三维MEMS加速度计的性能测试方法与分析_徐夏

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技术创新
中文核心期刊《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2007年第23卷第2-2期
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微机电(MEMS)技术应用
三维MEMS加速度计的性能测试方法与分析
PropertyMeasurementandAnalysisofTriaxialMEMSAccelerometer
(中北大学电子测试技术国家重点实验室)徐
夏马游春翟成瑞熊继军
XUXIAMAYOUCHUNZHAICHENGRUIXIONGJIJUN
摘要:文章针对一种三维MEMS加速度计,提出了三维加速度计的测试方法,并根据测试结果对此加速度计进行了性能分
析。

通过对其设计原理和内部结构的描述,指出该型MEMS加速度计的结构优点及性能特点。

针对该加速度计,作者设计了测试装置,制作了测试电路,并在文章中详细描述了测试原理及整个测试过程。

分别在三个方向上,对此三维MEMS加速度计进行了多次对比测试,同时采集包括标准加速度计输出和MEMS加速度计三向输出在内的四路信号,以便进行冲击方向上两加速度计的横向对比和三向MEMS加速度计的轴间耦合分析。

测试结果表明,此测试方法和装置是可靠有效的,且具有一定的通用性可用于其它类似传感器的测试分析中。

关键词:MEMS;三维;加速度计;测试中图分类号:TP206+.1文献标识码:B
Abstract:ThearticleintroducesatestingmethodoftriaxialaccelerometerinallusiontoonekindoftriaxialMEMSaccelerometers,andperformanceanalysisisappliedaccordingtotheMEMSaccelerometertestresults.Thedesignprincipleanditsinternalstructureisintroducedbriefly,andtheadvantagesandperformanceparametersisgiventoo.Atestdeviceandthecorrespondingtestcircuitsaredesignedforthisaccelerometer.ComparingtestsoftheMEMSaccelerometerareappliedundermanytimes.TheoutputofstandardreferenceaccelerometerandthethreeaxialoutputsofMEMSaccelerometerarerecordedsynchronously,sothatthecomparebetweenthetwoaccelerometeroutputsinimpactingdirectionsandcouplinganalysisofthetriaxialMEMSaccelerometeramongthethreeaxescanbedone.Thetestresultindicatesthat,thismeasuremethodandthetestingequipmentarereliability,effectivityandversatility,canbeusedinothersimilarsensormeasuringexperiments.Keywords:MEMS,Triaxial,Accelerometer,Measurement
文章编号:1008-0570(2007)02-2-0208-03
1引言
20世纪80年代初,随着微电子技术、
半导体集成电路工艺的日臻完善,人们开始把Ic制造技术应用于精密机械制造,出现了微型机械、微型传感器、微型执行器等微机械制造技术。

把微型机械与其控制处理电路集成在一起,组成了微机电系统
MEMS(microelectronicmechanicalsystem).硅微加速度计正是应
用MEMS技术,在硅片上用特殊的加工方法制造成的、
体积非常小的测量加速度的传感器。

本文以中北大学设计的一种三维压阻式微机械加速度计为对象,介绍了三维加速度计的性能测试方法。

2三维MEMS加速度计的原理及结构
2.1压阻式加速度计原理
压阻式加速度计是利用单晶硅的压阻效应制成的,即单晶硅受到力时它的电阻率会发生变化。

在弹性范围内,硅的压阻效应是可逆的。

根据欧姆定律,导体或半导体材料的电阻R=ρL/A(1.1)其中ρ是电阻率,L是导体长度,A是导体或半导体的截面积。

微分后得
(1.2)
引用(1.3)则式(1.2)可以写成式
(1.4)
式中π是压阻系数;σ是应力;E是弹性模量;μ是泊松比;ε是应变;K=πE+1+2μ是灵敏系数。

因而其电阻的相对变化可以写为
ΔR/R=Δρ/ρ=πσ(1.5)
受力后力敏电阻的变化率ΔR/R等于电阻率变化率Δρ/ρ,而Δρ/ρ=πσ=πlσl+πtσt
(1.6)力敏电阻受力后ΔR/R的增减主要取决于应力的正负。

当加速度计受到加速度a时,质量块m会把加速度转化为惯性力F,F=ma,这个力使加速度计的硅悬臂梁发生形变,从而在梁上产生应力,应力变化再使力敏电阻的阻值发生变化,最后由惠斯通电桥输出电压的变化,就可实现对加速度的测量。

图1三维微机械加速度计的结构
徐夏:硕士研究生
基金项目:本课题受山西省自然科学基金(2006011037)资助
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2.2三维微机械加速度计的结构、
参数本实验采用三维微机械加速度计的结构设计是,中心是可活动的质量块,周围是八根梁支撑的结构。

如下图1所示。

这样的结构不仅可以保证加速度计具有较高的灵敏度,又可分别输出x,y,z三向的加速度,而且又有足够的强度。

图2内部电阻及输出端分布
其内部电阻及输出端A、B、C、D、E分布如图2示。

测各向加速度的输出电压分别为:
UOX=UC-UD;UOY=UE-UD;UOZ=UA-UB
此三维微机械加速度计的量程为1万g,采用体硅工艺制成。

右图3所示。

3测试装置及电路原理
此三维加速度计测试是把被测加速度计与标准对比加速度计一起固定在相同的冲击装置上,通过马歇特冲击试验进行的。

由于锤头的冲击幅度比较大,数据的测试存储装置是通过较长的导线与固定在冲击装置上的三维微机械加速度计、对比标准压电传感器连接的。

由于加速度计本身的输出比较小,再加上较长的信号传输导线也将会对信号的采集产生一定的影响。

因此,在对信号进行采集前需要通过差分放大电路对各方向的信号进行放大。

三向输出信号可采用相同的放大电路。

差分放大器选用ANALOG公司的AD623,图中VCC3.3V为供电电压,2.5V为参考电平REF的提供电压。

IN+,IN-分别对应所测的方向的两路差分输入信号,OUTPUT为输出信号。

其输入输出的关系有
(1.7)
图3三维微机械加速度计
式中RG为增益选择电阻,其大小RG=100kΩ/G-1(1.8)G为需要的增益放大倍数,本实验中RG=1K。

差分放大后三向加速度对应的输出电压,先经A/D变换后,再由中心控制单元(FPGA)对其进行采集,将三维输出信号数据写入FLASH存储器,原理框图如下所示,MAX117的另一路输入来自对比的压电传感器测得的冲击信号,此压电传感器
测量范围为10万g,本实验中,由于三维MEMS加速度计量程约为1万g,为保证测量精度,其配用量程选用2万g。

压电传感器的冲击信号经由一个电荷放大器后直接输入AD。

其中AD总的采样频率为400KHz,每一路为100KHz,由中心控制单元提供,每路信号数据采集量为2M。

采集完毕后,中心控制单元发出控制命令停止对AD数据的采集。

数据可由专用测试软件经中心控制单元回收至计算机中,绘出四路信号波形,以对其进行冲击方向上标准参考加速度计与目标加速度计间的横向对比和三向MEMS加速度计的轴间耦合分析。

图4差分放大电路
图5存储测试装置原理框图
4测试结果及分析
三维MEMS加速度计的测试是,在相同的测试条件下,与一个标准加速度计进行多次马歇特冲击对比实验进行的,其冲击强度约0~8000g。

对比实验中,所用的标准加速度计是西安近代化学研究所生产的高g值压电式加速度计其参数如下表1所示。

表1
在室温条件下,测得X,Y和Z三向输出特性如下图所示,其中X方向的灵敏度约为0.094mV/g。

Y方向的灵敏度约为
0.095mV/g。

由软件绘制的各向输出波形对比,如图9所示(以
测X向的一次冲击为例),从上到下依次为标准参考压电传感器输出信号,三维MEMS加速度计X向输出信号和Y、Z轴横向输出信号。

由输出特性,我们可以看出此三维MEMS加速度计X、Z向输出状况良好,而Y向输出虽然具有良好的线性度和灵敏度,但是其X轴的横向输出也较大。

造成这种现象的原因是可能是在Y向受到冲击时,X与Y向之间产生了不必要的
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轴间耦合,致使Y向输出信号的同时X向也较大的横向输出。

图6X方向输出特性
图7Y方向输出特性
图8Z方向输出特性
图9四路输出信号波形对比
5结论
通过对三维MEMS加速度计的测试与分析,证明这种传感
器在其量程范围内具有良好的线性度和灵敏度,但在作Y轴方向冲击时,X轴方向也会产生较大的横向输出。

因此,此加速度计的结构参数有待于进一步的优化,以消除这种现象。

测试结果表明,此测试方法和装置是可靠有效的,且具有一定的通用性可用于其它类似传感器的测试分析中。

文章创新点:本文针对三维MEMS加速度计的特殊性,提出了一种三维加速度计的测试方法,并制作了测试装置。

实现了包括标准参考加速度计输出和MEMS加速度计三向输出在内的四路信号的采集,此方法能够进行冲击方向上两加速度计的横向对比和三维MEMS加速度计的轴间耦合分析。

由测试结果可知此测试方法和装置是可靠有效的,且具有一定的通用性可用于其它类似传感器的测试分析中。

参考文献:
[1]孟立凡,郑宾.传感器原理及技术.兵器工业出版社2000年2月第一版.
[2]李旭雯复合硅微传感器的研究.华北工学院九九届硕士学位论文.
[3]ANANLOGDEVICES公司技术资料AD6232004.4.[4]西安近代化学研究所传感器技术资料型号9882005.10.
[6]牛清红,张春熹,宋凝芳.高精度加速度计串行数据读出系统研究[J].微计算机信息,2006,2-1:167.
作者简介:徐夏,男,河南周口,硕士研究生,研究方向:精密仪器及机械,E-mail:frank933@sohu.com;马游春,男,汉族,1978年1月出生,副教授,中北大学在读博士;研究方向:测试计量技术
及仪器。

Biography:XiaXu,DepartmentofElectronicScienceandTech-nology,CollegeofElectronicsandComputerScience,NorthUni-versityofChina,majorinprecisioninstrumentandmachinery.(030051太原中北大学电子测试技术国家重点实验室)徐夏
马游春翟成瑞熊继军
(NationalKeyLaboratoryForElectronicMeasurementTechnology,NorthUniversityofChina,Taiyuan,030051,P.R.China)XuXiaMaYouchunZhaiChengruiXiongJijun
通讯地址:(030051山西太原中北大学十八系重点实验室1201房间)徐夏
(收稿日期:2006.12.17)(修稿日期:2007.1.15)
(上接第276页)
测试系统[J].武汉理工大学学报.信息与管理工程版,2002,24(4):124-126.
[2]宋仲康,李久芳.基于DSP的汽车点火线圈测试系统[J].武汉理工大学学报.信息与管理工程版2003,25(4):19-22.
[3]刘帆,刘小俊.基于TMS320VC5402的点火线圈测试系统[J].微计算机信息,2004,12:87-88.
[4]兰云,曾烈捷,龚志强.数字式程控信号源[J].重庆邮电学院学报,1996,8,3:26-31.
作者简介:余志超(1971.5-),男,实验师,主要从事计算机方面的实验教学以及研究工作;刘小俊(1979.2—),男,硕士,助教,毕业于武汉理工大学自动化学院,主要从事电力电子、电子设计自动
化方面的研究;涂春霞(1977.2—),女,工程硕士,助教,主要从事计算机方面的教学以及研究工作。

Biography:YuZhichao,prelectorofComputer,HuanggangNormalUniversity,Huanggang,438000,China
(438000湖北黄冈黄冈师范学院计算机科学与技术学院)
余志超刘小俊涂春霞
通讯地址:(438000湖北黄冈黄冈师范学院计算机科学与技术学院)余志超
(收稿日期:2006.9.25)(修稿日期:2006.10.22)
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