硅MEMS加速度傳感器教學實驗平臺構建

郭占社，李逸倫，安 瑛，曹 樂

（北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，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，主要用于對運動載體運動加速度的測量[1－3]。相對于傳統的機械式加速度傳感器，該類傳感器具有體積小、功耗低、集成度高以及成本低的優勢[4－5]，成為目前慣性技術發展的主要方向。目前，國外許多著名研究機構，包括美國加州大學伯克利分校、斯坦福大學、Draper國家重點實驗室、ADI公司、Litton公司、Sandia國家重點實驗室等都在進行相關研究。許多高性能的MEMS加速度傳感器已實現產品化[6－10]。

國內在微慣性系統方面的研究起始于上世紀90年代，主要研究機構包括清華大學、北京大學、北京航空航天大學等[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、數據處理和國內外最新研究現狀是非常必要的。目前，國內許多大學，比如浙江大學機械工程學系、清華大學精密儀器系、中國電子科技大學機械設計制造及其自動化專業等都在開設了微機電系統課程，并把MEMS加速度傳感器作為非常重要的內容進行講解，但都沒有相關實驗教學內容。北京航空航天大學國家級精品課“傳感器技術及應用”已把MEMS慣性傳感器作為重要的傳感器進行詳細講解，但到目前為止，同樣沒有相關實驗教學內容。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、腐蝕及鍵合技術的MEMS加工工藝，與傳統的精密加工工藝差別較大，學生對其理解較困難。因此，有必要建立基于MEMS加速度傳感器的微慣性實驗平臺，使學生不但能夠了解該類傳感器的工作原理，還能夠對其制作工藝、數據處理方法及國內外研究現狀具有較深刻的了解。

1 實驗平臺工作原理

硅MEMS加速度器教學實驗平臺工作原理如圖1所示，該實驗平臺主要由加速度信號發生裝置、高性能石英振梁加速度傳感器、MEMS加速度傳感器、A／D轉換電路、單片機數據采集及處理電路、液晶（LCD）顯示裝置等組成。加速度信號發生裝置（見圖2）自己設計制造。轉動圖中右端手柄，可實現中間測試平臺的360°旋轉。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備放置在信號發生裝置平臺上（見圖3）。通過平臺的旋轉，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A／D數模轉換電路把模擬信號轉換為數字信號并輸入到單片機，通過相關計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。實際標準數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加速度傳感器讀數進行比對，即可實現對其性能的評價。實驗過程中實驗裝置的操作、數據讀取都由學生親自動手完成，實驗數據處理及MEMS傳感器性能的評價學生可課后進行。

圖1 實驗平臺工作原理圖

圖2 加速度信號發生裝置圖

圖3 測試系統裝配圖

3 MEMS加速度傳感器選取

本實驗教學系統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。當輸入電壓為5V時，輸出變化范圍為0.5～4.5V。

圖4 加速度傳感器實物圖

表1 MS9002.D加速度傳感器性能指標

3 實驗平臺中其他硬件系統的選配

本實驗平臺中A／D轉換電路用于實現模擬信號向數字信號的轉變，單片機系統用于實現對數字信號的采集、處理，液晶顯示裝置用于實現加速度等參數的顯示。單片機核心處理芯片采用AT89S52，A／D轉換芯片選用ADS7816，系統的供電芯片采用78M05，實現向單片機以及A／D轉換芯片的供電。液晶顯示系統采用LCM160160。制作完成的電路系統如圖5所示。

圖5 制作電路系統

4 傳感器性能標定

4.1 標定原理

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

式中，x對應加速度，y對應輸出電壓。

圖6 硅MEMS陀螺性能測試裝置圖

圖7 加速度－輸出電壓關系曲線

5 結論

本文構建了硅MEMS加速度傳感器的實驗教學平臺，并對其性能進行了測試，標定結果表明，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系，能夠滿足學生實驗要求。

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