郭占社，李逸倫，安 瑛，曹 樂

（北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191）

硅 MEMS（micro-electromechanical systems）加速度傳感器作為非常重要的一類慣性器件，主要用于對運(yùn)動載體運(yùn)動加速度的測量[1－3]。相對于傳統(tǒng)的機(jī)械式加速度傳感器，該類傳感器具有體積小、功耗低、集成度高以及成本低的優(yōu)勢[4－5]，成為目前慣性技術(shù)發(fā)展的主要方向。目前，國外許多著名研究機(jī)構(gòu)，包括美國加州大學(xué)伯克利分校、斯坦福大學(xué)、Draper國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、ADI公司、Litton公司、Sandia國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等都在進(jìn)行相關(guān)研究。許多高性能的MEMS加速度傳感器已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化[6－10]。

國內(nèi)在微慣性系統(tǒng)方面的研究起始于上世紀(jì)90年代，主要研究機(jī)構(gòu)包括清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等[11－13]。對于具有航空航天特色的我校本科生及研究生，了解該類傳感器的工作原理、制作工藝、數(shù)據(jù)處理和國內(nèi)外最新研究現(xiàn)狀是非常必要的。目前，國內(nèi)許多大學(xué)，比如浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系、清華大學(xué)精密儀器系、中國電子科技大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)等都在開設(shè)了微機(jī)電系統(tǒng)課程，并把MEMS加速度傳感器作為非常重要的內(nèi)容進(jìn)行講解，但都沒有相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。北京航空航天大學(xué)國家級精品課“傳感器技術(shù)及應(yīng)用”已把MEMS慣性傳感器作為重要的傳感器進(jìn)行詳細(xì)講解，但到目前為止，同樣沒有相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。由于MEMS器件的功能尺寸在微米量級，而且其加工工藝是基于光刻、腐蝕及鍵合技術(shù)的MEMS加工工藝，與傳統(tǒng)的精密加工工藝差別較大，學(xué)生對其理解較困難。因此，有必要建立基于MEMS加速度傳感器的微慣性實(shí)驗(yàn)平臺，使學(xué)生不但能夠了解該類傳感器的工作原理，還能夠?qū)ζ渲谱鞴に嚒?shù)據(jù)處理方法及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀具有較深刻的了解。

1 實(shí)驗(yàn)平臺工作原理

硅MEMS加速度器教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺工作原理如圖1所示，該實(shí)驗(yàn)平臺主要由加速度信號發(fā)生裝置、高性能石英振梁加速度傳感器、MEMS加速度傳感器、A／D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)數(shù)據(jù)采集及處理電路、液晶（LCD）顯示裝置等組成。加速度信號發(fā)生裝置（見圖2）自己設(shè)計(jì)制造。轉(zhuǎn)動圖中右端手柄，可實(shí)現(xiàn)中間測試平臺的360°旋轉(zhuǎn)。MEMS傳感器（4個）及其測試、顯示電路，石英振梁加速度傳感器等測試設(shè)備放置在信號發(fā)生裝置平臺上（見圖3）。通過平臺的旋轉(zhuǎn)，可為傳感器提供[－g，＋g]范圍的一系列加速度。MEMS傳感器在受到加速度載荷后輸出一定幅值的模擬輸出電壓，經(jīng)A／D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸入到單片機(jī)，通過相關(guān)計(jì)算軟件把電壓信號換算成加速度信號并通過LCD顯示裝置顯示。實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的大小可通過高性能石英振梁加速度傳感器讀出，通過和MEMS加速度傳感器讀數(shù)進(jìn)行比對，即可實(shí)現(xiàn)對其性能的評價(jià)。實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)裝置的操作、數(shù)據(jù)讀取都由學(xué)生親自動手完成，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及MEMS傳感器性能的評價(jià)學(xué)生可課后進(jìn)行。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺工作原理圖

圖2 加速度信號發(fā)生裝置圖

圖3 測試系統(tǒng)裝配圖

3 MEMS加速度傳感器選取

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)不但要求傳感器能夠具有良好的輸出特性，還具有良好的溫度特性及抗震特性。因此選擇MS9000系列硅微電容式加速度傳感器（見圖4），其性能見表1。當(dāng)輸入電壓為5V時(shí)，輸出變化范圍為0.5～4.5V。

圖4 加速度傳感器實(shí)物圖

表1 MS9002.D加速度傳感器性能指標(biāo)

3 實(shí)驗(yàn)平臺中其他硬件系統(tǒng)的選配

本實(shí)驗(yàn)平臺中A／D轉(zhuǎn)換電路用于實(shí)現(xiàn)模擬信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)變，單片機(jī)系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對數(shù)字信號的采集、處理，液晶顯示裝置用于實(shí)現(xiàn)加速度等參數(shù)的顯示。單片機(jī)核心處理芯片采用AT89S52，A／D轉(zhuǎn)換芯片選用ADS7816，系統(tǒng)的供電芯片采用78M05，實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)以及A／D轉(zhuǎn)換芯片的供電。液晶顯示系統(tǒng)采用LCM160160。制作完成的電路系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 制作電路系統(tǒng)

4 傳感器性能標(biāo)定

4.1 標(biāo)定原理

MEMS加速度傳感器的標(biāo)定在高精度分度頭上完成，標(biāo)定裝置如圖6所示。實(shí)驗(yàn)過程中測量范圍為0～360°，每間隔10°測量1次，記錄與角度對應(yīng)的加速度傳感器的輸出電壓。測得的加速度與輸出電壓關(guān)系曲線見圖7。由圖7可知，兩者之間具由良好的線性關(guān)系。依據(jù)最小二乘法，得到兩者之間的線性關(guān)系方程為

式中，x對應(yīng)加速度，y對應(yīng)輸出電壓。

圖6 硅MEMS陀螺性能測試裝置圖

圖7 加速度－輸出電壓關(guān)系曲線

5 結(jié)論

本文構(gòu)建了硅MEMS加速度傳感器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，并對其性能進(jìn)行了測試，標(biāo)定結(jié)果表明，傳感器輸出電壓與輸入加速度信號之間具有良好的線性關(guān)系，能夠滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)要求。

（References）

[1]岳鵬，史震，王劍，等.基于MEMS加速度計(jì)無陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，19（2）：152-156.

[2]張士鈺，孫永榮，陳武.低成本MEMS加速度計(jì)在組合車輛導(dǎo)航中的應(yīng)用研究[J].電子測量技術(shù)，2009，32（11）：51-54.

[3]尚曉星，蔣海濤，王傳清.基于MEMS加速度計(jì)的飛行器姿態(tài)指示系統(tǒng)研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（7）：24-29.

[4]趙翔，杜普選，李虎.基于MEMS加速度計(jì)和陀螺儀的姿態(tài)檢測系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012，21（3）：15-18.

[5]王曉麗，周潯.基于加速度計(jì)的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)測量方法研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012，48（2）：482-485.

[6]Spearing S M.Materials issues in microelectromechanical systems[J].Acta Materialia，2000，48（1）：179-196.

[7]Miller D C，Boyce B L.Characteristics of a commercially available silicon-on-insulator MEMS Material[J].Sensors and Actuators，2007，138（1）：130-144.

[8]Nadim Maluf.An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering[J].Measurement Science and Technology，2002，13（2）：229.

[9]Xie Huikai，F(xiàn)edder G K.Integrated microelectromechanical gyroscopes[J].Journal of aerospace engineering，2003，16（2）：65-75.

[10]Liu Kai，Zhang Weiping.The development of miro-gyroscope technology[J].Journal of Micromechanical and Microengineering，2009（19）：1-29.

[11]曹曉棠，石云波，周兆英，等.基于MEMS的微飛行器姿態(tài)測量系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（2）：122-127.

[12]段曉敏，李杰，劉文怡，等.基于MEMS加速度計(jì)的數(shù)字傾角測量儀的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（8）：71-72.

[13]靳振宇，吳建德，范玉剛，等.基于MEMS加速度計(jì)的管道位移檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（1）：140-145.