MEMS慣性器件典型參數(shù)測試技術(shù)研究?

陳 波 劉路揚(yáng) 呂 兵 楊景陽 呂 樂

（中國航天科工集團(tuán)第二研究院二〇一所 北京 100854）

1 引言

微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）是將微電子技術(shù)與機(jī)械工程融合到一起的一種工業(yè)技術(shù)，它是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理和控制電路、接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)［1～2］。MEMS慣性器件指采用MEMS技術(shù)制造的將慣性運(yùn)動裝置與信號處理集成電路集成為一體的器件，典型代表是MEMS陀螺器件，具有體積小、重量輕、功耗低等諸多優(yōu)勢，近年來成為傳感器領(lǐng)域的熱門研究方向。其諸多的優(yōu)點(diǎn)使其在航空航天、軍用技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，在汽車、消費(fèi)品和娛樂產(chǎn)品等民用市場也開始依賴這類器件，應(yīng)用前景廣闊。

MEMS器件由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特點(diǎn)的不同，其可靠性保證手段不同于常規(guī)的集成電路［4］，尤其在測試方面，需要借助外部的激勵(lì)源對其施加特定激勵(lì)，而且MEMS器件的測試項(xiàng)目普遍較多，測試難度大、耗時(shí)長，這對MEMS器件的測試工程化提出了挑戰(zhàn)。本文選取一款在軍用技術(shù)領(lǐng)域使用廣泛的某型號MEMS陀螺器件作為研究對象，分析了其被測參數(shù)，研究了典型參數(shù)測試方法，并針對性地設(shè)計(jì)了硬件方案和軟件方案。

2 MEMS陀螺器件概述及參數(shù)測試方法

MEMS陀螺器件的基本原理是利用科里奧利力進(jìn)行能量的傳遞，將諧振器的一種振動模式激勵(lì)到另一種振動模式，后一種振動模式的振幅與輸入角速度的大小成正比，通過測量振幅實(shí)現(xiàn)對角速度的測量。

圖1 質(zhì)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動示意圖

如圖1所示，假設(shè)旋轉(zhuǎn)物體有徑向速度vr，那么將會產(chǎn)生切向科里奧利加速度：

從式（1）可以看到科里奧利加速度的大小正比于物體旋轉(zhuǎn)的角速度，如果在切向安裝一個(gè)加速度計(jì)測出科里奧利加速度，那么就可以間接得到物體旋轉(zhuǎn)的角速度［5］，基于這一原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后采用MEMS加工工藝就可制作出MEMS陀螺器件。

2.1 MEMS陀螺器件的參數(shù)分析

MEMS陀螺器件的參數(shù)有很多，具體參數(shù)與意義如下：

1）Dynamic Range（動態(tài)測量范圍）：陀螺正、反向輸入角速率的最大值，該值越大表示陀螺敏感速率的能力越強(qiáng)；

2）Sensitivity（靈敏度）：表示在規(guī)定的輸入角速率下能敏感的最小輸入角速率的增量，實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用情況選擇測量范圍，對同一款MEMS陀螺器件而言，選擇的測量范圍越大，靈敏度越低；

3）SoDr（溫度敏感性）：環(huán)境溫度導(dǎo)致的靈敏度的變化率；

4）Misalignment（封裝誤差）：該誤差主要包括兩個(gè)方面，一是陀螺器件芯片內(nèi)Z軸加速度計(jì)所測量的重力加速度方向與實(shí)際的重力加速度方向的夾角誤差，另一個(gè)是裸片對角線與封裝對角線的夾角誤差；

5）Nonlinearity（非線性度）：陀螺輸入與輸出的角速率的比值稱為刻度因子，該比值是根據(jù)整個(gè)輸入角速率范圍內(nèi)測得的輸入/輸出數(shù)據(jù)，通過最小二乘法擬合求出的直線斜率，刻度因子擬合的殘差決定了該擬合數(shù)據(jù)的可信程度，表征了陀螺實(shí)際輸入/輸出數(shù)據(jù)的偏離程度，即為陀螺器件的非線性度；

6）Initial Bias Error（初始零偏誤差）：指陀螺器件在零輸入狀態(tài)下的輸出，即為初始零偏誤差；

7）In-Run Bias Stability（零偏穩(wěn)定性）：在零輸入狀態(tài)下的長時(shí)間穩(wěn)態(tài)輸出是一個(gè)平穩(wěn)的隨機(jī)過程，即穩(wěn)態(tài)輸出將圍繞均值（零偏）起伏波動，用均方差表示，這種均方差被定義為零偏穩(wěn)定性；

8）Band Width（帶寬）：帶寬指陀螺能夠精確測量輸入角速度的頻率范圍，這個(gè)范圍越大表明陀螺的動態(tài)響應(yīng)能力越強(qiáng)；

9）Bias Voltage Sensitivity（偏置電壓靈敏度）：指陀螺器件的輸出對供電電源變化的敏感程度；

10）Resonant Frequency（諧振頻率）：指內(nèi)部傳感器的諧振頻率；

11）Vdd（供電電壓）：器件的工作電壓范圍；

12）Idd（電源電流）：器件工作時(shí)的電源電流。

根據(jù)不同參數(shù)的特性，可以將MEMS陀螺器件的主要參數(shù)分為四類，如圖2所示。

圖2 MEMS陀螺器件特性參數(shù)分類

2.2 MEMS陀螺器件參數(shù)測試方法

不同于一般的集成電路測試方法，MEMS陀螺器件的測試較為復(fù)雜，不同的特性參數(shù)的測試需要采用不同的測試工具及方法。

1）輸出特性參數(shù)測試方法

MEMS陀螺器件的輸出特性參數(shù)包括動態(tài)測量范圍、靈敏度、非線性度、初始零偏誤差、零偏穩(wěn)定性、偏置電壓靈敏度等參數(shù)，在對這些參數(shù)進(jìn)行測試時(shí)，通過雙軸速率轉(zhuǎn)臺提供外部激勵(lì)，選用雙軸速率轉(zhuǎn)臺一方面可以減小測試工裝的設(shè)計(jì)難度，而且還能大幅提高測試效率，同時(shí)也能夠提升測試效果。

2）頻率特性參數(shù)測試方法

MEMS陀螺器件的頻率特性參數(shù)包括諧振頻率、帶寬、角度隨機(jī)游走系數(shù)等，一般的MEMS陀螺器件的帶寬在幾百甚至上千Hz，諧振頻率更是高達(dá)幾十kHz甚至更高，一般的速率轉(zhuǎn)臺很難提供如此高且精確的變化頻率，因此對于這類參數(shù)的測試選擇使用振動臺進(jìn)行測試。

3）直流特性參數(shù)測試方法

MEMS陀螺器件的直流特性參數(shù)一般是指器件的供電電壓以及電源電流等，對該類參數(shù)的測試可以采用通用的集成電路測試方法。

4）溫度特性參數(shù)測試方法

溫度特性參數(shù)主要是指MEMS陀螺器件的溫度敏感性，陀螺器件的靈敏度會隨著溫度變化，對該類參數(shù)的測試需要外界環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)可控反饋，最直接有效的方法是使用溫箱。搭建測試平臺時(shí)需要將雙軸速率轉(zhuǎn)臺以及振動臺置于溫箱內(nèi)，實(shí)時(shí)改變環(huán)境溫度測試靈敏度從而完成對溫度特性參數(shù)的測試。

3 硬件測試平臺的搭建

由上文中對MEMS陀螺器件的各類參數(shù)測試方法分析可知，MEMS陀螺器件的測試硬件平臺需要一臺雙軸速率轉(zhuǎn)臺、一臺振動臺、溫箱以及夾持工裝，此外，測試信號的激勵(lì)獲取以及控制也需要外部提供，可以選用NI的PXI平臺實(shí)現(xiàn)，該平臺具有模塊化的特點(diǎn)，接口資源豐富，可以根據(jù)測試需求進(jìn)行靈活配置，后續(xù)升級容易，而且相對于大多數(shù)ATE而言價(jià)格低廉，非常適用于搭建MEMS陀螺器件測試平臺。

3.1 PXI板卡選擇

NI的PXI板卡類型較多，可以根據(jù)被測參數(shù)的測試要求進(jìn)行靈活選擇。本文選取的MEMS陀螺器件的分辨率和零位穩(wěn)定性為0.01dps，動態(tài)測量范圍為500dps，通過計(jì)算可得陀螺的標(biāo)度因數(shù)為2.61mV/dps，因此要求NI數(shù)據(jù)采集卡的電壓測量有效值的分辨率和穩(wěn)定性為26.1μV，量程為1.305 V，換為峰值量程應(yīng)為1.845V。NI的動態(tài)信號采集卡PXI 4461最大采樣率為204.8 kHz，24位A/D分辨率，4個(gè)模擬通道，量程最大可配置為±10V，對本文的被測MEMS陀螺器件的測試而言能夠滿足要求［6～10］。PXIe-4143 是一款 SMU 電源模塊，具有 4路SMU通道，能夠提供±24V、±150mA的四象限功率輸出，滿足測試需求。PXIe-6556是一款24通道的高速數(shù)字IO，能夠?qū)崿F(xiàn)器件數(shù)字管腳的功能驗(yàn)證測試，此外PXI平臺的機(jī)箱和控制器選用比較主流的PXIe108e和PXIe8135，這兩個(gè)板卡接口資源豐富，處理能力強(qiáng)大，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對雙軸轉(zhuǎn)臺以及振動臺的控制［12］。

3.2 測試夾持工裝的設(shè)計(jì)

測試夾持工裝是連接被測MEMS陀螺器件和雙軸速率轉(zhuǎn)臺的或者振動臺的紐帶，其可靠性和穩(wěn)定性直接關(guān)系到測試的效果優(yōu)劣甚至關(guān)乎成敗，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循以下原則［13］：

1）對被測器件夾持牢固，定位清晰可靠；

2）工裝外形合理，使用簡便，且具有微調(diào)結(jié)構(gòu)；

3）模擬仿真工裝在實(shí)際使用過程中的質(zhì)心分布，合理配重，避免在雙軸轉(zhuǎn)臺上的運(yùn)行過程中出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，損壞轉(zhuǎn)臺，且影響測試精度及穩(wěn)定性；

4）綜合考慮雙軸轉(zhuǎn)臺的有效載荷及臺面尺寸，合理設(shè)計(jì)工裝結(jié)構(gòu)及控制重量。

3.3 測試系統(tǒng)硬件平臺

圖3 MEMS陀螺器件測試系統(tǒng)硬件平臺示意圖

由于在測試過程中MEMS陀螺器件的不同的特性參數(shù)在測試時(shí)需要不同的設(shè)備，因此要完成一個(gè)MEMS陀螺器件的完整測試需要分步進(jìn)行。在雙軸轉(zhuǎn)臺與振動臺上分別設(shè)置測試位A、B，兩個(gè)測試位上均安裝有符合可靠性要求的測試夾持工裝，在測試完某一特性參數(shù)后調(diào)整位置，然后進(jìn)行下一特性參數(shù)的測試，直至完成整個(gè)測試過程。在測試平臺中，雙軸轉(zhuǎn)臺與振動臺均置于溫箱內(nèi)，被測器件的信號通過夾持工裝同雙軸轉(zhuǎn)臺或振動臺相連，然后雙軸轉(zhuǎn)臺通過自身的滑環(huán)同外部建立通信，振動臺將直接同外部建立通信。雙軸轉(zhuǎn)臺、振動臺以及溫箱的控制信號以及被測器件的測試信號同外部的PXI的控制器及特定板卡相連，從而實(shí)現(xiàn)利用PXI對整個(gè)測試平臺的控制，整個(gè)硬件平臺搭建示意圖如圖3所示。

4 測試軟件設(shè)計(jì)

軟件方面通過LabVIEW語言實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，主要實(shí)現(xiàn)測試板卡控制、溫箱控制、雙軸轉(zhuǎn)臺控制、振動臺控制、數(shù)據(jù)存儲分析、測試報(bào)告生成等功能。軟件設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)［13～15］：

1）對硬件設(shè)備的精確控制。外部激勵(lì)是測試MEMS陀螺器件的基礎(chǔ)，因此對雙軸轉(zhuǎn)臺以及振動臺的精確控制是性能測試有效性的重要保證；

2）對流程的準(zhǔn)確控制。由于MEMS陀螺器件的被測參數(shù)較多，而且特性不同，需要在幾種測試狀態(tài)下穿插進(jìn)行，被測器件在雙軸轉(zhuǎn)臺和振動臺轉(zhuǎn)移時(shí)需要系統(tǒng)等待人為介入，這些斷點(diǎn)及交互都需要在整體邏輯和流程中體現(xiàn)，因此對軟件流程的準(zhǔn)確控制關(guān)乎測試系統(tǒng)的功能可靠性；

3）大吞吐量的數(shù)據(jù)IO效率設(shè)計(jì)。在對MEMS陀螺器件的一些參數(shù)測試時(shí)，比如零偏穩(wěn)定性、頻率特性等參數(shù)，需要系統(tǒng)對其高密度采樣，數(shù)據(jù)的吞吐量較大，需要設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和搬運(yùn)；

4）數(shù)據(jù)的分析模塊效率。由于MEMS陀螺器件的被測參數(shù)較多，完成整個(gè)測試需要很大的數(shù)據(jù)量，在工程化測試中要求高效率的完成數(shù)據(jù)分析并判斷參數(shù)是否超差并給出數(shù)據(jù)報(bào)告，因此合理的算法設(shè)計(jì)和優(yōu)化十分重要；

5）模塊化設(shè)計(jì)。MEMS陀螺器件的硬件測試系統(tǒng)選用了靈活的基于PXI架構(gòu)，便于后續(xù)測試系統(tǒng)的升級以適應(yīng)更多型號的MEMS陀螺器件的測試需求，因此在軟件的設(shè)計(jì)方面也要采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，便于后續(xù)升級。

圖4 MEMS陀螺器件測試系統(tǒng)軟件模塊架構(gòu)示意圖

綜合考慮軟件設(shè)計(jì)的5條關(guān)鍵點(diǎn)，MEMS陀螺器件測試系統(tǒng)的軟件部分采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，按照功能特性劃分了1個(gè)主控模塊和8個(gè)功能子模塊，模塊架構(gòu)示意圖如圖4所示。模塊之間獨(dú)立運(yùn)作，彼此間的通信通過隊(duì)列完成，通信模式采用一對多的方式，能夠最大限度地降低模塊之間的耦合度，提升了軟件的魯棒性，也便于軟件的后續(xù)升級。

5 結(jié)語

本文選取了某款MEMS陀螺器件作為測試研究對象，分析了其測試參數(shù)，按照參數(shù)的特性對各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了分類，并針對性的提出了測試方法。此外，提出了一種基于NI的PXI的MEMS陀螺器件測試平臺，借助雙軸速率轉(zhuǎn)臺、振動臺以及溫箱搭建了MEMS陀螺器件測試系統(tǒng)的硬件平臺，對硬件平臺的硬件選型進(jìn)行了闡述。系統(tǒng)的軟件部分采用LabVIEW語言編寫，采用了模塊化的思路對控制軟件進(jìn)行了模塊劃分，并對系統(tǒng)的測試軟件部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了論述，對MEMS陀螺器件的測試工作具有指導(dǎo)性意義。