趙耀 張偉

北京信息科技大學(xué)傳感器重點實驗室，北京 100101

0 引言

MEMS是集微傳感器、微執(zhí)行器、微機械結(jié)構(gòu)、微電源微能源、信號處理和控制電路、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)用場景對MEMS加速度計的性能、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加速度計在實現(xiàn)載體姿態(tài)運動加速度的準確測量過程中容易受到環(huán)境溫度的影響，導(dǎo)致存在零漂、功率過大等問題，因此實現(xiàn)對運動載體的加速度的準確測量的研究有著非常重要的意義[1]。對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加速度計是該研究的重點，同時，在MEMS加速度計的性能優(yōu)化中，低溫漂、低零偏和抗信號干擾等性能是研究的重點。本文根據(jù)項目需求，設(shè)計一款MEMS組合加速度計，能夠?qū)崿F(xiàn)在±60 g測量范圍內(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加速度計設(shè)計

1.1 MEMS加速度計工作原理

MEMS加速度計主要分為電容式、壓電式和壓阻式。其中，電容式相對于另外2種能夠具備更好的性能。電容式MEMS加速度計的應(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，但同時也較為復(fù)雜，制造成本更高[2]。電容式敏感機理是通過測量支撐梁間的電容變化來對應(yīng)加速度的變化。電容式MEMS加速度計原理如圖1所示。

電容式MEMS加速度計的基本工作原理是蝕刻到集成電路中一段可動基板，基板作為小質(zhì)量塊，由位移產(chǎn)生的電容變化來對應(yīng)加速度值傳出。與牛頓第二運動定律（F=ma）一致，當(dāng)對傳感器施加加速度時，會產(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組合加速度計的硬件設(shè)計

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

為滿足項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加速度計組合切換測量的方案。

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

ADXL355是一款數(shù)字輸出的三軸加速度計，且自身帶有一個溫度傳感器。加速度數(shù)據(jù)輸出為20位，溫度測量輸出為12位，動態(tài)范圍可以通過初始SPI命令以及測量頻率范圍來選擇。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)精密測量場景的應(yīng)用[5]。選用ADXL355在系統(tǒng)內(nèi)提供±2 g測量范圍內(nèi)的高精度加速度數(shù)據(jù)，作為ADXL1002的補充，2塊加速度計配合完成全量程下的加速度測量任務(wù)。

由于加速度計需要針對較高數(shù)字采樣率的數(shù)據(jù)進行處理，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，加速度計數(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行輸出至上位機顯示。此處采用RS485的收發(fā)芯片MAX485，可以通過USB將RS485從傳感器接收到的數(shù)字量傳至PC端，利用常見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。

加速度計設(shè)計中，所選用的組合加速度計ADXL355與ADXL1002分別輸出數(shù)字信號和模擬信號。ADXL355的數(shù)字信號可以直接通過SPI傳至MCU參與運算。ADXL1002的模擬信號需要采用MCU集成的24位A/D進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理后才可以參與后續(xù)的運算。MCU通過執(zhí)行程序整合2個加速度計的數(shù)據(jù)，向外輸出的數(shù)據(jù)通過D/A進行模擬信號輸出，同時通過RS485進行數(shù)字信號的輸出。加速度計數(shù)據(jù)的處理過程如圖4所示。

根據(jù)課題目標，經(jīng)分析對照，選擇一款真18位電壓輸出、相對精度最大值達到±0.5 LSB的AD5781作為DAC來對MSC1214模擬輸出信號原始量進行D/A轉(zhuǎn)換。AD5781的噪聲很低，僅為。 同時，AD5781的低溫度漂移特性符合本課題中對加速度計整體的溫度漂移性能要求，是加速度計系統(tǒng)模擬輸出信號DAC的高性價比選擇。AD5781電路設(shè)計如圖5所示。

加速度計電路的設(shè)計中，各模塊對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進行電源模塊的設(shè)計。所涉及到的模塊與供電需求如圖6所示。

加速度計系統(tǒng)采用+15 V直流供電。在電源模塊的設(shè)計中，需要將+15 V電源經(jīng)過3次變壓，分別產(chǎn)生±15 V、+5 V、+3.3 V來為系統(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)，可實現(xiàn)最低的噪聲性能，且器件負載保證了高達15 mA的源電流。MAX6350電路設(shè)計如圖8所示。

根據(jù)系統(tǒng)選用的組合加速度計方案，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到9 μV的超低噪聲性能[6]。ADP151電路設(shè)計如圖9所示。

在完成加速度計硬件部分的設(shè)計后，按照課題需求尺寸設(shè)計PCB并布線。加速度計采用2塊雙面板的電路設(shè)計，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如圖10所示。

在加速度計PCB的安裝過程中，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程中產(chǎn)生的加速度計傾角。完成加速度計的硬件設(shè)計安裝與測試后，開始對加速度計的軟件算法進行設(shè)計與調(diào)試。

1.3 MEMS組合加速度計的軟件設(shè)計

加速度計系統(tǒng)的軟件編寫主要包含信號提取、數(shù)字濾波運算、數(shù)據(jù)補償處理以及信號輸出等功能的實現(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，根據(jù)要實現(xiàn)的功能目標來編寫對應(yīng)函數(shù)，在主程序中按照加速度計的運行邏輯順序進行編程和函數(shù)調(diào)用。程序的整體設(shè)計框圖如圖11所示。

選用組合加速度計方案，需要以±2 g為2只加速度計的切換點，故在程序設(shè)計中要加入數(shù)據(jù)判斷程序來實現(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。系統(tǒng)在完成初始化后進入循環(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)正負號。當(dāng)數(shù)字量小于256,000時，選用ADXL355的加速度數(shù)據(jù)，并傳至D/A模塊進行轉(zhuǎn)換輸出，數(shù)字量通過串口輸出。當(dāng)數(shù)字量大于或等于256,000時，切換至ADXL1002數(shù)據(jù)，沿用正負號，計算其A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，通過D/A輸出模擬量，串口輸出數(shù)字量。

1.4 高低溫零位補償算法設(shè)計

根據(jù)項目需求，全溫范圍內(nèi)零偏變化小于5 mg，可根據(jù)模擬輸出對應(yīng)標度因數(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償算法的加速度計無法滿足項目需求，下面對其溫度補償算法的設(shè)計進行說明。

系統(tǒng)里的2塊加速度計中，負責(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。在加速度計數(shù)據(jù)經(jīng)MCU運算后，輸出模擬量時選用的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片為AD5781，將準備經(jīng)由AD5781進行數(shù)模轉(zhuǎn)換的原始數(shù)字量數(shù)據(jù)，即未補償?shù)募铀俣葦?shù)據(jù)命名為“DAValue”。根據(jù)課題需求，組合加速度計在0 g狀態(tài)時，開機模擬輸出為2,500 mV ±500 mV，為設(shè)計溫度補償算法，加入一個可使AD5781輸出2,500 mV的專用轉(zhuǎn)換前初始數(shù)字量，命名為“V25”。溫度補償算法的框圖如圖12所示。

溫度補償算法的思路是在0 g狀態(tài)下，通過在不同溫度條件下測量加速度計零位對應(yīng)的實際模擬量輸出并記錄，同時通過計算調(diào)整“V25”數(shù)值，使得在對應(yīng)環(huán)境溫度中加速度計的模擬輸出能夠不斷逼近2,500 mV，記錄并處理整個高低溫區(qū)間的溫度試驗數(shù)據(jù)可得出溫度補償曲線，找出最優(yōu)補償曲線并將溫度補償程序?qū)懭雮鞲衅?，從而滿足高低溫零偏的性能要求。

在計算得出溫度補償曲線后，一般需要進行一次預(yù)補償，根據(jù)預(yù)補償后測得的數(shù)據(jù)進行斜率優(yōu)化，可以將預(yù)補償超差的曲線修正到最優(yōu)水平?；陬A(yù)補償?shù)木€性變化，通過直接修正斜率而非單點采集數(shù)據(jù)，能夠盡快收斂找到最終補償斜率值，優(yōu)化實驗過程，簡化補償步驟，提升補償效率?？紤]到傳感器的整體性能，為提高運算速度，應(yīng)盡量選用運算次數(shù)低的曲線。

2 MEMS加速度計性能測試

2.1 加速度計主要性能測試

加速度計的性能測試中，主要用到的設(shè)備有高精度三軸轉(zhuǎn)臺和恒溫恒濕機。針對本課題設(shè)計的加速度計測試指標包括：測量范圍及輸出范圍、線性度、零偏、交叉耦合、零點漂移、分辨率。

加速度計的測試中，使用Keil軟件完成對加速度計程序的調(diào)試燒寫，通過使用串口的RXD、TXD將PC與加速度計引出的數(shù)據(jù)端端子相連，確認選擇連接的COM口號，加速度計PSEN端接地，上電實現(xiàn)程序的燒寫。本次選用4臺試制的加速度計進行試驗。按照GJB 360B-2009電子及電氣元件檢驗方法和GJB 150.1A-2009、GJB 150.3A-2009、GJB 150.4A-2009軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法等相關(guān)標準對加速度計進行性能測試。

2.1.1 測量范圍及輸出范圍

技術(shù)要求：測量范圍為-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進制補碼）；RS485數(shù)字接口；數(shù)字輸出采樣周期≤2.5 ms。

測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 加速度計測量范圍及輸出范圍測試數(shù)據(jù)

測試結(jié)果表明，所有樣品都能夠達到測量范圍與模擬輸出和數(shù)字輸出標準要求。

2.1.2 線性度

在廣播電視行業(yè)，對于節(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，將整個系統(tǒng)分為三個方面，傳送系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，在進行數(shù)字化覆蓋建設(shè)時，需要遵循以下原則。

技術(shù)要求：線性度≤1% FS。

測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 加速度計線性度測試數(shù)據(jù)

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，計算得出的線性度均符合課題目標。

2.1.3 交叉耦合

技術(shù)要求：交叉耦合≤5%。

測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 加速度計交叉耦合測試數(shù)據(jù)

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，計算得出的交叉耦合均符合課題目標。

2.1.4 分辨率

技術(shù)要求：分辨率≤5 mg。

測試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 加速度計分辨率測試數(shù)據(jù)

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，計算得出的分辨率均符合課題目標。

2.2 零位溫度補償測試

圖13～圖16給出4臺加速度計多次溫度試驗數(shù)據(jù)曲線。

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

表5 溫度補償前的輸出信號（單位：mV）

表6 溫度補償后的輸出信號（單位：mV）

將補償前后的數(shù)據(jù)進行對比，可見加入溫度補償算法前的4臺加速度計的高低溫零點漂移最大均方差為2.16262，加入溫度補償算法后模擬輸出電壓零點漂移均低于3 mV，最大均方差為0.52915。由此可見，溫度補償算法能夠明顯降低MEMS組合加速度計的高低溫零偏，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加速度計性能需求，設(shè)計了一種寬量程MEMS組合加速度計，完成了硬件系統(tǒng)的搭建和軟件算法的設(shè)計及其量程、線性度、交叉耦合、分辨率性能參數(shù)的測試，在±60 g測量范圍內(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。針對高低溫零偏大的問題設(shè)計了一種零位溫度補償算法，實驗驗證了溫度補償?shù)膬?yōu)化效果能夠使模擬輸出電壓零點漂移均低于3 mV。本文的硬件電路設(shè)計中還有部分細節(jié)需要完善，軟件算法的運行效率仍有優(yōu)化的空間，需要在后續(xù)的工作中進行補充。