一種寬量程MEMS組合加速度計(jì)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

趙耀 張偉

北京信息科技大學(xué)傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101

0 引言

MEMS是集微傳感器、微執(zhí)行器、微機(jī)械結(jié)構(gòu)、微電源微能源、信號(hào)處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS加速度傳感器作為慣性傳感器中的重要器件，其發(fā)展速度不斷提高，隨著該技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷拓寬，各種應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)MEMS加速度計(jì)的性能、精度和尺寸也提出了更高的需求，而由于結(jié)構(gòu)、工作原理等原因，MEMS加速度計(jì)在實(shí)現(xiàn)載體姿態(tài)運(yùn)動(dòng)加速度的準(zhǔn)確測(cè)量過(guò)程中容易受到環(huán)境溫度的影響，導(dǎo)致存在零漂、功率過(guò)大等問(wèn)題，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)載體的加速度的準(zhǔn)確測(cè)量的研究有著非常重要的意義[1]。對(duì)MEMS加速度傳感器的研究是MEMS技術(shù)研究中最活躍的領(lǐng)域，高分辨率和大量程的MEMS加速度計(jì)是該研究的重點(diǎn)，同時(shí)，在MEMS加速度計(jì)的性能優(yōu)化中，低溫漂、低零偏和抗信號(hào)干擾等性能是研究的重點(diǎn)。本文根據(jù)項(xiàng)目需求，設(shè)計(jì)一款MEMS組合加速度計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)在±60 g測(cè)量范圍內(nèi)滿足-45～+85 ℃溫度范圍內(nèi)線性度≤1% FS、交叉耦合≤5%、分辨率≤5 mg。

1 MEMS加速度計(jì)設(shè)計(jì)

1.1 MEMS加速度計(jì)工作原理

MEMS加速度計(jì)主要分為電容式、壓電式和壓阻式。其中，電容式相對(duì)于另外2種能夠具備更好的性能。電容式MEMS加速度計(jì)的應(yīng)用很廣，可適用于非常寬的溫度范圍，靈敏度和抗沖擊性能優(yōu)異，但同時(shí)也較為復(fù)雜，制造成本更高[2]。電容式敏感機(jī)理是通過(guò)測(cè)量支撐梁間的電容變化來(lái)對(duì)應(yīng)加速度的變化。電容式MEMS加速度計(jì)原理如圖1所示。

電容式MEMS加速度計(jì)的基本工作原理是蝕刻到集成電路中一段可動(dòng)基板，基板作為小質(zhì)量塊，由位移產(chǎn)生的電容變化來(lái)對(duì)應(yīng)加速度值傳出。與牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律（F=ma）一致，當(dāng)對(duì)傳感器施加加速度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生使質(zhì)量塊移位的力，支撐梁起著傳統(tǒng)擺式加速度計(jì)中彈簧的作用，內(nèi)部的流體充當(dāng)阻尼器的作用，從而形成敏感加速度的結(jié)構(gòu)[3]。

1.2 MEMS組合加速度計(jì)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體由3個(gè)子模塊組成，分別為加速度敏感模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、輸出模塊。其中加速度敏感元件測(cè)得的加速度數(shù)據(jù)輸出模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)2種[4]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為滿足項(xiàng)目寬量程高精度的需求，敏感模塊采用AD公司的ADXL355和ADXL1002兩款MEMS加速度計(jì)組合切換測(cè)量的方案。

ADXL1002噪聲密度低，并且提供優(yōu)化的工業(yè)條件監(jiān)測(cè)能力，加速度計(jì)器件均具有穩(wěn)定、可重復(fù)的靈敏度，并且可以承受高達(dá)10,000 g的外部沖擊。

ADXL355是一款數(shù)字輸出的三軸加速度計(jì)，且自身帶有一個(gè)溫度傳感器。加速度數(shù)據(jù)輸出為20位，溫度測(cè)量輸出為12位，動(dòng)態(tài)范圍可以通過(guò)初始SPI命令以及測(cè)量頻率范圍來(lái)選擇。ADXL355能夠在全溫度范圍內(nèi)提供良好的抗噪聲性能，可滿足多數(shù)精密測(cè)量場(chǎng)景的應(yīng)用[5]。選用ADXL355在系統(tǒng)內(nèi)提供±2 g測(cè)量范圍內(nèi)的高精度加速度數(shù)據(jù)，作為ADXL1002的補(bǔ)充，2塊加速度計(jì)配合完成全量程下的加速度測(cè)量任務(wù)。

由于加速度計(jì)需要針對(duì)較高數(shù)字采樣率的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，綜合考慮系統(tǒng)整體方案后，選用MSC1214作為MCU。MSC1214集成了24位8通道Δ-Σ ADC、16位DAC，采用5 V供電，內(nèi)核為高性能8051處理器。根據(jù)課題目標(biāo)，加速度計(jì)數(shù)據(jù)分為數(shù)字量和模擬量輸出，模擬量須由MCU處理后經(jīng)由DA轉(zhuǎn)換輸出，數(shù)字量輸出將采用串口進(jìn)行輸出至上位機(jī)顯示。此處采用RS485的收發(fā)芯片MAX485，可以通過(guò)USB將RS485從傳感器接收到的數(shù)字量傳至PC端，利用常見(jiàn)的串口助手工具可以顯示和記錄數(shù)字量。MCU與通信模塊部分的原理圖如圖3所示。

加速度計(jì)設(shè)計(jì)中，所選用的組合加速度計(jì)ADXL355與ADXL1002分別輸出數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)。ADXL355的數(shù)字信號(hào)可以直接通過(guò)SPI傳至MCU參與運(yùn)算。ADXL1002的模擬信號(hào)需要采用MCU集成的24位A/D進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理后才可以參與后續(xù)的運(yùn)算。MCU通過(guò)執(zhí)行程序整合2個(gè)加速度計(jì)的數(shù)據(jù)，向外輸出的數(shù)據(jù)通過(guò)D/A進(jìn)行模擬信號(hào)輸出，同時(shí)通過(guò)RS485進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的輸出。加速度計(jì)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程如圖4所示。

根據(jù)課題目標(biāo)，經(jīng)分析對(duì)照，選擇一款真18位電壓輸出、相對(duì)精度最大值達(dá)到±0.5 LSB的AD5781作為DAC來(lái)對(duì)MSC1214模擬輸出信號(hào)原始量進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。AD5781的噪聲很低，僅為。 同時(shí)，AD5781的低溫度漂移特性符合本課題中對(duì)加速度計(jì)整體的溫度漂移性能要求，是加速度計(jì)系統(tǒng)模擬輸出信號(hào)DAC的高性價(jià)比選擇。AD5781電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

加速度計(jì)電路的設(shè)計(jì)中，各模塊對(duì)供電電源的需求不同，所以需綜合考慮課題要求與各模塊方案來(lái)進(jìn)行電源模塊的設(shè)計(jì)。所涉及到的模塊與供電需求如圖6所示。

加速度計(jì)系統(tǒng)采用+15 V直流供電。在電源模塊的設(shè)計(jì)中，需要將+15 V電源經(jīng)過(guò)3次變壓，分別產(chǎn)生±15 V、+5 V、+3.3 V來(lái)為系統(tǒng)中各模塊供電。首先考慮AD5781的電源需求，將+15 V電源電壓轉(zhuǎn)換為±15 V需要選擇電壓逆變器，經(jīng)綜合分析對(duì)比，選用ICL7662作為電壓變換器。ICL7662是一款單片式電壓逆變器，能夠?qū)?4.5～+20 V范圍內(nèi)的正電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的-4.5～-20 V的負(fù)電壓，是一款高效率的電壓逆變器，是優(yōu)于多數(shù)電壓逆變方案的選擇。ICL7662的電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

系統(tǒng)中，MSC1214與ADXL1002都是需要+5 V供電的模塊，此處選用+15 V轉(zhuǎn)+5 V的穩(wěn)壓芯片MAX6350。MAX6350是一款低噪聲的電源穩(wěn)壓芯片，具有極低的溫度漂移和出色的精度。器件采用埋藏式柵極技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)最低的噪聲性能，且器件負(fù)載保證了高達(dá)15 mA的源電流。MAX6350電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

根據(jù)系統(tǒng)選用的組合加速度計(jì)方案，ADXL355需要+3.3 V的供電，此處選用ADP151作為穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換芯片，將由MAX6350處理后的+5 V電壓轉(zhuǎn)為+3.3 V為ADXL355供電。ADP151是一款超低噪聲、低壓差線性穩(wěn)壓器，工作電壓范圍為2.2～5.5 V。ADP151可以在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)工作，能夠?qū)崿F(xiàn)不設(shè)置外部噪聲旁通電容器的情況下達(dá)到9 μV的超低噪聲性能[6]。ADP151電路設(shè)計(jì)如圖9所示。

在完成加速度計(jì)硬件部分的設(shè)計(jì)后，按照課題需求尺寸設(shè)計(jì)PCB并布線。加速度計(jì)采用2塊雙面板的電路設(shè)計(jì)，電路板邊緣設(shè)置接線端，板間采用飛線連接，系統(tǒng)輸出線采用DB9接口引出并包裹熱縮管，完成制板與元器件焊接工作后的加速度計(jì)如圖10所示。

在加速度計(jì)PCB的安裝過(guò)程中，需保證電路板與底板相互平行，固定螺絲旋緊程度一致，最大可能減小硬件安裝過(guò)程中產(chǎn)生的加速度計(jì)傾角。完成加速度計(jì)的硬件設(shè)計(jì)安裝與測(cè)試后，開始對(duì)加速度計(jì)的軟件算法進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)試。

1.3 MEMS組合加速度計(jì)的軟件設(shè)計(jì)

加速度計(jì)系統(tǒng)的軟件編寫主要包含信號(hào)提取、數(shù)字濾波運(yùn)算、數(shù)據(jù)補(bǔ)償處理以及信號(hào)輸出等功能的實(shí)現(xiàn)。使用Keil軟件建立工程文件，在頭文件描述中添加需要用到的固件庫(kù)，根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能目標(biāo)來(lái)編寫對(duì)應(yīng)函數(shù)，在主程序中按照加速度計(jì)的運(yùn)行邏輯順序進(jìn)行編程和函數(shù)調(diào)用。程序的整體設(shè)計(jì)框圖如圖11所示。

選用組合加速度計(jì)方案，需要以±2 g為2只加速度計(jì)的切換點(diǎn)，故在程序設(shè)計(jì)中要加入數(shù)據(jù)判斷程序來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在不同量程間的切換。

根據(jù)ADXL355的數(shù)字輸出靈敏度典型值256,000 LSB/g，設(shè)置ADXL355的數(shù)字量在256,000為判斷點(diǎn)。系統(tǒng)在完成初始化后進(jìn)入循環(huán)，首先確定加速度方向是否與敏感軸正方向同向，以此確定數(shù)據(jù)正負(fù)號(hào)。當(dāng)數(shù)字量小于256,000時(shí)，選用ADXL355的加速度數(shù)據(jù)，并傳至D/A模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出，數(shù)字量通過(guò)串口輸出。當(dāng)數(shù)字量大于或等于256,000時(shí)，切換至ADXL1002數(shù)據(jù)，沿用正負(fù)號(hào)，計(jì)算其A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，通過(guò)D/A輸出模擬量，串口輸出數(shù)字量。

1.4 高低溫零位補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目需求，全溫范圍內(nèi)零偏變化小于5 mg，可根據(jù)模擬輸出對(duì)應(yīng)標(biāo)度因數(shù)換算成模擬量后為電壓量變化小于3 mV，未加入高低溫零位補(bǔ)償算法的加速度計(jì)無(wú)法滿足項(xiàng)目需求，下面對(duì)其溫度補(bǔ)償算法的設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。

系統(tǒng)里的2塊加速度計(jì)中，負(fù)責(zé)±2 g量程范圍的ADXL355內(nèi)部集成溫度傳感器，ADXL355集成了一個(gè)可用于讀取傳感器的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的溫度傳感器，程序中將來(lái)自ADXL355的溫度數(shù)據(jù)提取命名為“T”。ADXL355的0 g失調(diào)溫度為0.15 mg/°C。在加速度計(jì)數(shù)據(jù)經(jīng)MCU運(yùn)算后，輸出模擬量時(shí)選用的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片為AD5781，將準(zhǔn)備經(jīng)由AD5781進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的原始數(shù)字量數(shù)據(jù)，即未補(bǔ)償?shù)募铀俣葦?shù)據(jù)命名為“DAValue”。根據(jù)課題需求，組合加速度計(jì)在0 g狀態(tài)時(shí)，開機(jī)模擬輸出為2,500 mV ±500 mV，為設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償算法，加入一個(gè)可使AD5781輸出2,500 mV的專用轉(zhuǎn)換前初始數(shù)字量，命名為“V25”。溫度補(bǔ)償算法的框圖如圖12所示。

溫度補(bǔ)償算法的思路是在0 g狀態(tài)下，通過(guò)在不同溫度條件下測(cè)量加速度計(jì)零位對(duì)應(yīng)的實(shí)際模擬量輸出并記錄，同時(shí)通過(guò)計(jì)算調(diào)整“V25”數(shù)值，使得在對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度中加速度計(jì)的模擬輸出能夠不斷逼近2,500 mV，記錄并處理整個(gè)高低溫區(qū)間的溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出溫度補(bǔ)償曲線，找出最優(yōu)補(bǔ)償曲線并將溫度補(bǔ)償程序?qū)懭雮鞲衅鳎瑥亩鴿M足高低溫零偏的性能要求。

在計(jì)算得出溫度補(bǔ)償曲線后，一般需要進(jìn)行一次預(yù)補(bǔ)償，根據(jù)預(yù)補(bǔ)償后測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行斜率優(yōu)化，可以將預(yù)補(bǔ)償超差的曲線修正到最優(yōu)水平?；陬A(yù)補(bǔ)償?shù)木€性變化，通過(guò)直接修正斜率而非單點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，能夠盡快收斂找到最終補(bǔ)償斜率值，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程，簡(jiǎn)化補(bǔ)償步驟，提升補(bǔ)償效率。考慮到傳感器的整體性能，為提高運(yùn)算速度，應(yīng)盡量選用運(yùn)算次數(shù)低的曲線。

2 MEMS加速度計(jì)性能測(cè)試

2.1 加速度計(jì)主要性能測(cè)試

加速度計(jì)的性能測(cè)試中，主要用到的設(shè)備有高精度三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和恒溫恒濕機(jī)。針對(duì)本課題設(shè)計(jì)的加速度計(jì)測(cè)試指標(biāo)包括：測(cè)量范圍及輸出范圍、線性度、零偏、交叉耦合、零點(diǎn)漂移、分辨率。

加速度計(jì)的測(cè)試中，使用Keil軟件完成對(duì)加速度計(jì)程序的調(diào)試燒寫，通過(guò)使用串口的RXD、TXD將PC與加速度計(jì)引出的數(shù)據(jù)端端子相連，確認(rèn)選擇連接的COM口號(hào)，加速度計(jì)PSEN端接地，上電實(shí)現(xiàn)程序的燒寫。本次選用4臺(tái)試制的加速度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)。按照GJB 360B-2009電子及電氣元件檢驗(yàn)方法和GJB 150.1A-2009、GJB 150.3A-2009、GJB 150.4A-2009軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)加速度計(jì)進(jìn)行性能測(cè)試。

2.1.1 測(cè)量范圍及輸出范圍

技術(shù)要求：測(cè)量范圍為-60～+60 g；模擬電壓輸出為（0.5 VDC±0.5 VDC）～（+4.5 VDC±0.5 VDC）；數(shù)字輸出為（-55,000±5,000）～（+55,000±5,000）（雙字節(jié)16進(jìn)制補(bǔ)碼）；RS485數(shù)字接口；數(shù)字輸出采樣周期≤2.5 ms。

測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 加速度計(jì)測(cè)量范圍及輸出范圍測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試結(jié)果表明，所有樣品都能夠達(dá)到測(cè)量范圍與模擬輸出和數(shù)字輸出標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1.2 線性度

在廣播電視行業(yè)，對(duì)于節(jié)目的要求審核非常高，節(jié)目傳輸?shù)南到y(tǒng)非常復(fù)雜，一套理想的傳輸系統(tǒng)需要具有一定的安全性，將整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)方面，傳送系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，在進(jìn)行數(shù)字化覆蓋建設(shè)時(shí)，需要遵循以下原則。

技術(shù)要求：線性度≤1% FS。

測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 加速度計(jì)線性度測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算得出的線性度均符合課題目標(biāo)。

2.1.3 交叉耦合

技術(shù)要求：交叉耦合≤5%。

測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 加速度計(jì)交叉耦合測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算得出的交叉耦合均符合課題目標(biāo)。

2.1.4 分辨率

技術(shù)要求：分辨率≤5 mg。

測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 加速度計(jì)分辨率測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算得出的分辨率均符合課題目標(biāo)。

2.2 零位溫度補(bǔ)償測(cè)試

圖13～圖16給出4臺(tái)加速度計(jì)多次溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線。

將4臺(tái)MEMS組合加速度計(jì)加入溫度補(bǔ)償算法后，傳感器高低溫零偏得到了優(yōu)化，滿足課題需求。表5、表6分別為溫度補(bǔ)償前后的輸出信號(hào)與均方差值。

表5 溫度補(bǔ)償前的輸出信號(hào)（單位：mV）

表6 溫度補(bǔ)償后的輸出信號(hào)（單位：mV）

將補(bǔ)償前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可見(jiàn)加入溫度補(bǔ)償算法前的4臺(tái)加速度計(jì)的高低溫零點(diǎn)漂移最大均方差為2.16262，加入溫度補(bǔ)償算法后模擬輸出電壓零點(diǎn)漂移均低于3 mV，最大均方差為0.52915。由此可見(jiàn)，溫度補(bǔ)償算法能夠明顯降低MEMS組合加速度計(jì)的高低溫零偏，優(yōu)化了傳感器高低溫環(huán)境下的零漂穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

為滿足大量程低溫漂的MEMS加速度計(jì)性能需求，設(shè)計(jì)了一種寬量程MEMS組合加速度計(jì)，完成了硬件系統(tǒng)的搭建和軟件算法的設(shè)計(jì)及其量程、線性度、交叉耦合、分辨率性能參數(shù)的測(cè)試，在±60 g測(cè)量范圍內(nèi)滿足-45～+85 ℃溫度范圍內(nèi)線性度≤1% FS、交叉耦合≤5%、分辨率≤5 mg。針對(duì)高低溫零偏大的問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種零位溫度補(bǔ)償算法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了溫度補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化效果能夠使模擬輸出電壓零點(diǎn)漂移均低于3 mV。本文的硬件電路設(shè)計(jì)中還有部分細(xì)節(jié)需要完善，軟件算法的運(yùn)行效率仍有優(yōu)化的空間，需要在后續(xù)的工作中進(jìn)行補(bǔ)充。