将MEMS加速度计应用到振动测量

MEMS加速度计具有低成本、小体积、低功耗、便于集成等特点,是MEMS传感器中较为成熟、应用领域比较广泛的器件之一。

      将MEMS加速度计用于振动测量具有高精度、高灵敏、非侵入性等优势,在结构健康监测、工业振动监测、地震监测和医学等领域发挥着重要作用。

      在建筑物结构健康监测方面,楼房、桥梁等建筑物因为结构老化、载荷过高、恶劣天气等原因通常会产生100Hz以下的低频异常振动,通过测量和分析振动信号,可以获取有关振动频率、振动幅度和振动模式等重要信息,及时检测到结构的异常振动行为,预防潜在的结构破坏。

       因此,高精度、高灵敏度的结构健康监测对于预测设备、建筑的健康状况,检测异常振动,以及进行预防性维护等都非常关键。

近年来,许多研究人员对应用于振动测量的MEMS加速度计进行了研究。

      2019年,C.C.Tsai等人提出一种用于机械电机健康监测的压电式MEMS加速度计,可以通过振动频率确定电机转速并监测电机的健康状况,灵敏度为2.14~2.21mV/g。

      2019年,H.C.Zhang等人提出了一种为地震应用设计的电容式MEMS加速度计,加速度计可以在1Hz频率下实现21.3mV/g的灵敏度、0.03%的非线性误差和10μg/Hz的本底噪声,频率动态范围为0~158Hz,具有高灵敏度、低噪声的特点。

      2021年,G.D.Liu等人提出一种基于机器学习和3D打印技术的电容式加速度计,能够检测和监测人体运动,其灵敏度为75.2mV/g、非线性误差为4.06%,具有良好的动态响应而且成本低、加工时间短。

      2022年,Y.X.Zhai等人设计了一种SiC压阻式MEMS加速度计,振动实验表明在0~6g范围内,动态灵敏度为0.21mV/g、线性度为99.8%,可用于500℃以上的高温环境中。振动测量的应用环境通常较为恶劣,一般来说以上三类加速度计都存在处理电路复杂,易受温度、湿度影响等不足。

用于振动测量的电磁式MEMS加速度计。首先通过COMSOL软件进行结构设计及仿真分析,确定质量块、悬臂梁等部件尺寸及永磁体相关参数;其次通过MEMS光刻、深硅刻蚀和键合技术等关键加工工艺对加速度计整体结构及高密度平面电磁线圈进行加工,完成器件制备;最后通过振动台对加速度计进行振动测试,将输出电压信号通过电路进行滤波放大处理;得到加速度计谐振频率为66Hz,在0~3g加速度范围内,可实现对频率为63~69Hz正弦振动的测量,灵敏度最高为263mV/g,非线性误差为3.3%。该传感器在大型建筑物等低频结构振动测量方面应用前景广阔。