高效率的MEMS陀螺管芯动态特性测试方法
邓焱1, 邢超1,2, 张嵘1, 周斌1
1. 清华大学 精密仪器系, 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 北京 100084
2. 中国人民解放军 63888部队, 济源 459000

作者简介: 邓焱(1972—), 女(汉), 江西, 副教授, E-mail:dengy2000@tsinghua.edu.cn

摘要

陀螺管芯是微机电(MEMS)陀螺的核心器件,利用多频激励方法可以提高陀螺管芯的动态特性测试效率。该文基于静电激励-电容检测的原理进行线振动MEMS陀螺的动态特性测试,构造了线性初始相位差分布的等幅多频激励信号解决合成信号最大值限制的问题。用多频激励方法,完成频率分辨率为1 Hz、 谐振频率3 000 Hz附近601个频率点的单个模态测试只需1.5 s。多频激励和正弦扫频激励对比测试表明: 两种方法测得幅、相频特性曲线几乎完全相同; 谐振频率、幅值和相位的测试重复性相近; 但多频方法测试精度略低于扫频激励。多频方法完全可满足大批量管芯装配前的筛选和配对测试的迫切需求。

关键词: 试验、测试技术与方法; 动态特性测试; 微机电(MEMS)陀螺管芯; 多频激励
中图分类号:TP206.1 文献标志码:A 文章编号:1000-0054(2014)06-0811-04
Rapid testing of the dynamic characteristics of MEMS gyroscope chips
Yan DENG1, Chao XING1,2, Rong ZHANG1, Bin ZHOU1
1. State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments,Department of Precision Instruments, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2. Unit 63888, PLA, Jiyuan 459000, China
Abstract

The gyroscope chip is the key component of micro electro mechanical system (MEMS) gyroscopes. The multi-frequency signal excitation method is used to improve the efficiency of dynamic characteristic tests of such chips. The dynamic characteristics of the linear vibration MEMS gyroscope are analyzed using electrostatic excitation and capacitive detection. A multi-frequency signal with an equivalent amplitude and a linear initial phase difference distribution is constructed to fit the maximum amplitude limit of the exciting signal. This method takes only 1.5 s to finish one modal test with 601 frequency points and 1 Hz frequency resolution around the 3 000 Hz resonance frequency. The multi-frequency method acquires almost the same amplitude-frequency and phase-frequency curves as the traditional sine wave sweep excitation method and their repeatabilities for the resonance frequency and corresponding amplitude and phase are similar. Although the testing accuracy of the multi-frequency method is a little lower than that of the sine wave sweep method, the multi-frequency method can be used to test large numbers of gyroscope chips for filtering and pairing.

Keyword: experiment/test technology and method; dynamic characteristics test; micro electro mechanical system (MEMS) gyroscope chip; multi-frequency signal excitation

微机电系统(micro electro mechanical system, MEMS)陀螺仪是在军事、汽车、消费电子等领域广泛应用的角速度传感器。陀螺管芯是其核心器件,一般采用硅蚀刻工艺制造,由于结构尺寸小、加工工艺不完善等原因易导致管芯参数差别大、成品率低,因此需要对加工出来的陀螺管芯进行动态特性参数(谐振频率、幅值和相位)测试和筛选,再进一步配对和装配[1,2,3]

清华大学导航中心自行研制的MEMS陀螺仪在微机械结构设计、微小电容检测、微机械陀螺数字化、微系统控制等多项关键技术上取得了很大的进展,其MEMS线振动陀螺仪的标度因子非线性小于0.001, 随机游走小于0.1 (°)/(h1/2), 噪声低于6 (°) /( h·Hz-1/2), 带宽大于60 Hz[4,5]

目前,国内外主流的陀螺管芯动态参数测试方法是在一定频带内逐点正弦扫频,绘制频谱响应曲线,得到谐振频率、幅值和相位[6,7,8]。该方法采集管芯的稳定输入输出信号,利用参数设置避免栅栏效应误差,频谱分析结果精确,不足之处是耗时较长,难以提高大批量陀螺管芯的检测效率。利用瞬态信号激励,如阶跃或脉冲激励,检测陀螺管芯的自由衰减信号获得谐振频率、幅值和相位,效率可提高很多,一次扫描约需15~20 s[9,10], 但是使用管芯的瞬态激励和响应,测试结果的稳定性和精度不如正弦扫频方法。

兼顾陀螺管芯动态参数测试中保证检测精度和提高检测效率的需求,本文针对清华大学导航中心研制的线振动MEMS陀螺的二阶系统结构特点,基于静电激励 -电容检测原理,利用多频激励的方法,设计了多频激励的幅值和初始相位分布。

1 工作原理

图1为线振动MEMS陀螺的结构示意图。敏感质量块 m由两个相互正交弹簧支撑,分别对应 x轴检测方向和 y轴驱动方向,与 x- y平面垂直的 z轴为输入轴。当陀螺工作时,在质量块驱动梳齿上施加交流驱动电压,在驱动力和弹性结构的综合作用下,质量块将沿着 y轴驱动方向作线性振动。当陀螺的载体在 z轴以角速度 Ω转动时,在Coriolis力矩的作用下,质量块将会在 x轴检测方向产生振动响应,该响应大小与输入角速度 Ω成正比。将该振动响应转化成与质量块相连的可动梳齿和固定梳齿之间平板电容的变化,通过微电容检测实现角速度 Ω的检测。

图1 线振动MEMS陀螺的结构示意图

理想的线振动MEMS陀螺在驱动和检测方向分别是一个二阶振动系统,其驱动方向和检测方向的传递函数为:

Y(s)Fd(s)=1/ms2+ωd/Qd·s+ωd2,X(s)Fs(s)=1/ms2+ωs/Qs·s+ωs2.(1)

其中: X Y分别为敏感质量块在检测和驱动方向的位移; Fs, Fd分别为质量块在 x y方向受到的力; ωd, ωs分别是驱动、检测轴的自然频率; Qd, Qs分别是驱动、检测轴的品质因数。

本文采用静电激励-电容检测方法对管芯动态特性进行测试。首先,向微机械陀螺管芯提供激励信号,即在驱动轴的固定梳齿和可动梳齿之间加上一个激励电压,通过静电力使质量块沿驱动方向振动; 再通过微弱电容检测电路,分别测得驱动梳齿和检测梳齿的电容变化,即驱动轴和检测轴的振动响应。根据该响应进行频谱分析,绘制频率响应曲线,得到谐振频率、幅值和相位。测试系统的详细描述见文[11]。

2 多频激励测试方法

陀螺管芯设计的谐振频率在3 000 Hz左右,待测试的4个模态中对驱动轴驱动检测轴检测、驱动轴驱动扭转轴检测两个模态的精度要求为5 Hz, 对驱动轴驱动驱动轴检测模态和检测轴驱动检测轴检测模态的精度要求是1 Hz。原有的正弦扫频测试在谐振频率附近一定频带范围内逐点扫描,考虑整周期采样、稳定时间和积分时间等因素,每个频率点需要约250 ms, 每个模态601个频率点,总共约2 .5 min, 1个管芯4个模态至少需要10 min, 效率很低。

根据线性系统的叠加原理,如果601个频率点的正弦信号先叠加产生多频激励信号,再输入被测系统,该系统的输出信号是系统对所有单一频率点响应的叠加,通过对输入输出信号的频谱分析可以一次性得出被测系统的频率响应。与扫频的分时段激励相比,测试效率将会根据叠加数目的多少相应得到提高。

根据频率响应曲线1 Hz分辨率的测试精度要求,即每一个频率点实现整周期采样,避免栅栏效应,保证谱分析的精度,多频激励的采样时间最少可以为1 s, 考虑系统稳定时间为0 .5 s, 每个模态共需1 .5 s, 则每个陀螺管芯4个模态测试6 s完成,可以大大提高测试效率。

多频激励信号的构造首先涉及到合成信号幅值最大值的限制问题。限制之一来自于数据采集卡的最大输出信号电压,限制之二是被测系统对输入信号幅值有限制,幅值过大会对被测系统造成损害。

合成信号的幅值由所有频率点信号的幅值和相位共同决定,文[12]对多频信号的零相位、随机相位和线性相位差3种初始相位分布进行了研究。设定幅值为 A N个频率点 fk的初始相位为 θk, 其中, k=1,2,3,…, N

1) 初始相位均为零相位( θk =0), 合成信号为

2) 初始相位为随机相位( θk =Rand·2π, Rand为0 ~1之间的随机数),则合成信号为

用Matlab对3种初始相位分布的1 V等幅信号进行仿真。初始频率为2 000 Hz, 频率间隔为5 Hz, 叠加频率点总数 N分别从1取到1 000, 信号时间长度设为0.2 s。得到合成信号最大峰值随着叠加信号频率点总数 N的变化曲线如图2所示。

图2 合成信号最大峰值与频率点总数的关系曲线

图2可见,和零相位及随机相位分布相比,初始相位为线性相位差分布的合成信号的峰值增长最缓慢,且频率点总数越多,优势越明显; 另外,曲线的斜率随着 N的增加降低,即峰值最大值增速随着 N增加而放慢。

本文采取线性相位差分布,频率点总数为601个,对应叠加信号幅值在30 V左右。实际MEMS陀螺管芯扫频测试幅值是2 V, 因此单个频率点幅值可设置为正弦扫频幅值的1/30, 即0.065 V。

3 多频激励测试实验结果

在陀螺管芯装配的超净间对多频激励方法进行了测试,选取正弦扫频测试方法作为检验和对比的标准依据。利用基于LabVIEW的虚拟仪器技术,本文仅通过软件编程就实现了文[11]中的测试系统从正弦扫频激励方法到多频激励方法的转换。按照第2节的参数设置,通过NI4461数据采集卡将计算机产生的多频激励信号或者正弦扫频信号输出到陀螺管芯,输入和输出信号同时被NI4461采集并进行动态特性分析。

图3a和3b所示分别为对同一个陀螺管芯,使用扫频和多频激励测得的驱动轴驱动检测轴检测模态的幅、相频特性曲线。图3a和3b曲线几乎完全相同,区别仅在于多频曲线离谐振频率较远的频率点噪声较大。其他3个模态测得的曲线情况类似。

图3 幅、相频特性曲线测试结果

随机选择一个陀螺管芯,对多频激励方法进行重复性对比测试,用扫频和多频激励连续测量10次,提取谐振频率和对应的幅值、相位并求标准差,以及和扫频测试平均值之差。本文着重分析对谐振频率分辨率要求较高的检测轴驱动检测轴检测模态和驱动轴驱动驱动轴检测模态这两个模态,结果如表1和2所示。

表1 检测轴驱动检测轴检测测试结果
表2 驱动轴驱动驱动轴检测测试结果

表1和2中可见,多频激励与扫频激励测得谐振频率、幅值和相位对应的标准差数值相当,这说明测试重复性相近。表1所示的检测轴驱动检测轴检测模态中,两者谐振频率相同,幅值和相位的差值均小于扫频激励测试值的标准差,因此偏差可忽略不计。表2所示的驱动轴驱动驱动轴检测模态中,两者谐振频率相差1 Hz, 频率测试精度为1 Hz, 因此偏差可忽略。幅值和相位偏差较大的原因可能是驱动轴驱动驱动轴检测模态本身信噪比较低,而多频激励中每个频率点幅值只有0.065 V, 导致输出信号较小。

考虑将两种激励的幅值设置一样(每个频率点的幅值同样为0.065 V)来进行检测。在谐振频率附近,选取4 Hz的带宽,设置频率步长为0.5 Hz, 10次测试结果见表3,两者幅值偏差缩小到了0.227 dB, 相位偏差明显降低到0.75 °。由此说明,激励信号的幅值过低造成了偏差。因此,多频激励能够提高测试效率,但由于其中每一个频率点的幅值相对扫频激励法要降低,该方法的动态特性测试精度低于扫频方法。

表3 驱动轴驱动驱动轴检测相同幅值测试结果

在装配前进行陀螺管芯动态特性测试的目的主要是剔除不合格产品和陀螺管芯配对,选择管芯配对的标准是两个管芯谐振频率、幅值和相位大体接近,对精度要求不太高,多频信号激励方法不但测试效率高且能保证测试可重复性,可以取代扫频方法。

4 结 论

MEMS陀螺的大规模生产对陀螺管芯装配前的动态特性测试效率提出了迫切需要。本文基于线振动MEMS陀螺的二阶系统结构特点,兼顾测试精度和测试效率的需求,利用多频激励的方法将每个管芯4个模态测试时间从10 min减少到了6 s。通过构造初始相位为线性相位差分布的等幅多频激励信号,最大限度地保证了测试的可重复性和精度。对比测试结果表明: 该方法完全可以取代目前的正弦扫频方法,在装配前进行陀螺管芯动态特性测试。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] ZHANG Nuer, REN Yongfeng, LI Shengkun. Research on testing method of dynamic characteristic for MEMS-gyroscope[J]. Advanced Materials Research, 2012, 346: 515-520. [本文引用:1]
[2] DENG Yan, XING Chao, ZHOU Bin. Automated calibration system for IMU based on database and LabVIEW [J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 333-335: 2396-2400. [本文引用:1]
[3] ZHU Huijie, JIN Zhonghe, HU Shichang, et al. Constant-frequency oscillation control for vibratory micro-machined gyroscopes[J]. Sensors and Actuators, A: Physical, 2013, 193: 193-200. [本文引用:1] [JCR: 1.943]
[4] 周斌, 高钟毓, 陈怀, . 微机械陀螺数字读出系统及其解调算法[J]. 清华大学学报: 自然科学版, 2004, 44(5): 637-640.
ZHOU Bin, GAO Zhongyu, CHEN Huai, et al. Digital readout system for a micro-machined gyroscope and its demodulation algorithm[J]. J Tsinghua University: Science and Technology, 2004, 44(5): 637-640. (in Chinese) [本文引用:1] [CJCR: 0.609]
[5] Gaisser A, GAO Zhongyu, ZHANG Rong, et al. On-line self-testing for micro-machined gyroscopes[J]. Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2005, 22(2): 98-102. [本文引用:1] [CJCR: 0.312]
[6] 李锦明, 张文栋, 李林. 电容式微机械陀螺品质因子测试方法研究[J]. 中北大学学报: 自然科学版, 2006, 27(4): 357-360.
LI Jinming, ZHANG Wendong, LI Lin. A research on the testing method for the quality factor of capacitive microgyroscopes[J]. J North University of China: Natural Science Edition, 2006, 27(4): 357-360. (in Chinese) [本文引用:1]
[7] 何春华, 崔健, 闫俊杰, . 基于LabVIEW的微机械陀螺自动测试系统开发[J]. 传感技术学报, 2011, 24(2): 170-174.
HE Chunhua, CUI Jian, YAN Junjie, et al. Development of automatic test system for micromachined gyroscope based on LabVIEW[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2011, 24(2): 170-174. (in Chinese) [本文引用:1] [CJCR: 0.964]
[8] Vladimir S, Yong C C, Byeung L L, et al. Development of a gyro test system at SAMSUNG Advanced Institute of Technology [C]// Proc Position Location and Navigation Symposium. Monterey, CA, 2004: 133-142. [本文引用:1]
[9] 赵寄晨, 谢文怡, 蔡建法, . 基于LabVIEW的微机械陀螺动态参数的测试[J]. 计算机测量与控制, 2013, 21(3): 580-585.
ZHAO Jichen, XIE Wenyi, CAI Jianfa, et al. Dynamic parameters test of micro-machined gyroscope based on LabVIEW[J]. Computer Measurement and Control, 2013, 21(3): 580-585. (in Chinese) [本文引用:1]
[10] 徐淑静, 高振宁. 一种新的微机械陀螺品质因数测试方法[J]. 微纳电子技术, 2011, 48(6): 391-394.
XU Shujing, GAO Zhenning. A new test method for the quality factor of MEMS gyroscopes[J]. Micro Nanoelectronic Technology, 2011, 48(6): 391-394. (in Chinese) [本文引用:1]
[11] 刘忠卿, 张嵘. 微机械陀螺管芯测试方法[J]. 传感器与微系统, 2008, 27(8): 111-116.
LIU Zhongqing, ZHANG Rong. Test method of micromachined gyroscope chip[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2008, 27(8): 111-116. (in Chinese) [本文引用:1] [CJCR: 0.468]
[12] 王晓艳, 王海峰. 基于多频声信号的虚拟扫频仪的设计与实现 [C]// 电工理论与新技术学术年会论文集. 西安, 2005: 229-232.
WANG Xiaoyan, WANG Haifeng. Design and implementation of virtual sweep generator based on multi-frequency acoustic signal [C]// Proc Annual Conference Electrician Theory and New Technology. Xi'an, China, 2005: 229-232. (in Chinese) [本文引用:1]