机械故障信息监测MEMS高频加速度传感器

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传感器作为故障信息监测与诊断的数据来源，其对工程装备工作参数的拾全度直接决定了后续故障诊断的准确度，是机械故障信息监测的关键器件。随着无线监测系统进入工业应用以及制造装备智能化发展的趋势，当前所用的压电式加速度传感器由于成本、体积等方面的原因逐渐不能满足工业实际需求[1≈ ；因此 ，将具有微型化与可大规模生产等潜力的MEMS传感器应用于机械故障信息监测中，可为制造装备集成化、智能化发展提供必要的器件支持。

MEMS微加工技术继承了IC工业中的半导体材料加工技术，具有小型化、集成化和可大规模生产的特点，微传感器已广泛应用于包括加速度、压力、微力等诸多机械量的测量中[3-4]。加速度传感器具有高灵敏度、高可靠性以及可大规模生产等特点。目前，常见的MEMS微型加速度传感器包括电容式、热对流式、谐振式以及压阻式等。

电容式加速度计利用敏感结构将加速度信号转化为电容变化量，再通过外围信号调理电路处理，实现加速度的线性输出，具有分辨率高、温度特性好等优点，多用于测量稳态或低频的低加速度值振动，在地震监测、空间微重力测量、生物医疗、惯性导航等领域有广泛的应用。由于电容式加速度计动态测量的带宽相对较小，不能很好地满足装备监测中高频振动的测量要求。同时，为了消除轴间交叉耦合，电容式加速度计越来越多地采用高度对称结构，如梳状叉指结构，明显增加了芯片结构的复杂性，提高了对加工工艺的要求，降低了传感器的产量和合格率[s]。目前，国内外对电容式加速度计的研究多侧重于灵敏度或者分辨率的提高。

Dauderstadt等 提出了热对流式加速度计，基于单片CMOS集成电路的制造工艺，以可移动的热对流气团作为重力块，通过加速度引起的内部腔体内的气团的位置变化来测量加速度。相比于传统MEMS加速度计，热对流式加速度计具有高可靠性、高性能和低价格的优势[7]，使其在手机、数码相机、PDA 及 MP3等必须具备-定的抗 冲击能力 的电子产品上获得广泛应用。热对流式加速度计已经成为加速度计发展的研究热点之-，但频率响应的不足限制了其应用范围。

谐振式传感器通过检测敏感结构谐振频率变化的方式来表征所拾取的加速度。传感器直接输出频率信号，避免了幅度测量的误差，测量结果不易受到环境噪声的干扰。但谐振式传感器工作时需要起振器件使敏感元件处于谐振状态，增加了传感器器件· 国家 自然科学基金资助项 目(编号：51275402)；国家重点基础研究发展计划 (九七三”计划)资助项 目(编号：2OO9CB7244O5)；长江学者和创新团队发展计划资助项 目(编号：IRT1o33)收稿 日期：2012"09-14876 振 动、测 试 与 诊 断 第 32卷的复杂性，且加速度的量值通过频率信号变化来表征，与现有信号处理方法兼容性不好，提取信号频率能力不足，不适用于故障信息检测中连续加速度的提龋压阻式加速度计的基本原理是：当待测加速度作用于传感器时，梁结构在惯性力的作用下产生弹性变形和应力 ，压敏电阻因材料压阻效应阻值发生变化，惠斯通电桥将电阻的变化转化为电压输出，通过测量电压变化得到待测加速度。作为最早开发的硅微加速度传感器，压阻式加速度计具有体积孝易集成、功耗孝可靠性高、精度高以及易于利用标准的IC技术实现集成化等优点，是-种应用范围较广的MEMS加速度传感器。

综合各类传感器的优缺点以及机械制造装备故障检测对测振传感器的性能需求，笔者以3种不同结构的压阻式MEMS加速度传感器为对象，介绍了微型测振加速度传感器的工作原理、结构设计方法以及微加工工艺。针对传感器固有频率与测量灵敏度之间的制约关系，提出小变形-大应力”的敏感结构设计方法，并根据所设计结构特点与微加工工艺能力制定传感器芯片制作流程，最后给出传感器的性能测试结果，并将其应用在实际测振实验中。

1 传感器敏感原理1.1 压 阻效应与硅材料压阻式传感器利用材料的压阻效应将物理量转换为电学量的方式来实现信号测量。所谓压阻效应是指材料受到应力作用时，其电阻发生明显变化的现象。对于长度为 、横截面积为 、电阻率为10的材料，当受到应力作用时，其电阻阻值的相对变化可以表示为dR dp .dL dS .dL . dL百 -言十 - ： 十 十2 Z-：(1 2p 丌E)e (1)其中： 为材料的压阻系数； 为泊松比；为应变；为所受应力 ；E为弹性模量 。

G：12 wE称为材料的应变系数或灵敏系数，其物理意义为材料发生单位应变时电阻的变化率。由G的表达式可知，材料的应变系数是由两方面因素决定的[8]：-是 12 ，它由材料的几何尺寸的变化引起；二是nE，它由材料受应力作用时电阻率发生变化引起。-般的金属材料，其电阻率基本上与应力无关 ，rE值很小 ，可以忽略，其压阻效应主要决定于几何尺寸的变化。-般金属材料的应变系数很小，在弹性变形范围内，应变系数G在1.5～2之间。

半导体材料的应变系数G值主要由电阻率的变化决定，G，rE。半导体的应变系数G大约在70170之间，远远高于金属材料的应变系数∩见，半导体材料具有比其他材料更显著的压阻效应，非常适合传感器的信号敏感要求。

对于压阻式加速度传感器，仅靠压阻元件不能实现其功能，还需要对加速度敏感的弹性元件将被测加速度转换为能被压阻元件感应的结构应力。压阻元件和弹性元件共同构成压阻式加速度计的敏感结构，二者缺-不可。由于弹性元件的性能直接影响着加速度计的灵敏度、线性和固有频率等参数，所以需要合理设计弹性元件的结构以及合理选择弹性元件的材料。为了获得性能良好的弹性元件，其材料应具备以下要求：a.高屈服强度、弹性极限和疲劳极限；b.良好的线性和重复性；C.弹性滞后孝蠕变小；d.热膨胀系数孝温度系数小；e.良好的加工工艺性；f.良好的抗腐蚀性能，长期稳定性。单晶硅作为- 种常见的半导体材料，具有优异的机械性能：其屈服强度是不锈钢的3.5倍，弹性模量与不锈钢相当，而密度仅为不锈钢的1/3，强度质量比超过了所有常用工程材料；具有很好的热导性，是不锈钢的5倍，而热膨胀系数则不到不锈钢的1/7；同时具有极小的弹性滞后、极佳的重复性和长期稳定性；制造工艺与Ic工艺有很好的兼容性，便于加工。上述优异性能使单晶硅成为-种理想的弹性元件材料，被广泛用于微传感器和微结构的制造中。

单晶硅由于材料的各向异性，其压阻系数与压阻元件所处的晶向相关。正交坐标系中，当坐标轴与晶轴-致时，电阻的相对变化率与应力之间的关系Lg 满足dR/R： 71(TI 7Ytt (2)其中： ， 为沿电阻纵向与横向的应力； ，以为沿纵向和横向的压阻系数；l表示应力作用方向与通过压阻元件的电流方向-致；t表示应力作用方向与通过压阻元件的电流方向垂直。

MEMS传感器利用上述硅压阻原理，在硅晶片上采用MEMS微细工艺沿单晶硅片的特定晶向注入参杂介质制成扩散型压敏电阻。作为压阻元件，同时利用硅材料的力学特性制成弹性元件，最终得到集被测信号检测与电信号转换于-体的硅质压阻传感器。

1.2 加速度传感器原理目前，压阻式加速度传感器多采用如图1所示第6期 赵玉龙，等：机械故障信息监测MEMS高频加速度传感器 877的梁-质量块”结构，主要包括质量块、支撑梁和压敏电阻3个基本元件。当传感器受到加速度作用时，质量块在惯性力的作用下发生与加速度成比例的位移，带动支撑梁发生弯曲变形，产生应力。由于硅的压阻效应，压敏电阻在应力作用下阻值变化，后经过惠斯通电桥输出与加速度成比例的电压，实现加速度信号到电信号的转换，如图2所示。

图1 梁-质量块结构图图2 压阻式传感器工作过程在加工传感器芯片过程中，通常采用离子注入工艺在传感器应力最敏感区域制作 4个等值的压敏电阻以提高传感器的测量灵敏度。然后由芯片上的金属引线将压敏电阻连接成惠斯通电桥，由外接恒压源或恒流源激励工作。当传感器工作时，压敏电阻中将有两个产生AR的变化，另外两个产生-AR的变化，电桥失衡输出电压为r T 尺2/R1 f AR1 AR2 I AR3 AR41 r r丽 /R l可 -可 十可 -可 J 。 (1Rz 1)。R1 R2 尺3 R4(3)由式(3)可知，惠斯顿电桥的输出，。与各压敏电阻的变化成线性关系。惠斯通电桥能够有效地将压敏电阻的变化转换成电压信号，且压阻式传感器的电压输出与加速度输入成线性关系。

2 传感器的敏感结构加速度传感器的主要性能指标包括测量灵敏度、固有频率、输出线性度以及可用量程等，其中测量灵敏度与固有频率是决定传感器应用范围的重要指标，高速制造装备的振动监测对这两个指标均有较高的要求。从理论分析可知，传感器灵敏度与固有频率为两个相互制约的参数。对于等效刚度为K、等效 质量为M 的加速度敏感结构来说，其在加速度a作用下质量块的静态位移口DJ 有x/a- M/K - 1/ (4)单位加速度引起的质量块位移与传感器固有频率的平方成反比。对于某-结构的传感器来说，提升固有频率则必须增加结构刚度、减小质量块，而这必然会减嗅构的静态变形 ，造成敏感结构上的应力减小，降低传感器灵敏度；反之，提升传感器测量灵敏度也会造成传感器固有频率的下降。因此，缓解固有频率与测量灵敏度之间的制约关系，设计具有高频响、高灵敏度的敏感结构成为机械故障信息监测用MEMS加速度传感器研制中的重点。

为了解决上述问题，笔者以小变形-大应力”为设计思想，寻求合适的传感器敏感结构，使传感器具有较大结构刚度的同时，压敏电阻所处位置仍有较大的敏感应力，以提高传感器灵敏度，并据此设计了具有梁膜结构、孔缝双桥结构以及复合多梁结构的3种压阻式加速度传感器。梁膜结构是对传统悬臂梁结构的改进，提升了传感器的固有频率，降低了传感器的横向交叉干扰，同时较小的膜结构厚度可以减小固有频率上升对传感器灵敏度的影响∽缝双桥结构和复合多梁结构均以传统双桥结构为基础，前者通过引入应力集中孔缝，在提升传感器灵敏度的同时减小敏感结构 的刚度流失；后者 引入短小敏感梁，在提升传感器固有频率的同时，利用结构的应变放大作用为传感器提供较高测量灵敏度。以下对这3种结构进行详细说明。

梁膜结构针对传统悬臂梁结构灵敏度高的优点及固有频率低、横向交叉干扰大的缺点，通过添加支撑膜结构的方式来提升传感器的性能[1 。梁膜结构加速度传感器芯片结构如图3所示。芯片由梁膜敏感结构、质量块、布置于梁区域上的压敏电阻(图中未表示)和键合的Pyrex玻璃组成。梁膜敏感结构包括悬臂梁和两块完全相同的膜。厚度为悬臂梁-半的膜结构与悬臂梁相连接组成-个整体，共同支撑质量块。悬臂梁上沿着[1103与[1TO]晶向布置了4根压敏r B-BL-图3 梁膜结构示意图幽 篆第 6期 赵玉龙，等：机械故障信息监测MEMS高频加速度传感器 881名、 脚弓j舞图12 3种传感器的输入输出曲线传感器的固有频率测试采用传感器动态测试系统来实现。系统由激振器、功率放大器、标定控制仪、信号处理器以及计算机组成。实验时，通过计算机向标定控制仪发出-个扫频正弦信号命令，控制仪产生相应的扫频信号，经过功率放大器放大后驱动激振器工作。参考传感器与被测传感器固定于激振器上端 ，受到扫频正弦加速度信号作用 。当加速度信号的频率与传感器的固有频率相等时，结构会出现共振，传感器的输出剧烈增大。笔者所使用的参考传感器 为普通 压 电式 加速 度计，其 固有 频率 约 为40 kHz，能够用于本次试验的传感器标定。实验将被测传感器与标准传感器的输出的比值作为考量传感器固有频率的参数。当被测传感器出现共振情况时，这-比值将发生剧烈变化。由实验结果可以得到梁膜结构的固有频率约为2.46 kHz，孔缝双桥结构的固有频率约为12.46 kHz，复合多梁结构的固有频率约为13.61 kHz。

3种结构的传感器均可以缓和灵敏度与固有频率之间的制约关系，尤其是孔缝双桥结构与复合多梁结构。通过性能对比实验，孔缝双桥结构将传感器灵 敏度与固有频率乘积提升了约55 ，而复合多梁结构将这-指标提升达到了84.8 。在传感器静态变形与固有频率的平方成反比的制约关系下，小变形-大应力”的敏感结构方案在灵敏度与固有频率两者之间以某-性能参数的最小牺牲换取了另-参数的显著提升，是机械故障信息监测中可行的高频、高灵敏度测振传感器设计研究方案。

4.2 传感器的测振应用机床主轴振动可以通过加速度传感器进行检测，振动测试系统包括加速度传感器、信号放大模块、数据采集拈以及直流电源，3种结构传感器均可以识别主轴的动不平衡转频。图13为复合多梁结构所采集的1 200 r/rain下的振动信号以及傅里叶变换结果。其中9.0 Hz的频率分量对应于主轴的转频，同时传感器配套信号处理电路因受到实验所用电源中交流电信号频率的影响，频谱图中出现了50Hz及其整数倍的频率分量，见图13(b)。

3002001ooo- lOO- 200- 3004035302520151O50O 1 2 3 4 5采样点数 x1(a)原始数据20Hz：。

：蝴 .1 止 . 山0 50 100 150 200 250t.Iz(b)傅里叶变化结果图 13 测振实验结果5 结 论1)MEMS加速度传感器采用可与IC工艺集成的加工技术，其低成本、微型化以及可大规模生产的潜力可使MEMS传感器在未来智能化机械装备故障信息无线监测中得到大量应用，替代目前常用的较昂贵的压电式加速度传感器。

2)通过对传感器测量灵敏度与固有频率之间的制约关系的分析可知，对于某-结构传感器来说，提高其固有频率则会降低其测量灵敏度；反之提升测量灵敏度，传感器的固有频率则下降。针对高频测振传感器对测量灵敏度与固有频率的要求 ，需要通过合理的敏感结构设计来提升传感器这-性能，同时减小对另-性能的影响。

3)小变形-大应力”是高频响、高灵敏度加速度传感器设计中行之有效的设计思路。梁膜结构引入 的旭度膜结构、孔缝双桥传感器引入的应力集中孔缝以及复合多梁结构引入的短小敏感梁均在-定程度上提升了传感器的性能。