ICS _31.200 L 55
GB
中华人民共和国国家标准
GB/T348982017
微机电系统（MEMS)技术 MEMS谐振敏感元件非线性
振动测试方法
Micro electromechanical system technologyTest method for the nonlinear vibration of the MEMS resonant sensitive element
2018-05-01实施
2017-11-01发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会 发布 GB/T 34898—2017
目 次
前言范围规范性引用文件
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3 术语和定义
敏感元件非线性振动测试特性参数测试方法及其选用原则
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5.1 光学测试法 5.2 电学测试法
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
敏感元件非线性跳跃振幅阅值测试方法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 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
X
9 GB/T 34898—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。
一 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
1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。
规范性引用文件
2
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文
件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单)适用于本文件
GB/T 2298 机械振动与冲击术语 GB/T 26111 微机电系统（MEMS)技术 术语 GB/T 26112 微机电系统（MEMS)技术 微机械量评定总则
3术语和定义
GB/T2298和GB/T26111界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
非线性振动 non-linear vibration 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-linear jump 当振动系统的振动幅度超过某一阅值时频率响应曲线的跳跃现象。
3.3
频率偏移 frequencydeviation 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
4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： a）非线性振动幅频响应A（），无量纲； b) 非线性振动相频响应P（），单位为孤度（rad)；
非线性振动幅频响应弯曲系数b，单位为孤度每秒二次方米（rad·s-1·m-2）； d) 非线性跳跃振幅阈值a。，单位为米（m）；
c)
1 GB/T 34898—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。1，无量纲； f) 间歇激励闭环系统频率偏移率E2，无量纲。
e)
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。 5.2F 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。
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 6.1.1 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
R
激光测振仪
V
显微光学装置
真空泵
真空腔
2
安装夹具
清茶
信号发生器
6
图1： 光学测试法测试系统原理框图
a) 激光测振仪； b) 显微光学装置； c) 信号发生器；
2 GB/T34898—2017
d) 真空腔； e) 安装夹具： f 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： a) 测试环境温度保持23℃土5℃，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； c) 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； e) 对于离面振动的敏感元件，夹具安装面与水平面的夹角二0°；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9，使激光测振仪获得较高的检测信号信噪比；
f) 真空泵和真空腔之间的连接采用柔性波纹管，真空泵与真空腔、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； g) 激光测振仪工作过程中真空泵应处于关闭状态。
6.1.3测试步骤
测试步骤如下： a)不 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
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；
b) 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
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
c)
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：
a) 锁相放大器； b) 信号发生器； c) 数据采集设备。
3 GB/T34898—2017
计算机
信号调理电路
信号发生器
谐振敏感元件
锁相放大器
数据采集设备
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入锁相放大器：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入锁相放大器。 6.2.3测试步骤
测试步骤为： a）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
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；
c) 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
7
测试方法为：
按第6章的要求和步骤测试敏感元件的非线性幅频响应，得到谐振频率@，和谐振峰值α：；
a） b） 将谐振频率@，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）：
b: wr w
·(1 )
a?
其中，敏感元件的固有频率，可依据元件的设计值进行确定。
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