺寸等都会对非线性振动特性参数产生影响。影响因素针对不同影响因素，采取相应的优化措施，如改善测试环境、选用合适的材料和优化结构设计等，以提高敏感元件在非线性振动测试中的性能表现。优化措施4.4参数影响因素及优化措施055测试方法及其选用原则该测试方法适用于评价MEMS谐振敏感元件在非线性振动环境下的性能，为产品的设计优化和质量控制提供重要依据。通过本标准的实施，可以提高MEMS谐振敏感元件在非线性振动环境下的可靠性和稳定性，推动MEMS技术的广泛应用。本标准规定了MEMS谐振敏感元件非线性振动的测试方法，包括测试原理、测试设备、测试步骤和数据处理等方面内容。5.1测试方法概述根据实际需求选择选用测试方法时应根据具体需求和目的来选择，确保测试结果的准确性和有效性。考虑测试条件限制兼顾成本与效率5.2测试方法选用原则在选择测试方法时，需充分考虑测试条件（如设备精度、环境控制等）的限制，选择可操作性强的测试方法。在满足测试需求的前提下，应兼顾测试成本和效率，选择经济、高效的测试方法。5.3测试方法实施要点在实施测试时，必须严格按照本标准规定的步骤和方法进行操作，确保测试结果的可靠性。严格按照标准操作测试过程中应详细记录各项数据，包括测试条件、测试参数、测试结果等，并进行必要的数据处理和分析。数据记录与处理根据测试结果，结合相关标准和规范进行结果判定，并形成详细的测试报告，以供后续参考和使用。结果判定与报告065.1光学测试法利用光的干涉现象，通过测量干涉条纹的变化来推算MEMS谐振敏感元件的振动特性。光学干涉测试原理运用激光多普勒效应，测量元件表面散射光的多普勒频移，从而得到元件的振动速度。激光多普勒测速借助高分辨率光学显微镜，直接观测和记录元件的振动情况。光学显微镜用于产生干涉条纹并测量其变化的高精度光学仪器。干涉仪提供稳定、高强度的激光光源，以确保测试的准确性和可靠性。激光器用于捕捉和记录元件振动过程中的高速动态图像。高速摄像机测试设备样品准备选取具有代表性的MEMS谐振敏感元件样品，并进行必要的预处理。光路搭建根据测试需求，搭建合适的光学测试系统，确保光路的稳定性和准确性。测试操作启动测试设备，对样品进行光学测试，实时监测和记录元件的振动数据。数据分析对测试数据进行处理和分析，提取元件的振动特性参数，如振幅、频率等。测试步骤光学测试法具有非接触性、高精度和高灵敏度等特点，能够有效地测量MEMS谐振敏感元件的微小振动。优点光学测试法对环境要求较高，容易受到外界干扰（如光线、温度等）的影响，同时测试设备成本较高。缺点优缺点分析075.2电学测试法测试原理电容检测通过测量MEMS谐振敏感元件在振动过程中电容的变化，来反映其振动特性。这种方法适用于具有电容结构的谐振器。压阻检测谐振频率检测利用MEMS谐振敏感元件内部的压阻效应，通过测量电阻值的变化来检测振动。此方法适用于具有压阻材料的谐振器。通过测量MEMS谐振敏感元件的谐振频率，来推算其振动状态。这种方法需要精确的频率测量设备。测试设备与仪器电容计用于测量电容的高精度仪器，在电容检测法中扮演关键角色。用于测量压阻检测中电阻值变化的精密仪器。电阻测量仪能够精确测量谐振频率的设备，是谐振频率检测法的核心工具。频率计测试步骤准备工作根据所选的电学测试法，准备相应的测试设备和仪器，并确保其处于良好的工作状态。连接与安装将MEMS谐振敏感元件与测试设备正确连接，并确保安装牢固，避免测试过程中的干扰。测试操作按照测试方法的要求进行具体操作，如施加激励信号、观察并记录测试数据等。数据分析对收集到的测试数据进行处理和分析，提取出反映MEMS谐振敏感元件振动特性的关键参数。测试前应对所有设备和仪器进行精确校准，以确保测试结果的准确性。精确校准环境控制安全防护测试过程中应控制环境温度、湿度等影响因素，以减小测试误差。操作人员应佩戴必要的防护用具，确保测试过程的安全性。注意事项086敏感元件非线性振动幅频响应和相频响应测试方法测试目的评估敏感元件在非线性振动环境中的性能表现。分析敏感元件在不同频率下的振动幅度变化。确定敏感元件在非线性振动条件下的幅频响应特性。010203010203基于非线性振动理论，通过施加特定频率的激励信号，观察敏感元件的响应。采用幅频响应和相频响应的测试方法，分别记录不同频率下敏感元件的振幅和相位变化。结合测试数据，分析敏感元件在非线性振动条件下的动态特性。测试原理结束测试后，关闭测试设备，取下敏感元件并妥善保存测试数据。开启测试系统，记录敏感元件在不同频率下的振幅和相位响应数据。设置信号发生器，产生所需频率的激励信号，并通过功率放大器将其放大后施加到振动台上。准备测试设备，包括信号发生器、功率放大器、振动台、传感器等。将敏感元件固定在振动台上，确保其安装牢固且处于正常工作状态。测试步骤数据处理与分析010203对测试数据进行预处理，包括滤波、去噪等，以提高数据质量。绘制敏感元件的幅频响应曲线和相频响应曲线，直观展示其在不同频率下的响应特性。结合敏感元件的工作原理和应用场景，分析其在非线性振动条件下的性能表现及潜在问题。04提出改进建议或优化措施，为敏感元件的设计、生产及应用提供技术支持。096.1光学测试方法基于激光多普勒效应，通过测量散射光与参考光之间的频差，得到被测物体的振动速度和位移。激光多普勒测振技术利用高速摄像机记录被测物体的振动过程，通过图像分析处理得到振动参数。高速摄影技术结合显微镜和干涉测量原理，实现对微小物体的高精度振动测量。显微干涉测量技术测试原理测试系统组成激光发射器产生稳定、高质量的激光束，作为测量的光源。02040301光电探测器将光信号转换为电信号，便于后续的数据采集与处理。光学干涉系统包括分光镜、反射镜等光学元件，用于构建测量光路，实现激光的干涉测量。高速摄像机/显微镜用于捕捉被测物体的振动图像，配合图像分析软件得到振动参数。数据分析与处理利用专业的数据分析软件对采集到的数据进行处理，提取出振动速度、位移等关键参数；结合高速摄影图像，进一步分析被测样品的振动特性。准备工作搭建光学测试系统，确保各组件稳定可靠；准备被测MEMS谐振敏感元件样品。激光对准与调试调整激光发射器，使激光束准确照射到被测样品上；调试光学干涉系统，确保干涉条纹清晰可辨。数据采集开启光电探测器和高速摄像机/显微镜，实时采集被测样品的振动数据；根据需要调整采集参数，如采样频率、曝光时间等。测试步骤010203确保测试环境稳定，避免外部干扰对测试结果的影响。定期对测试系统进行校准和维护，保证测量精度和可靠性。针对不同类型的MEMS谐振敏感元件，需选择合适的测试方法和参数设置。注意事项106.2电学测试方法利用MEMS谐振敏感元件的电学特性进行非线性振动测试。测试原理通过测量谐振元件在振动过程中的电学参数变化，分析其非线性振动特性。结合信号处理技术，提取谐振元件的振动信号并进行处理和分析。高精度测量仪表用于测量谐振元件在振动过程中的电学参数，如电压、电流等。数据采集与处理系统实时采集测量数据，并进行数字信号处理与分析，提取非线性振动特征参数。信号发生器与放大器产生特定频率和幅度的激励信号，驱动谐振元件进行振动，同时放大测量信号以便后续处理。高精度电源为谐振元件提供稳定、可调的电源，确保其正常工作。测试设备准备工作设定测试条件根据测试结果评估谐振元件的性能，并撰写详细的测试报告。结果评估与报告对采集到的数据进行处理，提取谐振元件的非线性振动特征参数，如振幅、频率、相位等。数据处理与分析施加激励信号使谐振元件产生振动，同时记录测量仪表的输出数据。进行测试根据测试需求选择合适的谐振元件，搭建测试系统并进行校准。确定激励信号的频率、幅度等参数，以及测量仪表的量程和采样率等。测试步骤确保测试过程中电源的稳定性和可靠性，避免因电源波动影响测试结果。严格控制测试环境的温度、湿度等环境因素，以减小其对测试结果的影响。选择合适的测量仪表和校准方法，确保测量数据的准确性和可靠性。在测试过程中要密切关注谐振元件的状态，避免因过度振动或其他异常情况导致元件损坏。注意事项117敏感元件非线性振动频率响应弯曲系数测试方法123确定敏感元件在非线性振动条件下的频率响应特性。评估敏感元件的弯曲系数，为系统设计和性能优化提供依据。检验敏感元件是否符合相关标准和规范的要求。测试目的010203基于非线性振动理论，通过分析敏感元件在振动过程中的频率响应，计算弯曲系数。采用专业的测试设备，模拟实际工作环境中的振动条件，对敏感元件进行测试。结合数据采集和处理技术，实时记录并分析测试数据，确保测试结果的准确性和可靠性。测试原理准备测试设备选择合适的振动台、传感器和数据采集系统，搭建测试平台。安装敏感元件将待测试的敏感元件固定在振动台上，确保其安装位置和方式符合测试要求。设置测试参数根据测试需求，设置振动台的振动频率、振幅和测试时间等参数。进行测试启动振动台，对敏感元件施加非线性振动，同时采集并记录测试数据。数据处理与分析对采集到的测试数据进行处理和分析，计算敏感元件的弯曲系数，并绘制相关曲线图。结果评估与报告根据测试结果，评估敏感元件的性能，并撰写详细的测试报告。测试步骤010203040506注意事项010203在测试过程中，应确保测试环境的安全，避免对人员和设备造成损害。严格按照测试步骤进行操作，避免误操作导致测试结果失真。对于异常数据或不符合预期的结果，应及时进行复查和验证，确保测试结果的准确性。128敏感元件非线性跳跃振幅阈值测试方法测试目的确定敏感元件在非线性振动过程中发生跳跃现象的振幅阈值。01评估敏感元件在特定振幅下的稳定性与可靠性。02为敏感元件的设计、制造和应用提供重要参考依据。03基于非线性振动理论，通过分析敏感元件在振动过程中的动态响应，识别跳跃现象。测试原理采用精密测量技术，实时监测敏感元件的振幅变化，捕捉跳跃阈值。结合数学模型与实验数据，对敏感元件的非线性特性进行定量分析与评估。准备测试装置，包括振动台、信号发生器、功率放大器、测量仪器等。设置信号发生器，产生所需频率和幅度的振动信号，通过功率放大器驱动振动台。重复测试多次，以提高数据的准确性和可靠性。将敏感元件安装在振动台上，确保其固定牢靠且处于正常工作状态。启动测试，实时监测敏感元件的振幅变化，记录跳跃现象出现时的振幅值。对测试数据进行处理和分析，确定敏感元件的非线性跳跃振幅阈值。010203040506测试步骤在测试过程中，应确保测试环境的稳定性，避免外部干扰对测试结果的影响。选择合适的测量仪器和测试方法，以确保测试数据的准确性和可靠性。对于不同类型的敏感元件，可能需要根据其特性和应用需求进行针对性的测试方案调整。注意事项010203139非线性振动引起的敏感元件频率偏移测试方法01振动激励与响应分析通过对敏感元件施加振动激励，并监测其响应，分析非线性振动对频率偏移的影响。测试原理02频率偏移量测定在特定振动条件下，测量敏感元件的频率偏移量，以评估其性能稳定性。03数据处理与结果判定对测试数据进行处理，提取关键参数，并依据相关标准判定测试结果是否合格。振动台提供稳定、可控的振动激励，模拟实际工作环境中的振动条件。测试设备与环境01频率计高精度测量敏感元件的振动频率，确保测试数据的准确性。02隔振措施采用隔振装置减少外界振动对测试结果的干扰，提高测试可靠性。03温湿度控制保持测试环境温湿度的稳定，以消除环境因素对测试结果的影响。04预备工作检查测试设备是否完好无损，确保测试环境符合要求，对敏感元件进行初始状态检查。振动激励设置根据测试需求，设定振动台的振动参数，如振幅、频率等。频率偏移测量在振动激励下，使用频率计实时监测敏感元件的频率偏移情况，并记录数据。数据处理与分析对测量数据进行整理、分析，计算频率偏移量，并绘制相关图表。结果判定与报告编写依据测试结果判定敏感元件是否满足要求，并编写详细的测试报告。测试步骤0102030405149.1自激闭环系统、锁相闭环系统和锁幅闭环系统的频率偏移原理自激闭环系统是一种通过自身振荡产生的信号来驱动和控制系统的方式。在MEMS谐振敏感元件中，自激闭环系统的频率偏移可能由元件内部参数变化或外部环境干扰引起。自激闭环系统的频率偏移影响因素影响自激闭环系统频率偏移的因素包括元件的老化、温度漂移、机械应力等。这些因素会导致谐振频率的偏差，进而影响系统的性能和稳定性。测试方法为准确测量自激闭环系统的频率偏移，可采用频谱分析仪等精密仪器，对系统输出的信号进行频谱分析，从而确定谐振频率的准确值。原理锁相闭环系统通过引入外部基准信号与内部振荡信号进行相位同步，以实现对输出频率的精确控制。在MEMS谐振敏感元件中，锁相闭环系统的频率偏移可能源于基准信号的不稳定或相位噪声的干扰。稳定性分析锁相闭环系统具有较强的抗干扰能力和稳定性，但在某些极端条件下（如高温、低温、强振动等），可能会出现频率偏移现象。因此，在实际应用中需要对这些极端条件进行充分考虑和测试。校正技术针对锁相闭环系统的频率偏移问题，可采用相位校正技术或频率校正技术来进行调整。这些技术能够有效地减小频率偏移量，提高系统的输出精度和稳定性。锁相闭环系统的频率偏移锁幅闭环系统的频率偏移改进措施为减小锁幅闭环系统的频率偏移，可从提高振幅控制回路的稳定性入手，采用先进的控制算法和电路设计来优化系统性能。同时，加强对外部环境的监测和补偿措施也是降低频率偏移的有效途径。影响因素与锁相闭环系统类似，锁幅闭环系统的频率偏移也可能受到外部环境（如温度、湿度、压力等）的影响，以及元件自身参数变化（如阻尼系数、弹性模量等）的影响。原理锁幅闭环系统主要通过控制振荡信号的幅度来实现对输出频率的稳定控制。在MEMS谐振敏感元件中，锁幅闭环系统的频率偏移可能与振幅控制回路的稳定性有关。159.2间歇激励闭环系统的频率偏移闭环系统通过反馈控制，使系统输出能够跟踪输入信号，实现对系统动态性能的精确控制。频率偏移在间歇激励下，闭环系统的谐振频率可能会发生偏移，即实际谐振频率与理论谐振频率之间存在差异。间歇激励指在一定时间间隔内对系统进行激励，以激发系统的振动响应。间歇激励闭环系统定义系统非线性微机电系统（MEMS）中的谐振敏感元件往往具有非线性特性，这可能导致在间歇激励下系统的谐振频率发生偏移。激励信号影响激励信号的幅度、频率和波形等因素都可能对闭环系统的谐振频率产生影响，从而导致频率偏移。环境因素温度、湿度、压力等环境因素的变化也可能引起闭环系统谐振频率的偏移。020301频率偏移产生原因初始频率设定在进行间歇激励测试前，首先需要确定闭环系统的理论谐振频率，并以此作为初始设定值。激励信号施加按照设定的间歇时间和激励信号参数，对闭环系统施加激励，观察并记录系统的振动响应。频率偏移计算通过对比实际振动响应与理论预期之间的差异，可以计算出闭环系统在间歇激励下的频率偏移量。频率偏移测试方法频率偏移对系统性能影响010203稳定性下降频率偏移可能导致闭环系统的稳定性下降，增加系统失控的风险。精度降低谐振频率的偏移会直接影响闭环系统的控制精度，导致系统输出与预期目标之间产生偏差。可靠性受损长期存在的频率偏移可能加速系统部件的磨损和老化，从而降低整个系统的可靠性。16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模型建立基于非线性振动理论，结合敏感元件的物理特性和工艺参数，构建精确的数学模型。振动方程模型中应包含描述敏感元件振动的非线性微分方程，以及相关的初始条件和边界条件。求解方法采用数值分析或解析方法求解振动方程，得到敏感元件在不同激励下的振动响应。030201敏感元件非线性振动数学模型弯曲系数定义与计算弯曲系数是描述敏感元件在弯曲过程中抵抗变形能力的物理量，可根据敏感元件的几何尺寸、材料属性等因素进行计算。影响因素弯曲系数受敏感元件的结构形式、材料特性、工艺处理等多种因素影响，需综合考虑各因素进行准确评估。应用意义弯曲系数是评价敏感元件性能的重要指标之一，对于指导敏感元件的设计、制造和应用具有重要意义。17附录B(规范性附录)敏感元件频率响应非线性跳跃频率响应突变这种跳跃与线性响应明显不同，呈现出复杂的非线性特征，影响元件的准确测量。非线性特征重复性与可预测性虽然非线性跳跃具有不确定性，但在相同条