MEMS加速度计敏感元件测试仪的设计与实现

　　0　引　言

　　MEMS加速度计作为MEMS系统的一个重要部分,具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等特点。本课题组所研究的MEMS加速度计系统由5大部分组成,它们分别是:敏感元件(表头),电容检测器,校正网络,静电力发生器和信号调理电路,其系统框图如图1所示。

　　其中,MEMS敏感元件是MEMS加速度计系统的最关键部分,它的性能对加速度计的整体特性起着决定性的作用。MEMS加速度计是一个闭环系统,只有准确得出MEMS敏感元件的特性,才能设计适当的电容检测器、校正系统最终形成稳定的闭环系统[1]。

　　1　MEMS敏感元件分析和测试原理

　　1.1　MEMS敏感元件的数学模型

　　敏感元件是一个微机械的双侧梳齿结构,动齿由中央质量杆(齿枢)向外侧伸出,每个梳齿为可变电容的一个活动电极。固定齿与活动齿交错配置,如图2所示

　　当受到加速度作用时,敏感元件的支持框架从平衡位置发生移动,因此差动电容对中一个电容值增大另一电容值等量减小。通过电路感知差动电容量的变化就可以知道加速度的大小。

　　由于敏感元件的第一模态频率远远低于其他高阶模态频率,因而它在低频段时可以等效为由检测质量和挠性杆构成的一个质量—弹簧—阻尼系统,其等效的二阶系统的传递函数可以用公式(1)表示

　　1.2　MEMS敏感元件测试原理

　　敏感元件被静止放置在水平基面上,在敏感元件施力电极上加电压在摆片上产生静电力,通过施加的电压VF和摆片的位移x来估算敏感元件的性能参 数。其中VF的产生可以通过基于虚拟仪器的PCI信号源卡产生,而摆片位移x可以通过电容检测电路和基于虚拟仪器的PCI数据采集卡测出。然后通过程序实 现MEMS元件参数的测试功能。

　　2　MEMS敏感元件测试仪整体设计

　　MEMS敏感元件测试仪由工控机部分和信号调理箱部分组成。工控机内置PCI信号源卡和PCI数据采集卡,通过虚拟仪器开发软件实现采集卡的控 制发出激励信号和采集信号。信号调理箱中有运放电路、加力电路、电容测试电路以及相应的MEMS元件固定装置。信号调理箱由铝板制成,内置±5 V和±12 V线性电源,给MEMS敏感元件测试电路供电提供了方便,其内部隔层设计实现了很好的电磁屏蔽功能。硬件系统图如图3所示。

　　系统的工作流程为:通过编程使信号源卡输出激励信号,激励信号通过调理电路和加力电路加到待测系统提供激励,接受激励后MEMS元件的电容发生 变化,电容变化经电容测试电路转换成电压信号,并经运放电路调整后通过数据采集卡输入到计算机,在计算机中通过编程实现MEMS敏感元件参数的测试。