MEMS加速度計(jì)在不同量程下的溫度影響性能測試方法

袁雪松

摘 要：慣性傳感器件是應(yīng)用最為廣泛的微機(jī)電系統(tǒng)器件之一，MEMS加速度計(jì)則是慣性傳感器件的杰出代表。文中闡述了MEMS加速度計(jì)在不同量程下的溫度影響性能測試方法。

關(guān)鍵詞：MEMS加速度計(jì)；靜態(tài)；動(dòng)態(tài)測試；溫度影響

中圖分類號(hào)：TP39；TH82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）08-00-02

0 引 言

隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，慣性傳感器件在過去幾年中成為最成功，應(yīng)用最廣泛的微機(jī)電系統(tǒng)器件之一，而MEMS加速度計(jì)則是慣性傳感器件的杰出代表，廣范應(yīng)用于軍事、航空、車輛控制、高鐵、機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。MEMS加速度計(jì)的精度主要取決于制造工藝和測試標(biāo)定精度，前者與傳感器自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)和加工精度、裝配精度相關(guān)，后者則主要與傳感器的測試方法、測試測量設(shè)備的準(zhǔn)確度、數(shù)據(jù)處理方法相關(guān)。隨著制造工藝水平日趨成熟，從創(chuàng)新材料、加工工藝等制造角度提高慣性器件的精度越來越困難，那么如何提高傳感器精度呢？目前可從提高傳感器測試測量設(shè)備的準(zhǔn)確度、優(yōu)化測試方法、建立完善的測試規(guī)范等方面來實(shí)現(xiàn)。

MEMS加速度計(jì)按原理可分為壓阻式、電容式、諧振式等。其半導(dǎo)體和微機(jī)械結(jié)合工藝特點(diǎn)決定了其與傳統(tǒng)加速度計(jì)性能的區(qū)別，如微結(jié)構(gòu)的遲滯和溫漂是影響微加速度計(jì)精度的重要因素，因此MEMS加速度計(jì)測試項(xiàng)目中增加了許多內(nèi)容。對于MEMS傳感器性能的測試，溫度影響是重要一環(huán)，一方面確認(rèn)傳感器能夠正常工作的溫度范圍，另一方面需根據(jù)各溫度點(diǎn)的實(shí)際輸出量與常溫輸出量進(jìn)行比較，通過添加算法對其進(jìn)行補(bǔ)償，消除溫度帶來的測量偏差。

1 靜態(tài)（重力法）測試溫度影響項(xiàng)目

由于加速度計(jì)通頻帶的下限為0 Hz，采用帶高低溫試驗(yàn)箱的高精度轉(zhuǎn)臺(tái)（光學(xué)分度頭）利用加速度計(jì)傳感器與地球重力場方向的夾角，測得傳感器的模擬或數(shù)字輸出值。

1.1 熱零點(diǎn)偏移

熱零點(diǎn)輸出偏移主要指傳感器在零載荷工作情況下，由環(huán)境溫度變化引起的零點(diǎn)輸出變化，通常用單位溫度的滿量程輸出百分比表示。一般以每10℃范圍內(nèi)產(chǎn)生的漂移為計(jì)量單位。

將待測加速度計(jì)放置在高低溫試驗(yàn)箱中，保持零點(diǎn)輸出為加速度傳感器所受載荷0 g，將加速度計(jì)上電預(yù)熱約30min；設(shè)置T1，T2，T3，…，Tn等多個(gè)溫度點(diǎn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)置的目標(biāo)溫度點(diǎn)后，記錄和存儲(chǔ)加速度計(jì)的輸出信號(hào)，然后等待下一個(gè)溫度目標(biāo)值到達(dá)，再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，直到將所有溫度點(diǎn)的數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)完畢。熱零點(diǎn)偏移的計(jì)算公式如下：

式中，yTi為溫度為Ti時(shí)零點(diǎn)的輸出值；yT1為溫度為T1時(shí)零點(diǎn)的輸出值；YFS（T1）為溫度為T1時(shí)滿量程的輸出值。

1.2 熱滿量程輸出偏移

由環(huán)境變化所引起的滿量程輸出變化通常用單位溫度的滿量程輸出百分比來表示。

將待測加速度計(jì)放置在高低溫試驗(yàn)箱中，保持零點(diǎn)輸出為加速度傳感器所受載荷下限值，將加速度計(jì)上電預(yù)熱約30min；設(shè)置T1，T2，T3，…，Tn等多個(gè)溫度點(diǎn)，當(dāng)所設(shè)置的目標(biāo)溫度點(diǎn)到達(dá)后，對加速度計(jì)的輸出信號(hào)進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)，然后等待下一個(gè)溫度目標(biāo)值到達(dá)，再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，直到將所有溫度點(diǎn)的數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)完畢。將加速度傳感器所受載荷變?yōu)樯舷拗担瓷鲜龇椒▽铀俣扔?jì)的輸出信號(hào)進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)。熱滿量程輸出的計(jì)算公式如下：

式中，為溫度為T2時(shí)滿量程的輸出值；為溫度為T1時(shí)滿量程的輸出值；為溫度為T1時(shí)滿量程的輸出值。

1.3 靈敏度的溫漂

環(huán)境溫度變化會(huì)引起加速度傳感器的靈敏度發(fā)生變化。一般用溫度每變化10℃引起的靈敏度變化量對額定輸出的百分比來表示。

將加速度計(jì)上電預(yù)熱約30 min。設(shè)置T1，T2，T3，…，Tn等多個(gè)溫度點(diǎn)。

當(dāng)所設(shè)置的目標(biāo)溫度點(diǎn)到達(dá)后，對采集加速度計(jì)1 g激勵(lì)下輸出的信號(hào)進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)，然后等待下一個(gè)溫度目標(biāo)值到達(dá)時(shí)，再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，直到完成所有溫度點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。

將待測加速度計(jì)反向放置，設(shè)置T1，T2，T3，…，Tn等多個(gè)溫度點(diǎn)，當(dāng)所設(shè)置的目標(biāo)溫度點(diǎn)到達(dá)后對采集加速度計(jì)-1 g激勵(lì)下的輸出信號(hào)進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)，然后等待下一個(gè)溫度目標(biāo)值到達(dá)時(shí)，再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，直到完成所有溫度點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集為止。按下式計(jì)算傳感器在不同溫度下的靈敏度：

式中，STi為傳感器在溫度Ti下的靈敏度；UTi1為傳感器溫度Ti+1 g下的輸出；UTi2為傳感器在溫度Ti時(shí)-1 g下的輸出。

根據(jù)上式計(jì)算對應(yīng)溫度下傳感器的靈敏度，代入靈敏度溫漂系數(shù)計(jì)算公式：

式中，STi為溫度為Ti時(shí)，傳感器的靈敏度；S為在常溫T下，傳感器的靈敏度。

2 動(dòng)態(tài)測試振動(dòng)法中溫度影響項(xiàng)目

振動(dòng)法：將被校加速度計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)背靠背剛性安裝在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面中心，采用正弦激勵(lì)，在設(shè)定頻率和幅值條件下測得傳感器的模擬或數(shù)字輸出值。

靈敏度的溫漂系數(shù)：通常采用比較法進(jìn)行靈敏度溫漂系數(shù)檢測，通過隔熱的試驗(yàn)夾具將被檢傳感器與參考傳感器同軸剛性安裝到振動(dòng)臺(tái)上，使被檢傳感器暴露在溫度試驗(yàn)箱內(nèi)，設(shè)置T1，T2，T3，…，Tn等多個(gè)溫度點(diǎn)，啟動(dòng)溫度試驗(yàn)箱。當(dāng)所設(shè)置的目標(biāo)溫度點(diǎn)穩(wěn)定后，振動(dòng)臺(tái)按照給定頻率和幅值進(jìn)行工作，對加速度傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)，然后等待下一個(gè)溫度目標(biāo)值到達(dá)時(shí)，重復(fù)上述步驟。

3 動(dòng)態(tài)測試沖擊法中溫度影響項(xiàng)目

沖擊法：對于高g值，加速度傳感器采用沖擊發(fā)生裝置（沖擊臺(tái)、霍普金森桿等）產(chǎn)生一個(gè)近似正弦、半正弦正矢或高斯的加速度波形，得到其輸出信號(hào)值。

靈敏度的溫漂系數(shù)：可采用沖擊比較法進(jìn)行靈敏度溫漂系數(shù)檢測，將被檢傳感器與參考傳感器同軸剛性安裝到霍普金森桿上，使被檢傳感器暴露在溫度試驗(yàn)箱內(nèi)，設(shè)置T1，T2，T3，…，Tn等多個(gè)溫度點(diǎn)，啟動(dòng)溫度試驗(yàn)箱。當(dāng)所設(shè)置的目標(biāo)溫度點(diǎn)穩(wěn)定后，按照給定沖擊加速度和脈寬對加速度傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)，然后等待下一個(gè)溫度目標(biāo)值到達(dá)時(shí)，重復(fù)上述步驟。根據(jù)公式得到對應(yīng)溫度下靈敏度的溫漂系數(shù)，為溫度補(bǔ)償提供原始數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

通過文中所述檢測方法，我們得到了加速度傳感器溫度影響量的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用硬件或軟件補(bǔ)償?shù)姆椒稍趯?shí)際復(fù)雜環(huán)境條件下大幅提高M(jìn)EMS加速度傳感器的精度，滿足傳感器的使用要求。

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