一种新型MEMS倾角仪的设计及测试

　　0　引　言

　　倾角仪经常用于系统的水平测量,从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”式三种[1-4].基于MEMS技术设计制造的倾角仪目前仍处于探索阶段,但是它具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高及结构相对简单、易于设计和加工等传统传感器无法比拟的优点,因而引起越来越广泛的关注,已有不少人在这方面作了大量的研究[5-7].

　　本文设计了一种新型MEMS倾角仪,利用SOI材料和SOI工艺加工出裸片,又经过后续封装制作而成.还探讨了该倾角仪的测量理论及角度解算方法,并进行了实验测量,将测量结果和实际值进行了比较分析,证实了该倾角仪能够较准确地测量倾角.且其测量范围为0°～360°,各个方位的敏感性都比较好,测量方法简单易行,采用简单的电路可实现智能的读数显示.

　　1　工作原理

　　本文设计的倾角仪是基于压阻原理的MEMS倾角仪.该倾角仪的三维结构如图1(a)所示.该结构由4个呈十字形的悬臂梁和中心质量块以及固定在质量块上的钢硬柱体结构组成,刚硬柱体相当于一个敏感放大器.在每根梁上分别扩散生成了两个压敏电阻,由对称的两个梁上的4个电阻构成惠斯登电桥.当该梁在重力作用下发生形变的时候,该路上的4个电阻由于梁的形变阻值发生变化,从而引起惠斯登电桥电压输出变化,检测两路电压输出变化,应用一定的算法就解算出空间角度.

　　该倾角仪在重力作用下刚硬柱体发生偏转,引起底部梁形变,该形变致使压敏电阻变化,这又引起惠斯登电桥输出值的改变,而压敏电阻阻织变化与倾角仪姿态有确定的联系,所以将输出电信号进行相关的分析就可解算出倾角仪自身姿态角度信息.

　　如图1所示,Ay方向的输出为

　　由此可以推知该倾角仪是可以准确计算xoy平面的姿态角度.该倾角仪的测量范围是0°～360°,这是比一般倾角仪独特的地方,这一特点的原理为:如图1所示,该倾角仪在xoy平面上转动时,在图示状态其输出电压最大,其值为VoutAy=RsRK(L)EWVCCmg,转过90°后为0,再转过90°后为VoutAY=-RsRK(L)EWVCCmg,转过270°后为0,转过360°后为VoutAy=RsRK(L)EWVCCmg;

　　另外一路的输出也有类似的变化规律.且输出电路上设有一输出参考电平Vref,所有的输出变化均叠加在参考电平之上,这样相对于参考电平增设一判决电路,两路输出在0°～360°范围内变化时其输出正负变化的规律即可确知其角度范围,其输出规律见表1.

　　由表1可知,通过判决电路和一定的程序控制可明确地解算出姿态角度所处象限,再对由式(16)得到的角度值修正就得出姿态角度.该倾角仪还有一大优点是:利用两个倾角仪组合即可确定空间姿态.如图1所示,再增加一个沿yoz面的倾角仪2,该倾角仪沿着ox方向;倾角仪1测量组合倾角仪的平面角,倾角仪2测量组合倾角面俯仰角,这样就可解算出倾角仪的空间角度.