三维MEMS加速度计的性能测试方法与分析_徐夏

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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《现场总线技术应用２００例》
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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