MEMS慣性器件典型參數測試技術研究?

陳 波 劉路揚 呂 兵 楊景陽 呂 樂

（中國航天科工集團第二研究院二〇一所 北京 100854）

1 引言

微機電系統（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）是將微電子技術與機械工程融合到一起的一種工業技術，它是指可批量制作的，集微型機構、微型傳感器、微型執行器、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［1～2］。MEMS慣性器件指采用MEMS技術制造的將慣性運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、功耗低等諸多優勢，近年來成為傳感器領域的熱門研究方向。其諸多的優點使其在航空航天、軍用技術等領域的應用越來越廣泛，在汽車、消費品和娛樂產品等民用市場也開始依賴這類器件，應用前景廣闊。

MEMS器件由于其內部結構及應用特點的不同，其可靠性保證手段不同于常規的集成電路［4］，尤其在測試方面，需要借助外部的激勵源對其施加特定激勵，而且MEMS器件的測試項目普遍較多，測試難度大、耗時長，這對MEMS器件的測試工程化提出了挑戰。本文選取一款在軍用技術領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，研究了典型參數測試方法，并針對性地設計了硬件方案和軟件方案。

2 MEMS陀螺器件概述及參數測試方法

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

圖1 質點旋轉運動示意圖

如圖1所示，假設旋轉物體有徑向速度vr，那么將會產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的角速度，如果在切向安裝一個加速度計測出科里奧利加速度，那么就可以間接得到物體旋轉的角速度［5］，基于這一原理進行結構設計，然后采用MEMS加工工藝就可制作出MEMS陀螺器件。

2.1 MEMS陀螺器件的參數分析

MEMS陀螺器件的參數有很多，具體參數與意義如下：

1）Dynamic Range（動態測量范圍）：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；

2）Sensitivity（靈敏度）：表示在規定的輸入角速率下能敏感的最小輸入角速率的增量，實際使用中應根據實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）：環境溫度導致的靈敏度的變化率；

4）Misalignment（封裝誤差）：該誤差主要包括兩個方面，一是陀螺器件芯片內Z軸加速度計所測量的重力加速度方向與實際的重力加速度方向的夾角誤差，另一個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，該比值是根據整個輸入角速率范圍內測得的輸入/輸出數據，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據的可信程度，表征了陀螺實際輸入/輸出數據的偏離程度，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下的輸出，即為初始零偏誤差；

7）In-Run Bias Stability（零偏穩定性）：在零輸入狀態下的長時間穩態輸出是一個平穩的隨機過程，即穩態輸出將圍繞均值（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，這個范圍越大表明陀螺的動態響應能力越強；

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）：器件工作時的電源電流。

根據不同參數的特性，可以將MEMS陀螺器件的主要參數分為四類，如圖2所示。

圖2 MEMS陀螺器件特性參數分類

2.2 MEMS陀螺器件參數測試方法

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雜，不同的特性參數的測試需要采用不同的測試工具及方法。

1）輸出特性參數測試方法

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

2）頻率特性參數測試方法

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

3）直流特性參數測試方法

MEMS陀螺器件的直流特性參數一般是指器件的供電電壓以及電源電流等，對該類參數的測試可以采用通用的集成電路測試方法。

4）溫度特性參數測試方法

溫度特性參數主要是指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，對該類參數的測試需要外界環境溫度實現可控反饋，最直接有效的方法是使用溫箱。搭建測試平臺時需要將雙軸速率轉臺以及振動臺置于溫箱內，實時改變環境溫度測試靈敏度從而完成對溫度特性參數的測試。

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臺、一臺振動臺、溫箱以及夾持工裝，此外，測試信號的激勵獲取以及控制也需要外部提供，可以選用NI的PXI平臺實現，該平臺具有模塊化的特點，接口資源豐富，可以根據測試需求進行靈活配置，后續升級容易，而且相對于大多數ATE而言價格低廉，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，可以根據被測參數的測試要求進行靈活選擇。本文選取的MEMS陀螺器件的分辨率和零位穩定性為0.01dps，動態測量范圍為500dps，通過計算可得陀螺的標度因數為2.61mV/dps，因此要求NI數據采集卡的電壓測量有效值的分辨率和穩定性為26.1μV，量程為1.305 V，換為峰值量程應為1.845V。NI的動態信號采集卡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通道的高速數字IO，能夠實現器件數字管腳的功能驗證測試，此外PXI平臺的機箱和控制器選用比較主流的PXIe108e和PXIe8135，這兩個板卡接口資源豐富，處理能力強大，能夠同時實現對雙軸轉臺以及振動臺的控制［12］。

3.2 測試夾持工裝的設計

測試夾持工裝是連接被測MEMS陀螺器件和雙軸速率轉臺的或者振動臺的紐帶，其可靠性和穩定性直接關系到測試的效果優劣甚至關乎成敗，在設計時，應遵循以下原則［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，且具有微調結構；

3）模擬仿真工裝在實際使用過程中的質心分布，合理配重，避免在雙軸轉臺上的運行過程中出現偏心現象，損壞轉臺，且影響測試精度及穩定性；

4）綜合考慮雙軸轉臺的有效載荷及臺面尺寸，合理設計工裝結構及控制重量。

3.3 測試系統硬件平臺

圖3 MEMS陀螺器件測試系統硬件平臺示意圖

由于在測試過程中MEMS陀螺器件的不同的特性參數在測試時需要不同的設備，因此要完成一個MEMS陀螺器件的完整測試需要分步進行。在雙軸轉臺與振動臺上分別設置測試位A、B，兩個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后調整位置，然后進行下一特性參數的測試，直至完成整個測試過程。在測試平臺中，雙軸轉臺與振動臺均置于溫箱內，被測器件的信號通過夾持工裝同雙軸轉臺或振動臺相連，然后雙軸轉臺通過自身的滑環同外部建立通信，振動臺將直接同外部建立通信。雙軸轉臺、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，從而實現利用PXI對整個測試平臺的控制，整個硬件平臺搭建示意圖如圖3所示。

4 測試軟件設計

軟件方面通過LabVIEW語言實現對系統的控制，主要實現測試板卡控制、溫箱控制、雙軸轉臺控制、振動臺控制、數據存儲分析、測試報告生成等功能。軟件設計有以下幾個關鍵點［13～15］：

1）對硬件設備的精確控制。外部激勵是測試MEMS陀螺器件的基礎，因此對雙軸轉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）對流程的準確控制。由于MEMS陀螺器件的被測參數較多，而且特性不同，需要在幾種測試狀態下穿插進行，被測器件在雙軸轉臺和振動臺轉移時需要系統等待人為介入，這些斷點及交互都需要在整體邏輯和流程中體現，因此對軟件流程的準確控制關乎測試系統的功能可靠性；

3）大吞吐量的數據IO效率設計。在對MEMS陀螺器件的一些參數測試時，比如零偏穩定性、頻率特性等參數，需要系統對其高密度采樣，數據的吞吐量較大，需要設計合理的數據結構進行數據的存儲和搬運；

4）數據的分析模塊效率。由于MEMS陀螺器件的被測參數較多，完成整個測試需要很大的數據量，在工程化測試中要求高效率的完成數據分析并判斷參數是否超差并給出數據報告，因此合理的算法設計和優化十分重要；

5）模塊化設計。MEMS陀螺器件的硬件測試系統選用了靈活的基于PXI架構，便于后續測試系統的升級以適應更多型號的MEMS陀螺器件的測試需求，因此在軟件的設計方面也要采用模塊化的設計思路，便于后續升級。

圖4 MEMS陀螺器件測試系統軟件模塊架構示意圖

綜合考慮軟件設計的5條關鍵點，MEMS陀螺器件測試系統的軟件部分采用模塊化的設計思路，按照功能特性劃分了1個主控模塊和8個功能子模塊，模塊架構示意圖如圖4所示。模塊之間獨立運作，彼此間的通信通過隊列完成，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，也便于軟件的后續升級。

5 結語

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，按照參數的特性對各個參數進行了分類，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，借助雙軸速率轉臺、振動臺以及溫箱搭建了MEMS陀螺器件測試系統的硬件平臺，對硬件平臺的硬件選型進行了闡述。系統的軟件部分采用LabVIEW語言編寫，采用了模塊化的思路對控制軟件進行了模塊劃分，并對系統的測試軟件部分的設計要點進行了論述，對MEMS陀螺器件的測試工作具有指導性意義。