MEMS惯性器件典型参数测试技术研究∗

陈 波 刘路扬 吕 兵 杨景阳 吕 乐

（中国航天科工集团第二研究院二〇一所 北京 100854）

1 引言

微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统［1～2］。MEMS惯性器件指采用MEMS技术制造的将惯性运动装置与信号处理集成电路集成为一体的器件，典型代表是MEMS陀螺器件，具有体积小、重量轻、功耗低等诸多优势，近年来成为传感器领域的热门研究方向。其诸多的优点使其在航空航天、军用技术等领域的应用越来越广泛，在汽车、消费品和娱乐产品等民用市场也开始依赖这类器件，应用前景广阔。

MEMS器件由于其内部结构及应用特点的不同，其可靠性保证手段不同于常规的集成电路［4］，尤其在测试方面，需要借助外部的激励源对其施加特定激励，而且MEMS器件的测试项目普遍较多，测试难度大、耗时长，这对MEMS器件的测试工程化提出了挑战。本文选取一款在军用技术领域使用广泛的某型号MEMS陀螺器件作为研究对象，分析了其被测参数，研究了典型参数测试方法，并针对性地设计了硬件方案和软件方案。

2 MEMS陀螺器件概述及参数测试方法

MEMS陀螺器件的基本原理是利用科里奥利力进行能量的传递，将谐振器的一种振动模式激励到另一种振动模式，后一种振动模式的振幅与输入角速度的大小成正比，通过测量振幅实现对角速度的测量。

图1 质点旋转运动示意图

如图1所示，假设旋转物体有径向速度vr，那么将会产生切向科里奥利加速度：

从式（1）可以看到科里奥利加速度的大小正比于物体旋转的角速度，如果在切向安装一个加速度计测出科里奥利加速度，那么就可以间接得到物体旋转的角速度［5］，基于这一原理进行结构设计，然后采用MEMS加工工艺就可制作出MEMS陀螺器件。

2.1 MEMS陀螺器件的参数分析

MEMS陀螺器件的参数有很多，具体参数与意义如下：

1）Dynamic Range（动态测量范围）：陀螺正、反向输入角速率的最大值，该值越大表示陀螺敏感速率的能力越强；

2）Sensitivity（灵敏度）：表示在规定的输入角速率下能敏感的最小输入角速率的增量，实际使用中应根据实际使用情况选择测量范围，对同一款MEMS陀螺器件而言，选择的测量范围越大，灵敏度越低；

3）SoDr（温度敏感性）：环境温度导致的灵敏度的变化率；

4）Misalignment（封装误差）：该误差主要包括两个方面，一是陀螺器件芯片内Z轴加速度计所测量的重力加速度方向与实际的重力加速度方向的夹角误差，另一个是裸片对角线与封装对角线的夹角误差；

5）Nonlinearity（非线性度）：陀螺输入与输出的角速率的比值称为刻度因子，该比值是根据整个输入角速率范围内测得的输入/输出数据，通过最小二乘法拟合求出的直线斜率，刻度因子拟合的残差决定了该拟合数据的可信程度，表征了陀螺实际输入/输出数据的偏离程度，即为陀螺器件的非线性度；

6）Initial Bias Error（初始零偏误差）：指陀螺器件在零输入状态下的输出，即为初始零偏误差；

7）In-Run Bias Stability（零偏稳定性）：在零输入状态下的长时间稳态输出是一个平稳的随机过程，即稳态输出将围绕均值（零偏）起伏波动，用均方差表示，这种均方差被定义为零偏稳定性；

8）Band Width（带宽）：带宽指陀螺能够精确测量输入角速度的频率范围，这个范围越大表明陀螺的动态响应能力越强；

9）Bias Voltage Sensitivity（偏置电压灵敏度）：指陀螺器件的输出对供电电源变化的敏感程度；

10）Resonant Frequency（谐振频率）：指内部传感器的谐振频率；

11）Vdd（供电电压）：器件的工作电压范围；

12）Idd（电源电流）：器件工作时的电源电流。

根据不同参数的特性，可以将MEMS陀螺器件的主要参数分为四类，如图2所示。

图2 MEMS陀螺器件特性参数分类

2.2 MEMS陀螺器件参数测试方法

不同于一般的集成电路测试方法，MEMS陀螺器件的测试较为复杂，不同的特性参数的测试需要采用不同的测试工具及方法。

1）输出特性参数测试方法

MEMS陀螺器件的输出特性参数包括动态测量范围、灵敏度、非线性度、初始零偏误差、零偏稳定性、偏置电压灵敏度等参数，在对这些参数进行测试时，通过双轴速率转台提供外部激励，选用双轴速率转台一方面可以减小测试工装的设计难度，而且还能大幅提高测试效率，同时也能够提升测试效果。

2）频率特性参数测试方法

MEMS陀螺器件的频率特性参数包括谐振频率、带宽、角度随机游走系数等，一般的MEMS陀螺器件的带宽在几百甚至上千Hz，谐振频率更是高达几十kHz甚至更高，一般的速率转台很难提供如此高且精确的变化频率，因此对于这类参数的测试选择使用振动台进行测试。

3）直流特性参数测试方法

MEMS陀螺器件的直流特性参数一般是指器件的供电电压以及电源电流等，对该类参数的测试可以采用通用的集成电路测试方法。

4）温度特性参数测试方法

温度特性参数主要是指MEMS陀螺器件的温度敏感性，陀螺器件的灵敏度会随着温度变化，对该类参数的测试需要外界环境温度实现可控反馈，最直接有效的方法是使用温箱。搭建测试平台时需要将双轴速率转台以及振动台置于温箱内，实时改变环境温度测试灵敏度从而完成对温度特性参数的测试。

3 硬件测试平台的搭建

由上文中对MEMS陀螺器件的各类参数测试方法分析可知，MEMS陀螺器件的测试硬件平台需要一台双轴速率转台、一台振动台、温箱以及夹持工装，此外，测试信号的激励获取以及控制也需要外部提供，可以选用NI的PXI平台实现，该平台具有模块化的特点，接口资源丰富，可以根据测试需求进行灵活配置，后续升级容易，而且相对于大多数ATE而言价格低廉，非常适用于搭建MEMS陀螺器件测试平台。

3.1 PXI板卡选择

NI的PXI板卡类型较多，可以根据被测参数的测试要求进行灵活选择。本文选取的MEMS陀螺器件的分辨率和零位稳定性为0.01dps，动态测量范围为500dps，通过计算可得陀螺的标度因数为2.61mV/dps，因此要求NI数据采集卡的电压测量有效值的分辨率和稳定性为26.1μV，量程为1.305 V，换为峰值量程应为1.845V。NI的动态信号采集卡PXI 4461最大采样率为204.8 kHz，24位A/D分辨率，4个模拟通道，量程最大可配置为±10V，对本文的被测MEMS陀螺器件的测试而言能够满足要求［6～10］。PXIe-4143 是一款 SMU 电源模块，具有 4路SMU通道，能够提供±24V、±150mA的四象限功率输出，满足测试需求。PXIe-6556是一款24通道的高速数字IO，能够实现器件数字管脚的功能验证测试，此外PXI平台的机箱和控制器选用比较主流的PXIe108e和PXIe8135，这两个板卡接口资源丰富，处理能力强大，能够同时实现对双轴转台以及振动台的控制［12］。

3.2 测试夹持工装的设计

测试夹持工装是连接被测MEMS陀螺器件和双轴速率转台的或者振动台的纽带，其可靠性和稳定性直接关系到测试的效果优劣甚至关乎成败，在设计时，应遵循以下原则［13］：

1）对被测器件夹持牢固，定位清晰可靠；

2）工装外形合理，使用简便，且具有微调结构；

3）模拟仿真工装在实际使用过程中的质心分布，合理配重，避免在双轴转台上的运行过程中出现偏心现象，损坏转台，且影响测试精度及稳定性；

4）综合考虑双轴转台的有效载荷及台面尺寸，合理设计工装结构及控制重量。

3.3 测试系统硬件平台

图3 MEMS陀螺器件测试系统硬件平台示意图

由于在测试过程中MEMS陀螺器件的不同的特性参数在测试时需要不同的设备，因此要完成一个MEMS陀螺器件的完整测试需要分步进行。在双轴转台与振动台上分别设置测试位A、B，两个测试位上均安装有符合可靠性要求的测试夹持工装，在测试完某一特性参数后调整位置，然后进行下一特性参数的测试，直至完成整个测试过程。在测试平台中，双轴转台与振动台均置于温箱内，被测器件的信号通过夹持工装同双轴转台或振动台相连，然后双轴转台通过自身的滑环同外部建立通信，振动台将直接同外部建立通信。双轴转台、振动台以及温箱的控制信号以及被测器件的测试信号同外部的PXI的控制器及特定板卡相连，从而实现利用PXI对整个测试平台的控制，整个硬件平台搭建示意图如图3所示。

4 测试软件设计

软件方面通过LabVIEW语言实现对系统的控制，主要实现测试板卡控制、温箱控制、双轴转台控制、振动台控制、数据存储分析、测试报告生成等功能。软件设计有以下几个关键点［13～15］：

1）对硬件设备的精确控制。外部激励是测试MEMS陀螺器件的基础，因此对双轴转台以及振动台的精确控制是性能测试有效性的重要保证；

2）对流程的准确控制。由于MEMS陀螺器件的被测参数较多，而且特性不同，需要在几种测试状态下穿插进行，被测器件在双轴转台和振动台转移时需要系统等待人为介入，这些断点及交互都需要在整体逻辑和流程中体现，因此对软件流程的准确控制关乎测试系统的功能可靠性；

3）大吞吐量的数据IO效率设计。在对MEMS陀螺器件的一些参数测试时，比如零偏稳定性、频率特性等参数，需要系统对其高密度采样，数据的吞吐量较大，需要设计合理的数据结构进行数据的存储和搬运；

4）数据的分析模块效率。由于MEMS陀螺器件的被测参数较多，完成整个测试需要很大的数据量，在工程化测试中要求高效率的完成数据分析并判断参数是否超差并给出数据报告，因此合理的算法设计和优化十分重要；

5）模块化设计。MEMS陀螺器件的硬件测试系统选用了灵活的基于PXI架构，便于后续测试系统的升级以适应更多型号的MEMS陀螺器件的测试需求，因此在软件的设计方面也要采用模块化的设计思路，便于后续升级。

图4 MEMS陀螺器件测试系统软件模块架构示意图

综合考虑软件设计的5条关键点，MEMS陀螺器件测试系统的软件部分采用模块化的设计思路，按照功能特性划分了1个主控模块和8个功能子模块，模块架构示意图如图4所示。模块之间独立运作，彼此间的通信通过队列完成，通信模式采用一对多的方式，能够最大限度地降低模块之间的耦合度，提升了软件的鲁棒性，也便于软件的后续升级。

5 结语

本文选取了某款MEMS陀螺器件作为测试研究对象，分析了其测试参数，按照参数的特性对各个参数进行了分类，并针对性的提出了测试方法。此外，提出了一种基于NI的PXI的MEMS陀螺器件测试平台，借助双轴速率转台、振动台以及温箱搭建了MEMS陀螺器件测试系统的硬件平台，对硬件平台的硬件选型进行了阐述。系统的软件部分采用LabVIEW语言编写，采用了模块化的思路对控制软件进行了模块划分，并对系统的测试软件部分的设计要点进行了论述，对MEMS陀螺器件的测试工作具有指导性意义。