微加速度传感器的测试技术

微加速度传感器的测试技术
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摘要：微型加速度传感器是一种重要的惯性传感器，是惯性组合测量系统的基础元件之一。

由于航空航天，各种机器人、工业自动控制、汽车以及玩具、武器装备等领域的迅速发展，对微型加速度传感器提出了多维、集成化等需求。

而硅微加速度传感器是MEMS器件中的一个重要分支，具有十分广阔的应用前景。

由于硅微加速度传感器具有响应快、灵敏度高、精度高、易于小型化等优点，而且该种传感器在强辐射作用下能正常工作，使其近年来发展迅速。

本文围绕硅微加速度传感器的结构与工作原理进行了比较系统的研究，重点讨论了硅微加速度传感器的测试。

正文：21 世纪是人类全面进入信息化的时代，随着人类探知领域和空间的拓展，使得人们需要获得的电子信息种类日益增加，需要信息传递的速度加快，信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息采集技术——传感技术必须跟上信息化发展的需要。

它是人类探知自然界信息的触觉，为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。

作为现代信息技术的三大核心技术之一的传感技术，将是二十一世纪世界各国在高新技术发展方面争夺的一个重要领域。

微机电系统（MEMS）是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，它涉及电子、微机械、材料、制造、信息与控制、物理和生物等多种学科领域，其研究成果在国民经济和国防安全中有广泛的应用前景。

目前MEMS 产品中研制最多、应用最广的是硅微机械传感器。

其中硅微加速度传感器在汽车、工艺控制、航空航天、武器装备上是用得最多的MEMS 传感器之一。

且来自集成电路工艺的技术发展使得低成本、大批量地生产MEMS 传感器成为可能。

传感器向微型化发展的趋势，微传感器接口电路的微型化和与传感器集成，是微型加速度传感器研究的热点之一。

微型加速度传感器是一种十分重要的力学敏感传感器，是微型惯性测量组合系统（MIMU）的重要基础元件。

人们很早就开始了对加速度传感器结构和制造技术的研究。

近年来MEMS 技术的发展，使得基于MEMS 技术的微加速度传感器在结构和工艺上具有传统的加速度传感器无法比拟的诸多优点，正逐步取代传统的加速度传感器。

硅微加速度传感器的一种典型结构如图1.1 所示，梁的一端固定在边框架上，另一端悬挂一个质量块。

无加速度时质量块不运动，输出为零；而当有垂直方向加速度时，质量块运动，经C/V 转换，放大解调输出与加速度信号有关的电压信号。

应用于微加速度传感器的敏感机理很多，目前有文献报道的主要有压阻式、电容式、温敏式（热对流式）、真空微电子式、隧道式、热电耦式、光波导式、谐振式等形式，其中最主要的是压阻式和电容式两种形式。

图1.1 微加速度传感器结构图硅微加速度传感器研制后及使用前均需进行参数性能的测试与定标。

硅微加速度传感器的主要性能指标及测试方法与常规的加速度传感器类似。

在生产过程中的中间测试时完成成品之前的阶段测试，由于结构和电路的不同有所区别，但整表测试时决定加速度传感器性能指标的最主要步骤。

根据不同的使用要求，加速度传感器要进行理学测试，环境试验以及长时间稳定性和重复性试验等。

力学试验又分为静力学试验和动力学试验。

静力学试验包括1g重力场静态翻滚试验，离心试验等。

动力学试验包括动态试验和线振动试验等。

环境试验包括温度性能试验和电磁兼容试验等。

一、硅微加速度计的静态性能测试。

1、加速度传感器重力场静态翻滚试验。

加速度传感器重力场静态翻滚试验是利用重力加速度传感器输入轴、摆轴和输出轴方向的分量作为输入量，通常采用等角度分割的多点分割程序或加速度增量线性程序，来标定加速度传感器各项静态性能参数的试验。

由于此试验的测试范围限制在实验室当地加速度正负值（±1g）以内，不能进行输入范围大于1g的加速度全量程试验，对非线性系数和交叉，耦合系数的标定精度较低。

但由于重力加速度最容易获得，并能精确测定其大小和方向，具有试验方便和结果精确的特点，所以，此试验是各种输入量程加速度传感器性能测试的主要试验之一。

加速度传感器重力场静态翻滚试验可分为单轴位置滚转法和双轴位置滚转法。

单轴位置滚转法试验一般在精密光学分度头和精密端齿盘上进行，双轴位置滚转法试验可在双轴位置转台上进行。

该测试方法利用光学分度头测试设备来改变重力加速度在加速度传感器输入轴方向的分量，来测量加速度传感器的各项性能指标。

将加速度传感器（及其外围线路）固定在光学分度头上，应尽量使加速度传感器的的敏感轴与光学分度头的安装
平面平行，减小所测加速度在于敏感轴的垂直轴上的分量。

利用数字电压表测量加速度传感器输出电压。

1.0重力场试验的数学模型
硅微加速度传感器在进行地球重力场翻滚试验时，加速度传感器的输入加速度按正玄规律变化，它的输出值并不完全是正玄变化，而是包含着若干噪声项。

通常，加速度传感器在地球重力场的测试中，可以采用下面形式的静态数学模型方程：
A=ko+k1ai+k2a²i+k3a³i+k4aiao+k5aiap
式中，A-加速度传感器的输出
Ko-偏值
k1-标度因数
k2-二阶非线性系数
k3-三阶费线性系数
k4-输入轴和输出轴的交叉耦合系数
k5-输入轴和摆轴的交叉耦合系数
1.1重力场试验原理
加速度传感器重力场试验一般是将加速度传感器安装在光学分度头（或精密转台）上进行。

加速度传感器的安装状态分别取水平摆状态和侧摆状态。

加速度传感器输出轴平行于分度头（转台）转轴的安装状态，称为水平摆安装状态。

加速度传感器的摆轴平行于分度头（转台）转轴的安装状态称为侧摆安装状态。

1.2八点测试法
在重力场试验中，加速度传感器采用水平摆安装状态或侧摆安装状态，按等分的八个位置，分别取θi为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°，测出每个位置的输出值代入有关方程式中，进行数据处理，以得到模型方程的各系数值。

2、加速度传感器精密离心机试验。

2.0概述
加速度传感器精密离心机试验主要检测大于1g加速度输入情况下，加速度传感器的标度因数、加速度传感器量程、加速度零偏、对加速度输入平方敏感的二阶系数、各漂移系数的重复性与稳定性、横向灵敏度等。

加速度传感器离心试验的测
试方法通常有等加速度增量试验和等角度增量试验。

2.1试验原理
加速度传感器离心试验，其主要试验设备包括带有试验夹具的离心机、加速度传感器试验工装、加速度传感器综合测台，数据采集与处理装置、电源、电缆、测试仪器等。

离心机要求转速稳定、结构变形小、振动小以及可以将加速度传感器安装在圆盘（或转臂）精确已知的各种半径上。

离心机试验的加速度输入是通过使加速度传感器输入轴对恒速旋转的半径方向的离心力产生的。

2.2试验方法
离心机试验主要是用以分离模型方程除零次项、一次项外的其他各系数，整个试验要使仪表在离心机上变换12个不同位置，进行12次试验。

每次试验使得离心机转速从1go开始，平滑地逐渐上升到最大加速度值，再以最大加速度使离心机转速逐步下降，直到返回1go，从1go到最大加速度的测量范围内，均匀地分成若干级。

当离心机转速达到某一级加速度时，使转速略为稳定，读取仪表的输出值，在转速下降时，重复上述的测量。

3、静态漂移测试
静态漂移测试时对加速度传感器在不同时间下进行的稳定性测试，也就是测定加速度传感器在静态工作期间输出值的变化。

首先寻找该加速度传感器的机械零位，然后将其置于机械零位，并测试其输出，从而得到静态漂移曲线，即标定了加速度传感器的静态稳定性。

4、温度性能测试
温度性能测试包括两方面：零位漂移测试和灵敏度漂移测试。

4.0零位漂移测试时对加速度传感器在不同温度下的零位稳定性的测试。

该标定试验
是将加速度传感器静止置于高低温箱内，通过设定温度变化曲线，使该器件处于不同的温度环境下。

通过对加速度传感器在不同的温度下的输出的测试，从而标定了硅微加速度传感器的温度性能指标。

4.1灵敏度漂移测试时，规范化的作法是采用温控转台（温控分度头）。

其转台在温
控箱内，通过设定温控箱的温度建立不同的温度循环。

二、硅微加速度传感器的动态性能测试。

1、频响测试
加速度传感器的频率响应特性主要是对加速度传感器输入不同频率（不同幅值）的
加速度信号，通过对加速度传感器的输出的检测来得出其输出信号频率之间的关系。

加速度传感器振动试验是利用精密线振动台产生线振动加速度作为输入来测定加速度传感器各项性能的一种试验，主要用于标定加速度传感器的二阶线性系数和频率响应特性，还可以用于标定加速度传感器的标度因数和偏置的长期稳定性，以及结构强度等。

另外，该试验是进行加速度传感器全量程范围性能测试的另一种主要试验。

1.0动态灵敏度测试
加速度传感器的动态灵敏度测试也需要利用精密振动台。

在此动态标定中，使振动台在某一个固定频率下作不同g值振动，被检测的加速度传感器敏感振动台加速度，测量加速度传感器在此频率下的输出电压量，该值除以振动台的加速度，即可得到此频率下的加速度传感器标度因子。

通过对振动台设定不同的加速度，从而得到输入加速度与输出电压的线性关系。

2.0抗冲击能力测试
进行冲击试验时，将加速度传感器安装在试验工装内，并将工装固定于冲击台或激振台上。

加速度传感器工作于闭环状态，用测试仪器或自动检测设备监视加
速度传感器的输出信号。

三、加速度传感器的其他试验。

1、阀值测试
阀值测试的目的是验证在0g附近加速度输入时，在给定加速度输入增量的条件下，加速度传感器的输出是否大于规定的变化量。

加速度增量和分度头角度增量的对应关系为：
Δa=g[sin(θo+Δθ)-sinθo]
2、分辨率测试
分辨率测试的目的是验证在非0g附近加速度输入时，在给定加速度输入增量的条件下，加速度传感器的输出是否大于规定的变化量。

加速度增量和分度头角度增量的对应关系为：
Δa=g[sin(θo+Δθ)-sinθo]
3、重复性测试
加速度的重复性测试是对加速度传感器在相同输入和环境条件下，由一个工作周期
呈现相同性能的工作能力测试。

加速度传感器的重复性试验一般可分为间隔时间测试和环境试验后测试两种。

4、噪声试验
噪声测试与稳定性测试类似，但不需要测试很长的时间，可以在加速度传感器稳定后测量短时间内的输出，根据输出的上下波动情况来计算噪声指标。

也可以用示波器来测定，还可以用动态分析仪测量硅微加速度传感器的噪声登记。

噪声可以在频域中表征，用功率谱密度来表示。

5、电磁兼容试验
加速度传感器的电磁兼容试验是模拟加速度传感器所使用的电磁场环境，测试电磁场干扰对加速度传感器精度的影响。

此外与加速度动态性能有关的试验，还有开环频率特性试验、闭环频率特性试验、阶跃信号输入的响应及大重力加速度模拟试验等。

四、加速度传感器的结论分析。

本论文对微加速度传感器的测试技术进行了较深入细致的研究，阐述了多种为加速度传感器的测试方法总结全文，得出的结论是：
1、本文在查阅大量文献资料的基础上，分析了微加速度传感器的国内外现状；分析了
加速度传感器的测试技术。

2、对微加速度传感器的结构和工作原理进行了较深入的分析。

重点分析了加速度传感
器的特性等。

通过静电反馈力的分析，得出了加速度传感器的多种测试技术。

3、硅微电容式加速度传感器的发展是不停止的，加速度传感器向多维、集成化
方向发展，在以后的工作中要进一步的优化测试技术，同时在检测电路与传感器集成方面还要做大量的工作。

参考文献：
1、彭速成真空微电子加速度传感器的设计及其接口电路的研究重庆大学硕士学位论文。

2、朱长纯，韩建强，刘君华微机械传感器的现状与发展电子元器件应用西安交通大学
2003 年12 月12 期。

3、M.Elwenspek and R.Wiegerink 著陶家渠刘佑宝等译硅微机械传感器中国宇航出版社。

4、周杏鹏仇国富等现代检测技术高等教育出版社。

5、《微惯性技术》，作者刘俊，石云波，李杰，电子工业出版社。