面向工程振動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)需求的MEMS加速度計(jì)及其應(yīng)用

高昕星，胡明祎，蘭日清，劉慶賓，趙安中

(1.國(guó)機(jī)集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100050；2.國(guó)機(jī)集團(tuán)工程振動(dòng)控制技術(shù)研究中心，北京 100020)

0 引言

隨著我國(guó)重大建設(shè)項(xiàng)目的日益增多，核電設(shè)施、大型橋梁、大科學(xué)裝置等重要建筑工程對(duì)其所處的環(huán)境的振動(dòng)控制要求愈發(fā)苛刻，對(duì)工程振動(dòng)的監(jiān)測(cè)需求也日益強(qiáng)烈。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)通常借助振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)，其中加速度計(jì)是代表性器件，其測(cè)量原理是通過(guò)測(cè)量質(zhì)量塊在非慣性參照系中慣性力所引發(fā)的某一物理量的變化，逆推該非慣性參照系的相對(duì)加速度，用以描述振動(dòng)的強(qiáng)烈程度。進(jìn)入信息時(shí)代以來(lái)，隨著微電子技術(shù)的誕生和發(fā)展，幾乎所有的傳感器都向小而精的方向快速演化，加速度計(jì)的空間尺寸越來(lái)越小，其測(cè)量精度越來(lái)越高；而且得益于片上系統(tǒng)(system on a chip，SOC)的推動(dòng)，加速度計(jì)與其外圍電路得到了芯片級(jí)的整體封裝，集成度進(jìn)一步提高，同時(shí)功耗和成本大幅降低，高度契合了需要使用極多振動(dòng)傳感器的環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求。

1 MEMS加速度計(jì)

MEMS(micro electro mechanical system)是微機(jī)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，是指通過(guò)光刻、腐蝕、硅微加工、超精密制造和LIGA(lithographie galvanoformung abformung，同步輻射光刻、電鑄和注塑)等技術(shù)在硅片上搭建的尺寸為幾mm甚至更小的微型裝置。這些微型裝置內(nèi)部可活動(dòng)部件尺度極小，但其性能指標(biāo)與宏觀裝置基本一致，兼具優(yōu)良的電氣性能。借助MEMS技術(shù)構(gòu)建微型梁、微彈簧、活動(dòng)質(zhì)量塊、梳齒結(jié)構(gòu)和微溝道，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電壓、電阻和電容量的變化，并由外圍模擬電路放大和輸出。依據(jù)不同的換能類型，MEMS加速度計(jì)有著不同的微結(jié)構(gòu)與測(cè)量特性，并通?？煞譃閴弘娛?、電容式、壓阻式和熱對(duì)流式等類型。目前在工程振動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，應(yīng)用廣泛的是壓電式和電容式2種類型。

1.1 壓電式MEMS加速度計(jì)

壓電材料具備將機(jī)械形變轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號(hào)的分子特性，使用壓電材料作為傳感材料的加速度計(jì)可直接實(shí)現(xiàn)從振動(dòng)結(jié)構(gòu)應(yīng)變到輸出電壓之間的換能。大多數(shù)壓電材料由金屬或半導(dǎo)體的氮化物及氧化物制成，此類材料在結(jié)晶與沉積過(guò)程中通常涉及200～800 ℃的高溫，且其壓電性能高度依賴于沉積層的厚度與形態(tài)，因此制備過(guò)程中需嚴(yán)格控制這些材料的晶核生長(zhǎng)和結(jié)晶過(guò)程[1-3]，在過(guò)去，在微結(jié)構(gòu)上制備指定形狀的薄膜壓電材料十分困難，但近些年來(lái)材料科學(xué)在開(kāi)發(fā)低成本、高質(zhì)量壓電材料沉積方向上進(jìn)展迅速，以氧化鋅(ZnO)、鐵電鋯鈦酸鉛(PZT)和氮化鋁(AIN)為代表性的薄膜壓電材料的沉積技術(shù)相繼問(wèn)世，三者的等離子體圖形化工藝[4-6]滿足了MEMS微制造技術(shù)的需求，壓電式MEMS加速度計(jì)得以出現(xiàn)和發(fā)展。

壓電式MEMS加速度計(jì)的主要測(cè)量結(jié)構(gòu)通過(guò)在單晶硅晶圓表面以微加工的方式制造，其制造過(guò)程如圖1所示[7]：對(duì)襯底硅片進(jìn)行熱氧化處理(圖1(b))，以生成絕緣襯底；在此襯底上沉積一層導(dǎo)電薄膜(圖1(c))，作為底部電極；在底部電極的表面沉積一層壓電材料(圖1(d))，用作換能元件；在壓電陶瓷的表面沉積導(dǎo)電薄膜(圖1(e))，充當(dāng)頂部電極；借助等離子體掩?；蚬饪碳夹g(shù)實(shí)現(xiàn)圖案化腐蝕(圖1(f))，形成臂式結(jié)構(gòu)；通過(guò)基底刻蝕方法(圖1(g))或各向異性腐蝕方法(圖1(h))將臂式結(jié)構(gòu)底部的硅晶圓基底除去，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。

圖1 壓電式MEMS加速度計(jì)懸臂梁的制作流程

在振動(dòng)環(huán)境下，懸臂梁結(jié)構(gòu)在慣性力的作用下產(chǎn)生彎曲形變，該形變使得懸臂梁中的壓電材料夾層的上下表面出現(xiàn)應(yīng)力差，進(jìn)而導(dǎo)致上下表面出現(xiàn)電勢(shì)差，被頂部和底部電極采集并傳遞至外圍電路，進(jìn)行放大并完成測(cè)量。

懸臂梁作為早期的測(cè)量結(jié)構(gòu)，在理論推導(dǎo)和驗(yàn)證計(jì)算上有優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中，其存在靈敏度不足的缺陷。因此，P.L.Chen(1984年)[8]在ZnO薄膜復(fù)合懸臂梁的末端增加了質(zhì)量為2.8 mg的硅質(zhì)量塊，將振動(dòng)引起的彎曲形變放大，其靈敏度為0.05 mV/g(見(jiàn)圖2(a))。此后，D.L.Devoe(2001年)[9]在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過(guò)構(gòu)建四懸臂梁結(jié)構(gòu)，將靈敏度提高為44.7 mV/g(見(jiàn)圖2(b))，并指出減少ZnO壓電薄膜的厚度不僅能夠提升質(zhì)量塊-懸臂梁類結(jié)構(gòu)測(cè)量靈敏度，而且能夠大幅改善其低頻測(cè)量特性。后期隨著壓電薄膜制備技術(shù)的進(jìn)步，ZnO層的厚度也在不斷降低，Q.Zou(2008年)[10]將ZnO薄膜的厚度減少到0.3 μm，共振頻率僅為100 Hz，幾乎達(dá)到當(dāng)時(shí)工藝的極限。在制造工藝上遭遇瓶頸之后，技術(shù)的進(jìn)步寄希望于新材料的突破，由于PZT薄膜的機(jī)電耦合系數(shù)和壓電常數(shù)比ZnO高1個(gè)數(shù)量級(jí)，L.P.Wang(2002年)[11-12]基于PZT薄膜建立了一種環(huán)形結(jié)構(gòu)，靈敏度達(dá)到7.6 pC/g(見(jiàn)圖2(c))，與ZnO薄膜的技術(shù)演進(jìn)路線類似，H.G.Yu(2003年)[13-14]等分別將PZT薄膜的厚度降低為0.6 μm、0.5 μm，進(jìn)一步提高了低頻響應(yīng)特性。此后，由于歐盟與日本相繼出臺(tái)貿(mào)易法規(guī)，逐步禁止電子器材中鉛的使用，限制了PZT壓電薄膜的應(yīng)用前景，而具備優(yōu)良CMOS相容性的AIN(氮化鋁)材料逐漸受到重視。R.H.Olsson(2009年)[15]構(gòu)建了基于共振音叉式結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2(d))，內(nèi)部AIN薄膜厚約1 μm，其靈敏度達(dá)到3.4 Hz/g，該音叉結(jié)構(gòu)始終處于頻率為835.3 kHz的共振狀態(tài)之下，當(dāng)外部振動(dòng)加載時(shí)，該音叉結(jié)構(gòu)的輸出頻譜會(huì)出現(xiàn)新的2個(gè)尖峰(對(duì)稱分布于共振峰兩側(cè))，尖峰與共振峰之間的頻域?qū)挾日扔陟`敏度，由于采用預(yù)調(diào)制的動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)，該結(jié)構(gòu)有著較強(qiáng)的抗噪能力。Y.Wang(2016年)[16]改進(jìn)并優(yōu)化了該類結(jié)構(gòu)，提出了一種中心對(duì)稱式的雙端音叉諧振結(jié)構(gòu)，并且引入了兩級(jí)微杠桿的機(jī)制，將測(cè)量靈敏度提高到28.4 Hz/g，所使用的AIN薄膜層厚度僅為0.5 μm。AIN懸臂梁結(jié)構(gòu)的最新進(jìn)展參見(jiàn)Z.H.Chen(2020年)[17]的研究文章，其測(cè)量靈敏度達(dá)到1.49 mV/g，對(duì)應(yīng)共振頻率7.2 kHz，AIN薄膜厚度1 μm。上述壓電式MEMS加速度計(jì)的特征參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 壓電式加速度計(jì)的測(cè)量結(jié)構(gòu)演化過(guò)程

表1 壓電式MEMS加速度計(jì)的特征參數(shù)

在新型壓電材料與其薄膜制備技術(shù)不斷取得進(jìn)展的同時(shí)，壓電材料的介電損耗和環(huán)境熱噪聲對(duì)測(cè)量靈敏度所造成的誤差影響也越來(lái)越顯著，使得懸臂梁式結(jié)構(gòu)的測(cè)量靈敏度存在一個(gè)相對(duì)極限。S.Tadigadapa(2009年)對(duì)此相對(duì)極限進(jìn)行了解析計(jì)算，在他所提出的5個(gè)假設(shè)基礎(chǔ)上，結(jié)合F.A.Levinzon[18](2006年)的薄膜熱噪聲理論與P.Muralt[19](2005年)等制備出的最薄壓電薄膜(厚0.2 μm)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，給出了此相對(duì)極限的解析式，并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，其結(jié)論表明，隨著懸臂梁長(zhǎng)度的縮短，最大量程與共振頻率增加，但相應(yīng)的分辨力變差，難以感知微弱振動(dòng)；增加懸臂梁長(zhǎng)度固然可以增強(qiáng)對(duì)微弱振動(dòng)的感知能力，但最大量程與共振頻率(測(cè)量帶寬)同樣減小，產(chǎn)生測(cè)量矛盾。

除了上述測(cè)量矛盾之外，盡管介電材料在理論上能夠因靜力產(chǎn)生穩(wěn)定電勢(shì)差，但實(shí)際中因內(nèi)損耗機(jī)制使得壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷不斷泄漏，最終導(dǎo)致電勢(shì)失穩(wěn)[20]，此缺點(diǎn)使得壓電類加速度計(jì)在測(cè)量低頻振動(dòng)上表現(xiàn)不佳。因此，現(xiàn)有的產(chǎn)品級(jí)MEMS壓電類加速度計(jì)往往放棄低頻(1 Hz以下)的振動(dòng)測(cè)量，以維持中高頻上的寬頻帶和高靈敏度特性，對(duì)于來(lái)自低頻的微弱振動(dòng)，MEMS加速度計(jì)則以電容式的換能結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

1.2 電容式MEMS加速度計(jì)

2塊平行電極板之間存在電容，電容量的大小與平行板之間的距離和正對(duì)面積等參量相關(guān)，將其中一塊電極板固定，另一塊電極板安裝在彈簧-阻尼體系中的質(zhì)量塊上，外界振動(dòng)將使電極板之間的距離或正對(duì)面積發(fā)生改變，借助外圍電路即可測(cè)算電容變化量的大小，進(jìn)一步處理為振動(dòng)方向與能量等信息。

基于控制變量的測(cè)量原則，單一方向上的測(cè)量結(jié)構(gòu)往往希望僅檢測(cè)單一結(jié)構(gòu)量的變化。根據(jù)檢測(cè)結(jié)構(gòu)量的不同，電容類MEMS加速度計(jì)可分為監(jiān)測(cè)電極板間距的可變間隙式(圖3(a))以及檢測(cè)電極板正對(duì)面積的可變面積式(圖3(b))兩大類[21]，可變間隙式結(jié)構(gòu)的阻尼由空氣壓模阻尼提供，而可變面積式由空氣滑膜阻尼提供，不同的阻尼形式對(duì)應(yīng)不同的測(cè)量特性。通常來(lái)說(shuō)，壓模阻尼遠(yuǎn)大于滑膜阻尼，使得可變間隙式結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)的衰減顯著，平復(fù)時(shí)間更短，但卻容易受到雙極板內(nèi)殘余靜電力的影響，極板位置變化之后難以做到精確復(fù)位，遲滯較大。為了克服此類缺點(diǎn)，雙電路板結(jié)構(gòu)被擴(kuò)充為三板式結(jié)構(gòu)，即移動(dòng)電極板被放置于兩塊固定電極板的中間，對(duì)稱結(jié)構(gòu)使得移動(dòng)電極板在中心位置達(dá)到靜電力平衡，解決了精確復(fù)位的問(wèn)題(見(jiàn)圖3(c)、(d))。

圖3 電容式MEMS加速度計(jì)測(cè)量結(jié)構(gòu)

由于微振動(dòng)所引起的質(zhì)量塊相對(duì)位移極小，導(dǎo)致單個(gè)三板式結(jié)構(gòu)的電容變化量難以被檢測(cè)到。借助MEMS技術(shù)微制造能力，在單一芯片內(nèi)建造數(shù)量極多的并聯(lián)三板式電容器，且其移動(dòng)電極板全部與同一個(gè)質(zhì)量塊相連，形成“手指”或“梳齒”類結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4(a)、圖4(b))，微電容器數(shù)量的增加使得微振動(dòng)所誘發(fā)的變化電容增加，提升了電容式MEMS加速度計(jì)在測(cè)量低頻、微弱振動(dòng)上的測(cè)量能力。隨著MEMS制造能力的不斷提升，單位面積內(nèi)集成的三板式電容器數(shù)量不斷增多，電容式MEMS加速度計(jì)對(duì)微弱振動(dòng)的感知能力也在不斷增強(qiáng)。極多微電容的集成數(shù)量所帶來(lái)的另一優(yōu)勢(shì)在于，通過(guò)在1個(gè)正方形質(zhì)量塊的4條邊集成微電容，可以同時(shí)測(cè)量來(lái)自XYZ3個(gè)方向上的微振動(dòng)，這對(duì)汽車(chē)行業(yè)以及智能手機(jī)重要，對(duì)于工程振動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域而言，構(gòu)建分布式無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)必須使用數(shù)量眾多的無(wú)線傳感器，其中相當(dāng)一部分被安裝在不能提供穩(wěn)定供電的位置而不得不采用電池供電，此時(shí)功耗控制的重要性得以凸顯，即使用單塊MEMS芯片同時(shí)測(cè)量3個(gè)方向振動(dòng)的功耗顯然比使用3塊MEMS芯片分別測(cè)量3個(gè)方向的總功耗小得多。因此從提升測(cè)量能力和降低功耗的角度，電容式MEMS加速度計(jì)的高集成度都是意義重大的(圖4(c)、圖4(d))。

圖4 電容式MEMS加速度計(jì)的微測(cè)量結(jié)構(gòu)

M.A.Lemkin(1997年)[22]構(gòu)建了一套大小為4 mm×4 mm，厚度僅為2.3 mm的三軸電容式MEMS加速度計(jì)，除了在大小為500 μm×500 μm的質(zhì)量塊四周布設(shè)指形電容測(cè)量平面加速度以外，同樣在底部設(shè)置了一層電極板用于測(cè)量Z軸的振動(dòng)，其靈敏度達(dá)到0.24 fF/g(Z軸為0.82 fF/g)，由于其質(zhì)量塊過(guò)輕，軸間耦合噪聲和環(huán)境噪聲較大。因此，G.Li(2001年)[23]基于體微機(jī)械加工技術(shù)(bulk-micromachined)，研制了一套高度對(duì)稱的四梁結(jié)構(gòu)，盡管結(jié)構(gòu)中沒(méi)有加手指形結(jié)構(gòu)，僅通過(guò)3個(gè)三板式電容的方式實(shí)現(xiàn)測(cè)量，但通過(guò)增重質(zhì)量塊的方式將靈敏度提升了近30倍。H.Qu(2004年，2008年)[24-25]重點(diǎn)研究了成型過(guò)程中的鉆蝕現(xiàn)象與噪聲之間的關(guān)系，并指出了成型過(guò)程中溫度過(guò)熱是導(dǎo)致鉆蝕噪聲的關(guān)鍵要素，改進(jìn)了深反應(yīng)離子蝕刻(DIRE)的后處理流程，將熱噪聲降低至12 μg/Hz1/2，同時(shí)維持520 mV/g的高靈敏度。之后，電容式MEMS加速度計(jì)開(kāi)始走向商業(yè)化，2009年，ADI(analog device industrial)[26]公司推出了三軸電容式加速度計(jì)產(chǎn)品，大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)迅速降低了成本，使得加速度計(jì)在消費(fèi)級(jí)電子產(chǎn)品(如智能手機(jī)和四軸飛行器)上得到廣泛應(yīng)用。Y.W.Hsu(2010年)[27]基于硅-玻璃鍵合的體硅加工技術(shù)，在單個(gè)芯片內(nèi)構(gòu)建了3個(gè)彈簧質(zhì)量塊系統(tǒng)，將靈敏度提高到1.44 V/g?？s小加速度計(jì)的外形尺寸可以在一塊晶圓上制造更多的MEMS芯片，有助于進(jìn)一步降低成本，C.M.Sun(2010年)[28]將封裝后的MEMS加速度計(jì)芯片縮小到1.78 mm×1.78 mm，緊湊的芯片結(jié)構(gòu)使單位面積晶圓上的芯片數(shù)量增加了4倍，進(jìn)一步降低制造成本并提高了產(chǎn)能，但它存在靈敏度較低、噪聲過(guò)高的問(wèn)題。后續(xù)的研究重點(diǎn)是降低測(cè)量噪聲，提升測(cè)量線性度。M.H.Tsai(2012年)[29-30]等在此方面做出了貢獻(xiàn)，最終，D.E.Serrano(2014年)[31]將封裝腔體內(nèi)部抽為真空，研制的加速度計(jì)噪聲僅為13 μg/Hz1/2、非線性度0.5%，所使用的單質(zhì)量塊大小僅為0.45 mm×0.45 mm×0.04mm，封裝后的芯片高度集成且緊湊。電容式MEMS加速度計(jì)的特征參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 電容式加速度計(jì)的特征參數(shù)總結(jié)

總體而言，電容式MEMS加速度計(jì)具有較好的低頻響應(yīng)特性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)極低頻微弱振動(dòng)的測(cè)量，但這種測(cè)量能力是通過(guò)微制造并集成大量微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，其技術(shù)門(mén)檻較高，只有少數(shù)幾家半導(dǎo)體公司(如Bosch博世、ST意法半導(dǎo)體、ADI亞諾德和FS飛思卡爾等)才能掌握，國(guó)內(nèi)在此方面進(jìn)展較緩慢。

2 MEMS加速度計(jì)在工程振動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

工程振動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)是一類實(shí)時(shí)、連續(xù)的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用。根據(jù)測(cè)量對(duì)象的不同，可劃分為面向機(jī)械裝備的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)(machine condition monitoring，MCM)[32-33]和面向建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(structural health monitoring，SHM)[34]兩大類。MCM系統(tǒng)的主要功能在于保障機(jī)械裝備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)實(shí)時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)機(jī)械裝備的當(dāng)前工作狀態(tài)，并以長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)作為依據(jù)，給出預(yù)防性的維護(hù)建議。SHM系統(tǒng)借助預(yù)安裝在建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置上的加速度計(jì)，以行人、風(fēng)和車(chē)輛作為激擾源，測(cè)量結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，進(jìn)一步確定結(jié)構(gòu)模態(tài)。由于模態(tài)響應(yīng)是結(jié)構(gòu)自身的固有特性，僅當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)才會(huì)改變，故SHM系統(tǒng)可以通過(guò)監(jiān)測(cè)橋梁和建筑的模態(tài)數(shù)據(jù)判斷其結(jié)構(gòu)完整性，提供損害評(píng)估的功能，此功能對(duì)于相當(dāng)一部分處在超期服役、使用風(fēng)險(xiǎn)逐年增加的建筑和橋梁而言，是十分迫切與重要的。

由于機(jī)械裝備的振動(dòng)頻率集中于10 Hz～5 kHz，加速度范圍為1～100g，振動(dòng)較強(qiáng)烈易于測(cè)量，且裝備的空間尺寸相對(duì)緊湊，MCM系統(tǒng)無(wú)需進(jìn)行空間大尺度的分布式架設(shè)，往往使用少量壓電式加速度計(jì)，通過(guò)信號(hào)傳輸線與多通道信號(hào)采集卡相連，單臺(tái)PC機(jī)計(jì)算即可滿足數(shù)據(jù)分析和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警需求。建筑或橋梁等結(jié)構(gòu)振動(dòng)的振動(dòng)頻率較低、振動(dòng)加速度較小，難以被測(cè)量感知，且橋梁結(jié)構(gòu)跨度較大，通常可達(dá)數(shù)百m，對(duì)SHM系統(tǒng)在大跨結(jié)構(gòu)應(yīng)用場(chǎng)景下的低頻微弱振動(dòng)測(cè)量能力提出了一定的要求。現(xiàn)有的SHM系統(tǒng)方案中，通常采用高靈敏度的電容式MEMS傳感器，與存儲(chǔ)模塊、處理器模塊、無(wú)線傳輸模塊和供電模塊一并被封裝構(gòu)成測(cè)量傳感終端，大量測(cè)量傳感終端基于多種通訊協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞绞?通常有星形、鏈型和樹(shù)形，見(jiàn)圖5)構(gòu)成振動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)，將振動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心，在數(shù)據(jù)中心處完成分析和診斷。

除此之外，由于監(jiān)測(cè)對(duì)象在空間尺度上的顯著增大，所需要的傳感器數(shù)量以及網(wǎng)絡(luò)通道的信息流密度快速增長(zhǎng)，對(duì)傳感器的功耗與授時(shí)校準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)承載力和數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理能力均提出了一定的要求。綜合而言，由于SHM監(jiān)測(cè)對(duì)象的一系列特殊性，其實(shí)現(xiàn)難度較高，但鑒于它可以提供極為重要的建筑、橋梁與隧道的實(shí)時(shí)振動(dòng)和結(jié)構(gòu)診斷信息，因此各國(guó)學(xué)者依然對(duì)其進(jìn)行了大量的研究與實(shí)踐。

M.J.Whelan(2008年)構(gòu)建了基于16位微處理器和無(wú)線通訊的測(cè)量傳感終端[35]，測(cè)量芯片使用LISL02AL電容式加速度計(jì)，該芯片在100 Hz帶寬內(nèi)有2.63×10-3m/s2的測(cè)量精度，測(cè)量終端整體功耗僅為185.7 mW，使用3節(jié)AA干電池供電。最終SHM系統(tǒng)集成了20個(gè)測(cè)量終端，在紐約St.Lawrence的單跨17 m的鋼混結(jié)構(gòu)橋[36]以及紐約56號(hào)公路Raquette橋[37]上分別進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試(見(jiàn)圖6(a))。在這些測(cè)試中，測(cè)量終端的測(cè)量帶寬為0～60 Hz，數(shù)據(jù)顯示該系統(tǒng)探測(cè)到的最微弱振動(dòng)為19.61×10-3m/s2，在2.82 h內(nèi)實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)測(cè)量，且測(cè)出了橋體的一階模態(tài)(RT345橋及Raquette橋的一階模態(tài)頻率分別為9.5 Hz與8.07 Hz)。

S.N.Pakzad(2008年)[38]在同一個(gè)測(cè)量終端上就集成了2個(gè)SD-1221單軸加速度計(jì)和1個(gè)ADXL202型雙軸加速度計(jì)，實(shí)現(xiàn)了由交通或風(fēng)荷載誘發(fā)的低頻微幅振動(dòng)的測(cè)量，并最終用于金門(mén)大橋的結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，見(jiàn)圖6(b)，數(shù)據(jù)顯示測(cè)到的微振動(dòng)響應(yīng)平均值為0.31×10-3m/s2，頻率低至0.11 Hz，電池的續(xù)航能力超過(guò)2個(gè)月，且整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作了超過(guò)4個(gè)月，是SHM實(shí)際應(yīng)用。

J.A.Rice(2009年)[39]采用LIS3L02AS4型加速度計(jì)，最小測(cè)量能力達(dá)到0.14×10-3m/s2，其特點(diǎn)在于可根據(jù)用戶的需求自行調(diào)整傳感終端的采樣率，高采樣率下可以獲得更寬的測(cè)量帶寬，但功耗將會(huì)增加到700 mW，低采樣率有助于降低功耗，同時(shí)測(cè)量帶寬同樣會(huì)受到限制。該系統(tǒng)首先在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行了性能測(cè)試，隨后在溫哥華的Stawamus Chief Pedestrian大橋上進(jìn)行了單次60 s、共60次的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試(見(jiàn)圖6(c))，測(cè)試結(jié)果表明大橋在強(qiáng)風(fēng)沖擊下的振幅沒(méi)有超過(guò)允許標(biāo)準(zhǔn)，且其一階共振頻率為2.45 Hz[40]。

H.Jo(2010年)通過(guò)更新高精度加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)了在15～400 Hz頻段內(nèi)分辨率為0.24×10-3m/s2的微振動(dòng)測(cè)量，同樣，整個(gè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室的振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行桁架地板振動(dòng)評(píng)估實(shí)驗(yàn)[41]，擴(kuò)充為70個(gè)測(cè)量終端在韓國(guó)Jindo大橋上進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)[42-44](見(jiàn)圖6(d))，由于采用了加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，該SHM系統(tǒng)具備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的能力，整個(gè)測(cè)試過(guò)程長(zhǎng)達(dá)1 a，未報(bào)告故障。

J.H.Park(2010年)[45]采用SD-1221加速度計(jì)，構(gòu)建了基于XBee通訊協(xié)議的無(wú)線測(cè)量終端，戶外傳輸距離達(dá)100 m，傳輸帶寬為250 kb/s，在0.1～250 Hz頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了分辨精度達(dá)到10×10-3m/s2的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證其測(cè)量結(jié)果與PZT壓電加速度計(jì)(非MEMS)基本一致，并使用7個(gè)終端在一段長(zhǎng)6 m的鋼混結(jié)構(gòu)縮尺橋梁模型上進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)(見(jiàn)圖6(e))，該系統(tǒng)準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)了結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋束的斷裂情況，但對(duì)主梁斷裂的預(yù)報(bào)準(zhǔn)度不佳，除此之外，考慮到整體終端功率超過(guò)500 mW，其長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)能力在部分無(wú)穩(wěn)定供電的區(qū)域?qū)?huì)受到限制。

在對(duì)SHM信息獲取渠道擴(kuò)充方向上，M.J.Chae(2012年)[46]開(kāi)發(fā)了基于ZigBee傳輸協(xié)議的多類型傳感器SHM系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了加速度計(jì)、應(yīng)變計(jì)、測(cè)溫計(jì)和風(fēng)速計(jì)在內(nèi)的多類傳感器，并使用太陽(yáng)能電池板供能，整體測(cè)量精度為2.79×10-3m/s2，測(cè)量頻寬為300 Hz，最終在韓國(guó)Yongjong大橋上進(jìn)行了為期3個(gè)月的檢測(cè)(見(jiàn)圖6(f))，使用的傳感節(jié)點(diǎn)超過(guò)45個(gè)，檢測(cè)的振動(dòng)平均值為192×10-3m/s2，最低頻率3 Hz。

在國(guó)內(nèi)，X.Hu(2013年)[47]使用了SD-1221L型加速度計(jì)和MSP430F1611型微控制器構(gòu)建了無(wú)線振動(dòng)測(cè)量終端，測(cè)量帶寬為50 Hz，分辨率為0.44×10-3m/s2，傳感終端設(shè)計(jì)了一套二級(jí)放大裝置來(lái)保證對(duì)微弱信號(hào)的采集能力，最終在武漢市內(nèi)鄭店高速公路橋上進(jìn)行了時(shí)長(zhǎng)為250 s的連續(xù)采樣測(cè)試(見(jiàn)圖6(g))，采集到的最小振動(dòng)為19.61×10-3m/s2，并進(jìn)一步確定了該橋的共振頻率。吳遠(yuǎn)光[48](2017年)設(shè)計(jì)了基于ADXL202型MEMS加速度計(jì)的無(wú)線振動(dòng)測(cè)量節(jié)點(diǎn)，并在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

A.Sabato(2015年)基于1600SN型寬頻低噪聲加速度計(jì)，開(kāi)發(fā)了分辨率為0.14×10-3m/s2、帶寬達(dá)1 500 Hz的無(wú)線監(jiān)測(cè)終端，通過(guò)特有的V/F轉(zhuǎn)換模塊，將傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為FM調(diào)頻波，該類調(diào)制方式顯著地提高了傳輸系統(tǒng)的魯棒性。并將其安裝在日本的Streicker預(yù)應(yīng)力混凝土拱橋上(見(jiàn)圖6(h))，用于監(jiān)測(cè)橋體的振動(dòng)，測(cè)出了橋體的共振頻率(3.07 Hz)[49-50]。

D.K.Monica(2015年)[51]構(gòu)建了名為ShakeNet的SHM系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)十個(gè)無(wú)線振動(dòng)測(cè)量傳感終端組成，單個(gè)測(cè)量終端使用3個(gè)Si-Flex1500型單軸加速度計(jì)，加速度計(jì)在1 500 Hz帶寬內(nèi)有0.14×10-3m/s2的分辨率，同時(shí)信號(hào)噪聲不高于0.003×10-3m/(s2·Hz0.5)，單個(gè)測(cè)量終端的整體功耗高達(dá)750 mW。ShakeNet的測(cè)量終端在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)與有線加速度計(jì)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，在振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)處于0.1～90 Hz頻段內(nèi)時(shí)，測(cè)量結(jié)果相差小于10%，ShakeNet在加州理工學(xué)院的Millikan圖書(shū)館和加州San Pedro的Vincent Thomas橋上進(jìn)行了持續(xù)30 min的測(cè)試(見(jiàn)圖6(i))，測(cè)試結(jié)果與建筑內(nèi)預(yù)裝的高精度有線加速度計(jì)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，相差小于20%?；贛EMS加速度計(jì)的無(wú)線傳感終端參數(shù)應(yīng)用見(jiàn)表3。

表3 使用MEMS加速度計(jì)的無(wú)線傳感終端參數(shù)及應(yīng)用

圖6 SHM測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)及無(wú)線傳感終端

在MEMS加速度計(jì)的輔助下，SHM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，并在此過(guò)程中采集并記錄了海量的振動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)，但如何將數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)損害建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，形成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的健康損害評(píng)價(jià)體系，一直以來(lái)是學(xué)界重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域難題。近年來(lái)隨著多層非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(深度學(xué)習(xí))等算法的發(fā)展，為挖掘振動(dòng)大數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)破壞之間的內(nèi)在規(guī)律提供了新的方法，越來(lái)越多的土木與結(jié)構(gòu)工程師開(kāi)始進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。

人工智能(artifcial intelligence，AI)作為計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)分支，早在20世紀(jì)50年代就已經(jīng)被用于機(jī)器人控制、模式識(shí)別和數(shù)據(jù)挖掘方面，早期的人工智能是建立在蒙特卡洛樹(shù)下的監(jiān)督學(xué)習(xí)，依靠計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大算力采用窮舉等算法給出最優(yōu)解，并于1997年由IBM的超級(jí)計(jì)算機(jī)“深藍(lán)”成功擊敗國(guó)際象棋世界冠軍卡斯帕羅夫。對(duì)于選擇樹(shù)分支更多、數(shù)據(jù)量更大、窮舉算法不能應(yīng)對(duì)的程序，科學(xué)界開(kāi)發(fā)了可以讓計(jì)算機(jī)自主學(xué)習(xí)不斷進(jìn)化的算法，包括機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)等，并于2016年與2017年由谷歌的Alpha GO分別擊敗圍棋世界冠軍李世石與柯潔，這一突破讓科學(xué)界認(rèn)識(shí)到了AI所蘊(yùn)含的潛力，并積極地將AI引入到SHM系統(tǒng)中來(lái)。

多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為較容易實(shí)現(xiàn)的模型預(yù)測(cè)方法，在2007年被Y.S.Li[52]引入到蘇通長(zhǎng)江大橋的施工監(jiān)測(cè)中，以纜索張拉變形參數(shù)和橋面變形參數(shù)為輸入，預(yù)測(cè)跟蹤施工中主梁的高度變化，M.Mehrjoo(2008年)對(duì)美國(guó)Kentucky Louisville大橋也有類似應(yīng)用[53]，其原理均是通過(guò)預(yù)置大量桁架結(jié)構(gòu)損傷樣本來(lái)生成多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的各層參數(shù)，以反向傳播(back propagation)進(jìn)行逐步優(yōu)化，不斷調(diào)整每層參數(shù)的權(quán)向量以逼近最優(yōu)估計(jì)模型參數(shù)，經(jīng)過(guò)足夠多的樣本和足夠長(zhǎng)的訓(xùn)練時(shí)間后，該模型即可實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷類型和位置的估計(jì)。

C.M.Chang(2018年)[54]等改進(jìn)了M.P.González(2008年)[55]的基于多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鋼框架結(jié)構(gòu)彎矩?fù)p傷識(shí)別算法，以建筑結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)變化量作為輸入，以結(jié)構(gòu)剛度的降低模式作為輸出，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)每一層結(jié)構(gòu)剛度損傷指數(shù)的預(yù)測(cè)，而且能夠定位該損傷的位置并評(píng)估損傷后結(jié)構(gòu)的剩余性能，最終在一個(gè)有多個(gè)受損柱的7層建筑和弱支撐的多層雙子塔上進(jìn)行了測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期的效果。

張旭[56](2020年)利用Allan方差和最小均方(LMS)自適應(yīng)濾波算法對(duì)加速度計(jì)的輸出進(jìn)行預(yù)處理，并將預(yù)處理后的測(cè)試數(shù)據(jù)用作訓(xùn)練樣本，利用最小二乘法和批量梯度下降法實(shí)現(xiàn)模型店參數(shù)優(yōu)化擬合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)MEMS加速度計(jì)的高精度標(biāo)定。

3 總結(jié)與展望

文中對(duì)工程振動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)所使用的MEMS加速度計(jì)的類型和結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了概述。使用MEMS技術(shù)所制造的加速度計(jì)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積微小、功耗極低和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)測(cè)量原理的不同，MEMS加速度計(jì)可分為壓電式與電容式等類型。通常而言，壓電式MEMS加速度計(jì)的測(cè)量帶寬較寬，但其低頻特性不佳；電容式MEMS加速度計(jì)測(cè)量帶寬較窄，但能夠測(cè)量極低頻振動(dòng)，同時(shí)通過(guò)大量制造并集成微測(cè)量結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱振動(dòng)的感知，從而被廣泛應(yīng)用于工程振動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。

根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同，工程振動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)可分為面向機(jī)械裝備的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和面向建筑、橋梁等工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)兩大類。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)借助壓電類加速度計(jì)持續(xù)測(cè)量裝備振動(dòng)情況，監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行平穩(wěn)性，在振動(dòng)超標(biāo)時(shí)給出預(yù)防性維護(hù)建議，并能夠在振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停機(jī)，避免重大安全事故的產(chǎn)生。對(duì)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)而言，由于建筑結(jié)構(gòu)在空間尺度上分布較廣，各國(guó)學(xué)者傾向于開(kāi)發(fā)使用無(wú)線傳輸?shù)恼駝?dòng)測(cè)量傳感終端，以多終端拓?fù)浣M網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)指定區(qū)域下的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算建筑或橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)信息，在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)比模態(tài)的變化量，評(píng)估可能存在的結(jié)構(gòu)損傷。

從現(xiàn)有的研究成果看，工程領(lǐng)域結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線振動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)相對(duì)成熟，有大量研究性或報(bào)告性的論文均構(gòu)建了基于不同MEMS加速度計(jì)芯片和通訊協(xié)議傳感網(wǎng)絡(luò)，且實(shí)現(xiàn)了對(duì)眾多橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)的模態(tài)測(cè)量。而目前的學(xué)科難點(diǎn)集中于如何建立監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(模態(tài)數(shù)據(jù))與結(jié)構(gòu)損傷之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，形成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的健康損害評(píng)價(jià)體系，為此，世界各國(guó)學(xué)者投入了大量精力，并完成了眾多結(jié)構(gòu)損傷估計(jì)的實(shí)驗(yàn)案例。但現(xiàn)實(shí)中情況更加復(fù)雜，僅通過(guò)單一的模態(tài)分析來(lái)反演結(jié)構(gòu)損傷困難較大，目前學(xué)界的研究熱點(diǎn)集中于在大量振動(dòng)數(shù)據(jù)中通過(guò)人工智能技術(shù)深度挖掘結(jié)構(gòu)損傷信息，建立振動(dòng)信息與結(jié)構(gòu)損傷之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終形成一整套的評(píng)價(jià)策略。

在上述背景下，振動(dòng)信息的豐度和廣度是進(jìn)行深度數(shù)據(jù)挖掘的先決基礎(chǔ)，對(duì)MEMS加速度計(jì)的信息采集能力提出了更高的要求。目前，MEMS加速度計(jì)在測(cè)量精度、低頻特性和采樣頻率上距離專業(yè)拾振器仍有一定差距，但其低成本、低功耗、高集成度和強(qiáng)嵌入式等特性在一定程度上彌補(bǔ)了差距，并在大空間、長(zhǎng)時(shí)間、極多點(diǎn)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用背景下存在一定的優(yōu)勢(shì)。在未來(lái)的發(fā)展中，MEMS加速度計(jì)若能在保持現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，不斷提升測(cè)量精度、強(qiáng)化電磁兼容性、智能調(diào)整采樣策略、增強(qiáng)魯棒性、提升使用壽命，并協(xié)助SHM系統(tǒng)在提升網(wǎng)絡(luò)承載能力、優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、制訂專用協(xié)議、云·霧計(jì)算相結(jié)合等方面取得突破。