MEMS加速度计在不同量程下的温度影响性能测试方法

袁雪松

摘 要：惯性传感器件是应用最为广泛的微机电系统器件之一，MEMS加速度计则是惯性传感器件的杰出代表。文中阐述了MEMS加速度计在不同量程下的温度影响性能测试方法。

关键词：MEMS加速度计；静态；动态测试；温度影响

中图分类号：TP39；TH82 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）08-00-02

0 引 言

随着MEMS技术的发展，惯性传感器件在过去几年中成为最成功，应用最广泛的微机电系统器件之一，而MEMS加速度计则是惯性传感器件的杰出代表，广范应用于军事、航空、车辆控制、高铁、机器人、工业自动化等领域。MEMS加速度计的精度主要取决于制造工艺和测试标定精度，前者与传感器自身内部结构和加工精度、装配精度相关，后者则主要与传感器的测试方法、测试测量设备的准确度、数据处理方法相关。随着制造工艺水平日趋成熟，从创新材料、加工工艺等制造角度提高惯性器件的精度越来越困难，那么如何提高传感器精度呢？目前可从提高传感器测试测量设备的准确度、优化测试方法、建立完善的测试规范等方面来实现。

MEMS加速度计按原理可分为压阻式、电容式、谐振式等。其半导体和微机械结合工艺特点决定了其与传统加速度计性能的区别，如微结构的迟滞和温漂是影响微加速度计精度的重要因素，因此MEMS加速度计测试项目中增加了许多内容。对于MEMS传感器性能的测试，温度影响是重要一环，一方面确认传感器能够正常工作的温度范围，另一方面需根据各温度点的实际输出量与常温输出量进行比较，通过添加算法对其进行补偿，消除温度带来的测量偏差。

1 静态（重力法）测试温度影响项目

由于加速度计通频带的下限为0 Hz，采用带高低温试验箱的高精度转台（光学分度头）利用加速度计传感器与地球重力场方向的夹角，测得传感器的模拟或数字输出值。

1.1 热零点偏移

热零点输出偏移主要指传感器在零载荷工作情况下，由环境温度变化引起的零点输出变化，通常用单位温度的满量程输出百分比表示。一般以每10℃范围内产生的漂移为计量单位。

将待测加速度计放置在高低温试验箱中，保持零点输出为加速度传感器所受载荷0 g，将加速度计上电预热约30min；设置T1，T2，T3，…，Tn等多个温度点，当到达设置的目标温度点后，记录和存储加速度计的输出信号，然后等待下一个温度目标值到达，再次进行数据采集，直到将所有温度点的数据全部存储完毕。热零点偏移的计算公式如下：

式中，yTi为温度为Ti时零点的输出值；yT1为温度为T1时零点的输出值；YFS（T1）为温度为T1时满量程的输出值。

1.2 热满量程输出偏移

由环境变化所引起的满量程输出变化通常用单位温度的满量程输出百分比来表示。

将待测加速度计放置在高低温试验箱中，保持零点输出为加速度传感器所受载荷下限值，将加速度计上电预热约30min；设置T1，T2，T3，…，Tn等多个温度点，当所设置的目标温度点到达后，对加速度计的输出信号进行记录和存储，然后等待下一个温度目标值到达，再次进行数据采集，直到将所有温度点的数据全部存储完毕。将加速度传感器所受载荷变为上限值，按上述方法对加速度计的输出信号进行记录和存储。热满量程输出的计算公式如下：

式中，为温度为T2时满量程的输出值；为温度为T1时满量程的输出值；为温度为T1时满量程的输出值。

1.3 灵敏度的温漂

环境温度变化会引起加速度传感器的灵敏度发生变化。一般用温度每变化10℃引起的灵敏度变化量对额定输出的百分比来表示。

将加速度计上电预热约30 min。设置T1，T2，T3，…，Tn等多个温度点。

当所设置的目标温度点到达后，对采集加速度计1 g激励下输出的信号进行记录和存储，然后等待下一个温度目标值到达时，再次进行数据采集，直到完成所有温度点的数据采集。

将待测加速度计反向放置，设置T1，T2，T3，…，Tn等多个温度点，当所设置的目标温度点到达后对采集加速度计-1 g激励下的输出信号进行记录和存储，然后等待下一个温度目标值到达时，再次进行数据采集，直到完成所有温度点的数据采集为止。按下式计算传感器在不同温度下的灵敏度：

式中，STi为传感器在温度Ti下的灵敏度；UTi1为传感器温度Ti+1 g下的输出；UTi2为传感器在温度Ti时-1 g下的输出。

根据上式计算对应温度下传感器的灵敏度，代入灵敏度温漂系数计算公式：

式中，STi为温度为Ti时，传感器的灵敏度；S为在常温T下，传感器的灵敏度。

2 动态测试振动法中温度影响项目

振动法：将被校加速度计与标准加速度计背靠背刚性安装在标准振动台的台面中心，采用正弦激励，在设定频率和幅值条件下测得传感器的模拟或数字输出值。

灵敏度的温漂系数：通常采用比较法进行灵敏度温漂系数检测，通过隔热的试验夹具将被检传感器与参考传感器同轴刚性安装到振动台上，使被检传感器暴露在温度试验箱内，设置T1，T2，T3，…，Tn等多个温度点，启动温度试验箱。当所设置的目标温度点稳定后，振动台按照给定频率和幅值进行工作，对加速度传感器的输出信号进行记录和存储，然后等待下一个温度目标值到达时，重复上述步骤。

3 动态测试冲击法中温度影响项目

冲击法：对于高g值，加速度傳感器采用冲击发生装置（冲击台、霍普金森杆等）产生一个近似正弦、半正弦正矢或高斯的加速度波形，得到其输出信号值。

灵敏度的温漂系数：可采用冲击比较法进行灵敏度温漂系数检测，将被检传感器与参考传感器同轴刚性安装到霍普金森杆上，使被检传感器暴露在温度试验箱内，设置T1，T2，T3，…，Tn等多个温度点，启动温度试验箱。当所设置的目标温度点稳定后，按照给定冲击加速度和脉宽对加速度传感器的输出信号进行记录和存储，然后等待下一个温度目标值到达时，重复上述步骤。根据公式得到对应温度下灵敏度的温漂系数，为温度补偿提供原始数据。

4 结 语

通过文中所述检测方法，我们得到了加速度传感器温度影响量的相关数据，利用硬件或软件补偿的方法可在实际复杂环境条件下大幅提高MEMS加速度传感器的精度，满足传感器的使用要求。

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