一种宽量程MEMS组合加速度计的设计与优化

赵耀 张伟

北京信息科技大学传感器重点实验室，北京 100101

0 引言

MEMS是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。MEMS加速度传感器作为惯性传感器中的重要器件，其发展速度不断提高，随着该技术的应用范围不断拓宽，各种应用场景对MEMS加速度计的性能、精度和尺寸也提出了更高的需求，而由于结构、工作原理等原因，MEMS加速度计在实现载体姿态运动加速度的准确测量过程中容易受到环境温度的影响，导致存在零漂、功率过大等问题，因此实现对运动载体的加速度的准确测量的研究有着非常重要的意义[1]。对MEMS加速度传感器的研究是MEMS技术研究中最活跃的领域，高分辨率和大量程的MEMS加速度计是该研究的重点，同时，在MEMS加速度计的性能优化中，低温漂、低零偏和抗信号干扰等性能是研究的重点。本文根据项目需求，设计一款MEMS组合加速度计，能够实现在±60 g测量范围内满足-45～+85 ℃温度范围内线性度≤1% FS、交叉耦合≤5%、分辨率≤5 mg。

1 MEMS加速度计设计

1.1 MEMS加速度计工作原理

MEMS加速度计主要分为电容式、压电式和压阻式。其中，电容式相对于另外2种能够具备更好的性能。电容式MEMS加速度计的应用很广，可适用于非常宽的温度范围，灵敏度和抗冲击性能优异，但同时也较为复杂，制造成本更高[2]。电容式敏感机理是通过测量支撑梁间的电容变化来对应加速度的变化。电容式MEMS加速度计原理如图1所示。

电容式MEMS加速度计的基本工作原理是蚀刻到集成电路中一段可动基板，基板作为小质量块，由位移产生的电容变化来对应加速度值传出。与牛顿第二运动定律（F=ma）一致，当对传感器施加加速度时，会产生使质量块移位的力，支撑梁起着传统摆式加速度计中弹簧的作用，内部的流体充当阻尼器的作用，从而形成敏感加速度的结构[3]。

1.2 MEMS组合加速度计的硬件设计

系统总体由3个子模块组成，分别为加速度敏感模块、数字信号处理模块、输出模块。其中加速度敏感元件测得的加速度数据输出模拟信号和数字信号2种[4]。系统结构如图2所示。

为满足项目宽量程高精度的需求，敏感模块采用AD公司的ADXL355和ADXL1002两款MEMS加速度计组合切换测量的方案。

ADXL1002噪声密度低，并且提供优化的工业条件监测能力，加速度计器件均具有稳定、可重复的灵敏度，并且可以承受高达10,000 g的外部冲击。

ADXL355是一款数字输出的三轴加速度计，且自身带有一个温度传感器。加速度数据输出为20位，温度测量输出为12位，动态范围可以通过初始SPI命令以及测量频率范围来选择。ADXL355能够在全温度范围内提供良好的抗噪声性能，可满足多数精密测量场景的应用[5]。选用ADXL355在系统内提供±2 g测量范围内的高精度加速度数据，作为ADXL1002的补充，2块加速度计配合完成全量程下的加速度测量任务。

由于加速度计需要针对较高数字采样率的数据进行处理，综合考虑系统整体方案后，选用MSC1214作为MCU。MSC1214集成了24位8通道Δ-Σ ADC、16位DAC，采用5 V供电，内核为高性能8051处理器。根据课题目标，加速度计数据分为数字量和模拟量输出，模拟量须由MCU处理后经由DA转换输出，数字量输出将采用串口进行输出至上位机显示。此处采用RS485的收发芯片MAX485，可以通过USB将RS485从传感器接收到的数字量传至PC端，利用常见的串口助手工具可以显示和记录数字量。MCU与通信模块部分的原理图如图3所示。

加速度计设计中，所选用的组合加速度计ADXL355与ADXL1002分别输出数字信号和模拟信号。ADXL355的数字信号可以直接通过SPI传至MCU参与运算。ADXL1002的模拟信号需要采用MCU集成的24位A/D进行数据转换处理后才可以参与后续的运算。MCU通过执行程序整合2个加速度计的数据，向外输出的数据通过D/A进行模拟信号输出，同时通过RS485进行数字信号的输出。加速度计数据的处理过程如图4所示。

根据课题目标，经分析对照，选择一款真18位电压输出、相对精度最大值达到±0.5 LSB的AD5781作为DAC来对MSC1214模拟输出信号原始量进行D/A转换。AD5781的噪声很低，仅为。 同时，AD5781的低温度漂移特性符合本课题中对加速度计整体的温度漂移性能要求，是加速度计系统模拟输出信号DAC的高性价比选择。AD5781电路设计如图5所示。

加速度计电路的设计中，各模块对供电电源的需求不同，所以需综合考虑课题要求与各模块方案来进行电源模块的设计。所涉及到的模块与供电需求如图6所示。

加速度计系统采用+15 V直流供电。在电源模块的设计中，需要将+15 V电源经过3次变压，分别产生±15 V、+5 V、+3.3 V来为系统中各模块供电。首先考虑AD5781的电源需求，将+15 V电源电压转换为±15 V需要选择电压逆变器，经综合分析对比，选用ICL7662作为电压变换器。ICL7662是一款单片式电压逆变器，能够将+4.5～+20 V范围内的正电压转换为相应的-4.5～-20 V的负电压，是一款高效率的电压逆变器，是优于多数电压逆变方案的选择。ICL7662的电路设计如图7所示。

系统中，MSC1214与ADXL1002都是需要+5 V供电的模块，此处选用+15 V转+5 V的稳压芯片MAX6350。MAX6350是一款低噪声的电源稳压芯片，具有极低的温度漂移和出色的精度。器件采用埋藏式栅极技术，可实现最低的噪声性能，且器件负载保证了高达15 mA的源电流。MAX6350电路设计如图8所示。

根据系统选用的组合加速度计方案，ADXL355需要+3.3 V的供电，此处选用ADP151作为稳压电源转换芯片，将由MAX6350处理后的+5 V电压转为+3.3 V为ADXL355供电。ADP151是一款超低噪声、低压差线性稳压器，工作电压范围为2.2～5.5 V。ADP151可以在较宽的输入电压范围内工作，能够实现不设置外部噪声旁通电容器的情况下达到9 μV的超低噪声性能[6]。ADP151电路设计如图9所示。

在完成加速度计硬件部分的设计后，按照课题需求尺寸设计PCB并布线。加速度计采用2块双面板的电路设计，电路板边缘设置接线端，板间采用飞线连接，系统输出线采用DB9接口引出并包裹热缩管，完成制板与元器件焊接工作后的加速度计如图10所示。

在加速度计PCB的安装过程中，需保证电路板与底板相互平行，固定螺丝旋紧程度一致，最大可能减小硬件安装过程中产生的加速度计倾角。完成加速度计的硬件设计安装与测试后，开始对加速度计的软件算法进行设计与调试。

1.3 MEMS组合加速度计的软件设计

加速度计系统的软件编写主要包含信号提取、数字滤波运算、数据补偿处理以及信号输出等功能的实现。使用Keil软件建立工程文件，在头文件描述中添加需要用到的固件库，根据要实现的功能目标来编写对应函数，在主程序中按照加速度计的运行逻辑顺序进行编程和函数调用。程序的整体设计框图如图11所示。

选用组合加速度计方案，需要以±2 g为2只加速度计的切换点，故在程序设计中要加入数据判断程序来实现系统在不同量程间的切换。

根据ADXL355的数字输出灵敏度典型值256,000 LSB/g，设置ADXL355的数字量在256,000为判断点。系统在完成初始化后进入循环，首先确定加速度方向是否与敏感轴正方向同向，以此确定数据正负号。当数字量小于256,000时，选用ADXL355的加速度数据，并传至D/A模块进行转换输出，数字量通过串口输出。当数字量大于或等于256,000时，切换至ADXL1002数据，沿用正负号，计算其A/D转换后的数据，通过D/A输出模拟量，串口输出数字量。

1.4 高低温零位补偿算法设计

根据项目需求，全温范围内零偏变化小于5 mg，可根据模拟输出对应标度因数换算成模拟量后为电压量变化小于3 mV，未加入高低温零位补偿算法的加速度计无法满足项目需求，下面对其温度补偿算法的设计进行说明。

系统里的2块加速度计中，负责±2 g量程范围的ADXL355内部集成温度传感器，ADXL355集成了一个可用于读取传感器的环境温度数据的温度传感器，程序中将来自ADXL355的温度数据提取命名为“T”。ADXL355的0 g失调温度为0.15 mg/°C。在加速度计数据经MCU运算后，输出模拟量时选用的数模转换芯片为AD5781，将准备经由AD5781进行数模转换的原始数字量数据，即未补偿的加速度数据命名为“DAValue”。根据课题需求，组合加速度计在0 g状态时，开机模拟输出为2,500 mV ±500 mV，为设计温度补偿算法，加入一个可使AD5781输出2,500 mV的专用转换前初始数字量，命名为“V25”。温度补偿算法的框图如图12所示。

温度补偿算法的思路是在0 g状态下，通过在不同温度条件下测量加速度计零位对应的实际模拟量输出并记录，同时通过计算调整“V25”数值，使得在对应环境温度中加速度计的模拟输出能够不断逼近2,500 mV，记录并处理整个高低温区间的温度试验数据可得出温度补偿曲线，找出最优补偿曲线并将温度补偿程序写入传感器，从而满足高低温零偏的性能要求。

在计算得出温度补偿曲线后，一般需要进行一次预补偿，根据预补偿后测得的数据进行斜率优化，可以将预补偿超差的曲线修正到最优水平。基于预补偿的线性变化，通过直接修正斜率而非单点采集数据，能够尽快收敛找到最终补偿斜率值，优化实验过程，简化补偿步骤，提升补偿效率。考虑到传感器的整体性能，为提高运算速度，应尽量选用运算次数低的曲线。

2 MEMS加速度计性能测试

2.1 加速度计主要性能测试

加速度计的性能测试中，主要用到的设备有高精度三轴转台和恒温恒湿机。针对本课题设计的加速度计测试指标包括：测量范围及输出范围、线性度、零偏、交叉耦合、零点漂移、分辨率。

加速度计的测试中，使用Keil软件完成对加速度计程序的调试烧写，通过使用串口的RXD、TXD将PC与加速度计引出的数据端端子相连，确认选择连接的COM口号，加速度计PSEN端接地，上电实现程序的烧写。本次选用4台试制的加速度计进行试验。按照GJB 360B-2009电子及电气元件检验方法和GJB 150.1A-2009、GJB 150.3A-2009、GJB 150.4A-2009军用装备实验室环境试验方法等相关标准对加速度计进行性能测试。

2.1.1 测量范围及输出范围

技术要求：测量范围为-60～+60 g；模拟电压输出为（0.5 VDC±0.5 VDC）～（+4.5 VDC±0.5 VDC）；数字输出为（-55,000±5,000）～（+55,000±5,000）（双字节16进制补码）；RS485数字接口；数字输出采样周期≤2.5 ms。

测试数据如表1所示。

表1 加速度计测量范围及输出范围测试数据

测试结果表明，所有样品都能够达到测量范围与模拟输出和数字输出标准要求。

2.1.2 线性度

在广播电视行业，对于节目的要求审核非常高，节目传输的系统非常复杂，一套理想的传输系统需要具有一定的安全性，将整个系统分为三个方面，传送系统、发射系统和监控系统，在进行数字化覆盖建设时，需要遵循以下原则。

技术要求：线性度≤1% FS。

测试数据如表2所示。

表2 加速度计线性度测试数据

根据测试数据，计算得出的线性度均符合课题目标。

2.1.3 交叉耦合

技术要求：交叉耦合≤5%。

测试数据如表3所示。

表3 加速度计交叉耦合测试数据

根据测试数据，计算得出的交叉耦合均符合课题目标。

2.1.4 分辨率

技术要求：分辨率≤5 mg。

测试数据如表4所示。

表4 加速度计分辨率测试数据

根据测试数据，计算得出的分辨率均符合课题目标。

2.2 零位温度补偿测试

图13～图16给出4台加速度计多次温度试验数据曲线。

将4台MEMS组合加速度计加入温度补偿算法后，传感器高低温零偏得到了优化，满足课题需求。表5、表6分别为温度补偿前后的输出信号与均方差值。

表5 温度补偿前的输出信号（单位：mV）

表6 温度补偿后的输出信号（单位：mV）

将补偿前后的数据进行对比，可见加入温度补偿算法前的4台加速度计的高低温零点漂移最大均方差为2.16262，加入温度补偿算法后模拟输出电压零点漂移均低于3 mV，最大均方差为0.52915。由此可见，温度补偿算法能够明显降低MEMS组合加速度计的高低温零偏，优化了传感器高低温环境下的零漂稳定性。

3 结论

为满足大量程低温漂的MEMS加速度计性能需求，设计了一种宽量程MEMS组合加速度计，完成了硬件系统的搭建和软件算法的设计及其量程、线性度、交叉耦合、分辨率性能参数的测试，在±60 g测量范围内满足-45～+85 ℃温度范围内线性度≤1% FS、交叉耦合≤5%、分辨率≤5 mg。针对高低温零偏大的问题设计了一种零位温度补偿算法，实验验证了温度补偿的优化效果能够使模拟输出电压零点漂移均低于3 mV。本文的硬件电路设计中还有部分细节需要完善，软件算法的运行效率仍有优化的空间，需要在后续的工作中进行补充。