用于運動姿勢捕捉的可穿戴MEMS微型化加速度計研制

張 晟，龔濤波，王魯康，劉 元，趙玉龍，王 鵬

(1.西安交通大學(xué)體育中心，陜西 西安 710049; 2.西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西 西安 710049;3.陜西理工大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西 漢中 723000)

0 引 言

在體育教學(xué)和運動訓(xùn)練中，對人體運動姿勢的準確捕捉和分析，有利于準確地判斷運動姿勢，并對運動動作有針對性地進行校正，進一步提高運動員的成績、減輕身體損害。目前人體運動姿勢捕捉技術(shù)主要基于視覺圖像[1]、肌電信號[2]和可穿戴慣性傳感器[3-7]3種方式。其中基于可穿戴慣性傳感器的人體姿勢捕捉技術(shù)具有直接、可靠、適用性強的優(yōu)點。在國外已有如圖1所示的可穿戴慣性傳感器的產(chǎn)品，但其存在體積較大、穿戴麻煩的缺點。國內(nèi)的研究中，黃元植[4]將加速度傳感器固定于人體運動部位，實現(xiàn)了對人體5種常見運動姿勢的測量，但其使用的加速度傳感器的靈敏度不夠高，對于細微的動作無法識別。劉蘭財[5]等人給運動員穿戴加速度計來測量運動員的運動姿勢，進而識別比賽中運動損傷的高風(fēng)險事件，但其采用的加速度計頻率采樣范圍有待提高，對于更加快速變化的動作的捕捉受限。在人體姿勢捕捉過程中還要求加速度計具有體積小、功耗低、易穿戴的特點。因此，研究具有高靈敏度和高頻響的MEMS加速度計對于人體姿勢捕捉具有重要意義。

圖1 國外用于人體姿勢捕捉的產(chǎn)品

MEMS加速度計具有微型化、成本低、功耗低的特點，適用于人體姿勢捕捉領(lǐng)域[6-7]。但是MEMS加速度計的靈敏度與固有頻率之間存在相互制約的問題。加速度計的固有頻率主要取決于敏感結(jié)構(gòu)的等效剛度和等效質(zhì)量，剛度越大則加速度計具有越高的固有頻率。然而加速度計的靈敏度卻與剛度成反比。因此加速度計的固有頻率越大，則其靈敏度會越小。汪延成[8]等人提出了一種具有孔縫-微懸臂梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感器，該傳感器在傳統(tǒng)懸臂梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)中引入了3個應(yīng)力集中孔縫，壓敏電阻區(qū)域布置在應(yīng)力集中孔縫的兩側(cè)。該結(jié)構(gòu)提升了傳感器的靈敏度，其單位電壓下靈敏度達到5.189 mV/(g·V)，但是其測量頻率最大約為400 Hz。Sankar[9]等人采用將梁結(jié)構(gòu)置于檢測質(zhì)量塊的四角位置以增大結(jié)構(gòu)的剛度，該加速度傳感器測量頻率高達2.89 kHz，但是單位電壓下測量靈敏度僅為122 μV/(g·V)。本文在之前的研究[10]基礎(chǔ)上研制了一種孔縫復(fù)合八梁結(jié)構(gòu)的高頻響高靈敏度壓阻式MEMS加速度計。在傳統(tǒng)的八梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將其中四根梁的長度和寬度減小，形成了具有小梁和大梁的復(fù)合八梁結(jié)構(gòu)。并且在敏感梁上引入應(yīng)力集中孔，使加速度計在提升靈敏度的同時具有足夠的固有頻率。本文對該加速度計進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真分析，完成了加速度計的制造和封裝，并對其進行了性能測試。研制的MEMS壓阻式加速度計的性能指標為：加速度量程為0～30 g；固有頻率大于10 kHz；單位電壓下測量靈敏度高于0.2 mV/(g·V)；總準確度優(yōu)于0.5%FS。

1 加速度計測量原理與結(jié)構(gòu)

1.1 人體運動姿勢捕捉原理

人體在進行體育運動過程中，身體各部位會隨著運動產(chǎn)生相應(yīng)的物理信號，其中包括加速度信號。如圖2所示，將加速度計穿戴在人體的不同部位，例如手腕、胸、手臂、腳踝等，實時獲取人體在運動過程中不同部位產(chǎn)生的加速度信號，通過采集卡將信號采集到上位機，然后在上位機上分析和處理，就能實現(xiàn)對人體的運動姿勢的捕捉。

圖2 人體運動姿勢捕捉原理圖

1.2 加速度計測量原理

本文研制的加速度計測量原理是基于硅的壓阻效應(yīng)，結(jié)構(gòu)主要有敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測量電路組成，其中敏感元件包括敏感梁、支撐梁和質(zhì)量塊，轉(zhuǎn)換元件為布置于敏感梁大應(yīng)力區(qū)域的敏感電阻。加速度計的工作原理如圖3所示，將加速度計穿戴在人體的運動部位，人體在運動過程中運動部位會產(chǎn)生加速度；當有加速度信號輸入時，加速度計的質(zhì)量塊會出現(xiàn)相應(yīng)的慣性力，在該力作用下敏感梁會產(chǎn)生應(yīng)變，從而導(dǎo)致敏感梁上的敏感電阻阻值發(fā)生變化；敏感電阻阻值產(chǎn)生的變化，通過惠斯通電橋轉(zhuǎn)換成與加速度值成比例的電壓值，從而完成對加速度信號的測量[11-12]。

圖3 加速度計的工作原理圖

1.3 加速度計的結(jié)構(gòu)設(shè)計

選擇單晶硅作為加速度計的敏感材料。單晶硅為具有壓阻效應(yīng)的半導(dǎo)體，可以通過摻雜的方式形成壓阻效應(yīng)更為顯著的敏感轉(zhuǎn)換元件，能夠提高加速度計的靈敏度。而且單晶硅具有強烈的各向異性，可以進行三維結(jié)構(gòu)的加工，其機電熱性能優(yōu)越，加工工藝成熟。

在八梁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上[13]，將八梁結(jié)構(gòu)中的4根梁作為敏感梁，其余4根梁作為支撐梁。將敏感梁的長度和寬度減小，厚度不變，并在梁上引入應(yīng)力集中孔，得到如圖4所示的加速度計芯片結(jié)構(gòu)圖。質(zhì)量塊通過寬大的支撐梁和短小的敏感梁共同支撐：支撐梁沿著質(zhì)量塊一組對邊布置，且位于質(zhì)量塊的四角位置；敏感梁沿著質(zhì)量塊的另一組對邊對稱排布，且每根敏感梁均布置有敏感電阻，敏感電阻環(huán)繞應(yīng)力集中孔進行布置。4個敏感電阻由金屬引線連接形成一個惠斯通全橋電路。該結(jié)構(gòu)在一定程度上緩解了固有頻率與測量靈敏度之間的制約關(guān)系。加速度計芯片的質(zhì)量塊的尺寸為3 000 μm×2 500 μm×380 μm，支撐梁的尺寸為 400 μm×120 μm×22 μm，敏感梁的尺寸為 250 μm×110 μm×22 μm，應(yīng)力集中孔的尺寸為 87 μm×55 μm×22 μm[10]。

圖4 加速度計芯片結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 仿真分析

基于設(shè)計加速度計的芯片參數(shù)，采用Ansys workbench軟件進行了仿真分析。采用模態(tài)分析來對設(shè)計的加速度計結(jié)構(gòu)的固有頻率進行分析。表1給出了加速度計芯片模態(tài)分析得到的前四階固有頻率。加速度計芯片結(jié)構(gòu)的一階振型如圖5所示，通過仿真分析得到加速度計芯片結(jié)構(gòu)的一階固有頻率為13.59 kHz，滿足設(shè)計要求。

表1 加速度計芯片模態(tài)分析前四階固有頻率

圖5 加速度芯片結(jié)構(gòu)模態(tài)分析一階振型

2 加速度計的制作和封裝

2.1 加速度計的制作

加速度計的制作流程如圖6所示，加工所用的硅片為 n型，（100）晶面，直徑 100 mm（4英寸）的雙面拋光單晶硅片，厚度為380 μm；鍵合玻璃為Pyrex 7740玻璃。加速度計芯片主要工藝流程如下：

圖6 加速度計芯片工藝流程圖

1）硅片熱氧化。通過熱氧化提高后續(xù)壓阻離子注入的均勻性，同時得到厚度為500 ?二氧化硅層可以保護硅片表面。

2）制作敏感電阻p-。光刻硅片正面，對敏感電阻區(qū)域開窗，進行硼離子注入，形成敏感電阻，然后進行高溫退火。最終敏感電阻表面濃度約為5×1018/cm3，方塊電阻約為215 Ω/sq。每根電阻條寬度均為10 μm。

3）制作歐姆接觸區(qū)p+。歐姆接觸區(qū)是用來減小敏感電阻與金屬導(dǎo)線之間的連接電阻，防止器件失效。首先光刻出歐姆接觸區(qū)，然后進行硼離子注入。之后再次將硅片置于氧化爐中，進行雙面高溫氧化形成氧化保護層。

4）背腔干法刻蝕。采用深層反應(yīng)離子刻蝕方法對背腔進行刻蝕。

5）腐蝕玻璃。在Pyrex 7740玻璃上腐蝕凹槽的方式來為加速度計提供阻尼間隙，玻璃的腐蝕深度為 22 μm。

6）陽極鍵合。在350 ℃下，將硅片和Pyrex 7740玻璃片進行鍵合。

7）制作引線過孔、濺射金屬引線和制作焊盤。光刻除去引線孔區(qū)域SiO2，刻蝕引線孔。清洗、烘干硅片之后進行金屬濺射。采用Ti作為金屬引線的接觸金屬；選取Pt作為金屬引線的阻擋層金屬；選取Au作為金屬引線的頂層金屬。

8）劃片。沿預(yù)先加工的劃片槽對硅晶圓進行劃片，形成單個硅芯片。

如圖7所示，圖7（a）為加工完成的芯片實物照片，圖7（b）為劃片之后的芯片照片。

圖7 加工完成的加速度計芯片

2.2 加速度計的封裝

加速度計的封裝方案如圖8所示，外殼的材料為尼龍材料，該材料具有質(zhì)量輕、強度高、韌性好的特點，而且尺寸穩(wěn)定性好、機械性能好、有彈性并且阻燃絕緣，具有很好的抗沖擊性和化學(xué)穩(wěn)定性。PCB板能為加速度計提供可靠的電氣鏈接。加速度計芯片、PCB板與外殼相互粘接成為一體結(jié)構(gòu)，這樣既可以有效保護彈性敏感元件，使整體結(jié)構(gòu)能夠承受沖擊，又能真實反映外界振動。封裝的主要步驟如下：1）清洗加速度計芯片；2）將加速度計芯片用MBond610膠粘貼于PCB板上；3）引線鍵合；引線焊絲采用金絲，通過超聲波焊接技術(shù)將金絲分別與加速度計芯片和PCB板上的焊盤連接；4）采用MBond610膠將PCB板粘貼在外殼底部，外接的導(dǎo)線與PCB板上的焊盤焊接，通過外殼引出。

圖8 加速度計芯片封裝示意圖

3 加速度計測試方法

3.1 加速度計靜態(tài)性能測試方法

采用離心機測試法對加速度計的靜態(tài)性能進行測試。本文采用的離心機系統(tǒng)是由蘇州東菱振動試驗儀器有限公司研發(fā)的SY30-3離心式恒加速度試驗機，試驗機分為控制器和工作轉(zhuǎn)臺兩部分。SY30-3離心式恒加速度試驗機的主要結(jié)構(gòu)包括測速系統(tǒng)、電動機、減速機、工作轉(zhuǎn)盤和導(dǎo)電滑環(huán)，可用加速度范圍為0～200 g，最小加速度間隔為3 g。如圖9所示為加速度計靜態(tài)性能測試系統(tǒng)。實驗時，由控制器產(chǎn)生控制信號，驅(qū)動轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生加速度信號。系統(tǒng)中加速度計由直流電源（ITECH IT6322，臺灣）供電，激勵電壓為8 V；加速度計的輸出由臺式萬用表（FLUKE 8845A，美國）檢測。實驗的加速度測試范圍為0～30 g。實驗時，加速度輸入由0 g開始，加速度過渡時間20 s，穩(wěn)定時間15 s，直到加速度為30 g，之后逐步減小轉(zhuǎn)速。為了充分消除實驗中存在的各種隨機誤差，進行了3次逐步提高轉(zhuǎn)速和逐步減小轉(zhuǎn)速過程，每次采用的參數(shù)條件均一致。對測試得到的數(shù)據(jù)進行分析和計算，可以得出加速度計的測量靈敏度、線性度、重復(fù)性、遲滯等參數(shù)。

圖9 加速度計靜態(tài)性能測試系統(tǒng)

3.2 加速度計動態(tài)性能測試方法

加速度計的動態(tài)特性是指受到動態(tài)加速度下的響應(yīng)特性。在人體運動姿勢捕捉過程中，由于人體是在不斷運動的，產(chǎn)生的加速度信號是動態(tài)信號，這時就需要設(shè)計的加速度計不僅能精確地測量信號幅值的大小，而且要對大范圍的頻率變化具有良好的響應(yīng)。

采用簡諧激勵法測量加速度計的固有頻率，通過施加掃頻簡諧信號激振加速度計，引起共振，從而得到加速度計的固有頻率。實驗采用北京波普科技公司生產(chǎn)的WS-5926C傳感器標定系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括激振器、功率放大器、標定控制器、信號調(diào)理電路及計算機，其測試原理是通過計算機系統(tǒng)向標定儀發(fā)出一個掃頻正弦信號，控制儀產(chǎn)生響應(yīng)的掃頻信號，并通過功率放大器放大后驅(qū)動激振器工作，從而產(chǎn)生動態(tài)的振動信號。實驗時，標準加速度計與被測加速度計固定于激振器頂端，同時受到掃頻正弦加速度信號作用。本文將被測加速度計的輸出與標準加速度計的輸出之比作為考量加速度計固有頻率的參數(shù)，當外界加速度信號的頻率與加速度計的固有頻率相等時，加速度計本身會發(fā)生共振，此時其輸出會變大，從而導(dǎo)致輸出比值的劇增。圖10為簡諧激勵法測試系統(tǒng)。

圖10 簡諧激勵法測試系統(tǒng)圖

實驗時，需要將標準加速度計和被測加速度計上下固定于激振器頂端。因此設(shè)計了固定被測加速度計的夾具，標準加速度計通過螺紋連接至激振器，被測加速度計通過螺栓固定于上下夾板中間[14]。激勵信號固定幅值為2.5 V，頻率變化范圍為0～16 kHz。

4 測試結(jié)果與討論

加速度計在8 V電源輸入下的輸出電壓與輸入加速度信號關(guān)系如圖11所示。計算得到，加速度計單位電壓下靈敏度達到了0.21 mV/(g·V)。圖12為加速度計的掃頻實驗結(jié)果圖，從圖中可以看出，加速度計的掃頻曲線的峰值出現(xiàn)在14.22 kHz，即加速度計的固有頻率為14.22 kHz，表明加速度計在0～14.22 kHz內(nèi)的輸入頻率下都能有較好的響應(yīng)特性且不被破壞。加速度計各項性能指標如表2所示，證明了孔縫復(fù)合八梁結(jié)構(gòu)能夠有效緩解固有頻率與測量靈敏度之間的制約關(guān)系。

表2 加速度計性能指標

圖11 8V電壓輸入下加速度計的輸入輸出曲線

圖12 加速度計的掃頻實驗結(jié)果圖

目前，MEMS壓阻式加速度傳感器的研究十分廣泛，國內(nèi)外眾多科研機構(gòu)都開展了相關(guān)研究工作，相繼出現(xiàn)了多種加速度傳感器樣機。結(jié)合目前國內(nèi)外的研究成果和部分成熟產(chǎn)品，與本文研制的加速度計的綜合性能進行了比較。如表3所示，本文研制的加速度計在綜合性能上具有明顯優(yōu)勢，既具有較高的靈敏度又具有足夠高的固有頻率。

表3 加速度計性能指標比較

5 結(jié)束語

將加速度計用于體育教學(xué)和運動訓(xùn)練中對人體姿勢進行捕捉，有助于提升體育鍛煉成績，提高體育教學(xué)質(zhì)量。為了實現(xiàn)對多種快速變化的運動姿勢的捕捉，要求加速度計具備高靈敏度和高頻響的特性。本文研制了一種基于MEMS技術(shù)的孔縫復(fù)合八梁結(jié)構(gòu)微型化加速度計，在傳統(tǒng)八梁結(jié)構(gòu)上引入應(yīng)力集中孔，有效地緩解了固有頻率與測量靈敏度之間的制約關(guān)系。完成了加速度計芯片的設(shè)計、加工和封裝，并對其靜態(tài)性能和動態(tài)性能進行了測試。測試結(jié)果表明，該加速度計單位電壓下靈敏度達到了 0.21 mV/(g·V)，固有頻率高達 14.22 kHz，實現(xiàn)了高靈敏度和高頻響的特性。該加速度計體積小、功耗低，適合穿戴于人體上進行姿勢捕捉。