硅基环形波动陀螺抗高过载能力测试(2)

3 抗高过载试验

MEMS硅基环形波动陀螺采用陶瓷管壳进行封装。分别对一个非真空封装的陀螺结构样品(1#)及2个真空封装的陀螺结构样品(2#、3#)进行了抗高过载能力验证。试验室环境下，利用马歇特锤对3个陀螺结构样品进行高过载试验。试验前后，分别对一个非真空封装的陀螺结构样品进行了拉曼光谱测试，并用共聚焦显微镜观察了陀螺结构表面形貌；对2个真空封装的陀螺结构样品进行了驱动模态固有频率的测试。

图4Z轴瞬态冲击仿真图

3.1 马歇特锤冲击试验

利用马歇特锤对陀螺结构样品进行抗高过载测试，如图5所示。具体测试方法为：先将标准传感器固定在马歇特锤锤头上进行冲击测试，其中标准传感器使用恩德福克压电加速度传感器。然后将恩德福克标准传感器的输出通过外接电荷放大器后与示波器相连，经过电荷放大器之后输出电压与加速度对应的关系为10 000g/V。经过对标准传感器的冲击测试得到理想的过载环境后，再将陀螺结构样品和标准传感器分别固定在马歇特锤锤头进行冲击试验。试验后对标准传感器采集的外部环境的冲击数据进行读取分析，马歇特锤冲击幅值为13 600g。马歇特锤冲击前后，分别用共聚焦显微镜观察1#陀螺结构表面形貌，如图6所示，陀螺结构完好无损。

图5 马歇特锤冲击实物图

图6 陀螺结构表面形貌

3.2 拉曼光谱测试

根据硅晶体受内应力时，其晶格会发生形变，固有频率也会随之改变，最终导致散射的拉曼光谱发生频移的特性[11-12]，利用拉曼散射光谱对此硅基环形陀螺结构进行应力分析。拉曼光谱测试具有分辨率高、响应快速、测量精度高等特点，对陀螺结构不会造成损坏。拉曼光谱测试系统实物图如图7所示。具体测试原理为：当激光发射出的连续光波经介质镜、透镜照射于陀螺结构样品芯片时，样品芯片对光进行反射、吸收和透射，同时产生拉曼散射；散射光系统将散射光送入光谱仪，经过计算机软件处理后输出拉曼光谱；对拉曼光谱的数据进行分析后可得到陀螺结构样品芯片的应力大小。硅晶体的本征频率ω0=520 cm-1，微结构所用硅材料晶面不同时，拉曼频移因子取值不同，本文测试的MEMS陀螺结构使用的硅材料为晶向111的单晶硅，拉曼频移因子为-250，因此陀螺结构表面应力与拉曼频移之间的关系为

式(6)所得结果为“+”表示应力为张应力；结果为“-”表示应力为压应力，σ单位为 MPa[12-13]。

图7 拉曼散射光谱系统

使用中北大学的拉曼散射光谱系统对1#陀螺结构样品进行应力测试，其中拉曼光谱仪为inVia Raman Microscope。首先在陀螺结构的支撑梁上选取6个测试点，如图8所示，其中点1、6为陀螺结构支撑梁与振环的交点处；点2、5为“S”形弹性梁的弯曲处；点3、4为陀螺结构支撑梁与中心锚点的交点处。陀螺结构样品芯片的应力与拉曼频移的关系为[13]

式中：ω0为硅晶体的本征频率；ω1为高过载试验前的拉曼频移；ω2为高过载试验后的拉曼频移；σG单位为MPa。

图8 拉曼光谱测试点

高过载试验前后，分别对所选试验点做拉曼光谱测试，并根据式(7)求得相应应力大小，试验结果如图9所示。从图9可以看出，所选测试点的应力大小均小于硅材料的极限应力790 MPa，支撑梁与中心锚点交点处的应力大于“S”形弹性梁的弯曲处和支撑梁与振环交点处的应力。

图9 拉曼光谱测试结果图

3.3 驱动模态扫频测试

高过载试验前后，分别对2#、3#陀螺结构样品进行驱动模态的频率响应测试。搭建试验环境下扫频测试系统，如图10所示。测试设备主要包括ANALOG DEVICES、稳压电源(GPS-2303C)、示波器(Tektronix TDS2000C)。具体测试方法为：将真空封装的陀螺结构样品通过转接板与陀螺驱动板相连，驱动模态扫频信号输入端与ANALOG DEVICES的Waveform Generator 1相连，信号输出端分别与示波器和ANALOG DEVICES的Scope 1相连；将Waveform Generator 1设置为从1 Hz到100 kHz进行扫频的模式，观察Scope 1显示的频率响应，峰值所在的频率点即为陀螺结构驱动模态的固有频率。高过载试验前后对陀螺结构样品的扫频测试结果如表1所示：2#、3#陀螺结构在高过载试验前后，驱动模态变化量分别为0.020%和0.048%。

图10 陀螺扫频测试系统实物图

表1 陀螺扫频测试结果编号过载试验前频率/Hz过载试验后频率/Hz变化量/%2#5 0575 #8 2968 3000.048

文章来源：《测试技术学报》 网址: http://www.csjsxbzz.cn/qikandaodu/2021/0629/1122.html