MEMS加速計校準提升工業應用中的精度
分享到：

如今，汽車安全系統推動了MEMS慣性傳感器技術的發展，也大量應用于幾個大型領域。大批與汽車安全系統相關的應用促進了對MEMS制造技術，封裝概念，質量保證系統以及設計方案創新等方面的巨大投資。這些投資導致了成本效益更高和更可靠的解決方案，這些方案也在許多其他領域里獲取了利潤。包括游戲平臺(Wii Remote)以及許多移動手持應用。此外，MEMS傳感器還發現了其他日益增多的工業應用，包括車間安全系統。其中設備位置傳感，碰撞檢測，防止吊車舉起時翻車等都是車間安全系統方面的應用實例，所有這些都得益于MEMS加速計。

車間安全系統的任務是檢測潛在的危險操作條件，但不能影響正常的操作。其中最為重要的就是用來檢測危險操作條件的傳感方案的精度。與其他絕大多數技術方案一樣，MEMS加速計也存在成本性能之間的折中。對于汽車和商用應用來說，以最低成本來實現適度的性能即可。但對于一些工業應用，例如車間安全系統，則要求較高的精度。在這種應用中，可靠性，方便性以及方案的元器件成本都很重要。

隨著高集成度和更精密的加速計產品的出現，系統設計師需要了解零件是如何校準的，因為這決定著他們是購買這些校準方案還是開發自己的校準程序。本文將討論雙軸加速計的校準工藝，并著重討論最常見的誤差源。

校準的目的和必要性

對于許多MEMS慣性傳感器用戶來說，校準為他們的傳感方案提供了改進性能和折中系統成本的機會，如圖1所示。圖中所示的僅僅是一般的關系，而性能目標則由能夠為用戶增值的終端系統性能需求所驅動。

例如，高精度意味著防翻轉系統在確定吊車的極限時無需過補償。精度水平的最佳優化能夠擴大吊車的服務范圍，或起吊更重的載荷，且沒有翻車的危險。所以，在安全傳感系統中優化性能的底線就是能夠為總系統增值。

與校準相關的成本增加包括直接的材料成本(如ADC，微機，PCB復雜度的增加，以及勞動力成本)和投資成本(校準設備夾具和工程開發成本)，不過這些成本將被可預期的系統產品的批量所攤薄。任何校準過程的顯要目標都是實現價值更高的性能，同時控制相關的成本。

一個MEMS校準方案的開發可以分為四個簡單階段：

1.確立性能目標
2.確定校準需求
3.設計校準工藝
4.實現校準規則

為加速計校準確立有價值的性能目標將為整個研發過程定調。首先，這些目標將指導傳感器的選擇，其次，將為分析過程提供指導，而這些分析過程將確定需要校準的行為，最終將決定校準過程的復雜度。這是很關鍵的，因為過度追求高于所需將導致過高的成本和開發時間。

于是很明顯，這要求開發商及早了解加速計傳感系統對最終系統性能目標的影響。盡管這種早期投資看起來是不方便的，但它卻會導致更好的性能并創造更多的創新機會。本討論將著重于當校準綜合誤差小于1%時需要考慮的領域。

圖2：典型的加速計校準電路
誤差敏度分析：一個用來提供校準的加速計性能的典型電路如圖所示。該誤差分析確定了每個器件對整個系統精度目標所產生的影響。每個器件都有需要考慮的行為因素。除了MEMS加速計之外，放大器、A/D、復用器和無源元件都將呈現一定的偏差，增益、線形度、噪聲、電源以及溫度都將呈現獨立的行為特征，對于傳感器性能來說，這些都需要仔細地考慮在內。

本節將列舉對上述性能目標的常見威脅，并在避免具體的電路分析的同時，給出如何快速確定其影響的方法。為了簡單，在討論中將敏度分析集中在傳感器性能上。假定其余電路元件的貢獻較小。包括一個MEMS傳感器的任何線性傳感器的理想方程為：

在IEEE-STD-1293-1998中，給出了一個描述典型MEMS加速計誤差行為的廣泛建模方案。而如下的方程則給出了描述許多常見誤差的簡單關系：

傳感器信號調節電路將包括幾個影響該方程的幾個元器件。下面列出了這些器件的部分常見誤差源：

1. NENS加速計
2. 放大器
3. 無源元件
4. A/D

每個器件都將對靈敏度(增益)，偏置(偏差)，線性度，噪聲，依賴于電源的行為特性以及依賴于溫度的特性有所貢獻。這里所討論的校準將集中在傳感器上。不過圖示準則也適用于其他電路。

由于要求綜合誤差小于1%，我們可以快速回顧一下商用的MEMS傳感器的指標。例如，一款領先加速計應具有如下指標：

靈敏度：+950mV/g到+1050mV/g，等同于5%
偏移：30mg(典型值)，相當于3%(1g系統)
100mg(最大值)，相當于10%(1g系統)

本例中，校準過程中必須首要考慮偏移和靈敏度，因為這兩者都超出了1%的綜合誤差目標。

用于低g加速計的一個可靠的校準源是重力。使用重力的最簡單方法是通過采用IEEE-STD-1293-1998中所給出的行業標準跌落測試。該跌落測試中，將一個變化范圍為+1g的激勵施加到被測器件上(DUT)。

該低激勵水平不能用于滿刻度量程小于20g的加速計的跌落測試，因為所加的校準激勵等于或大于滿量程的5%。在該量程之外，線性度、分辨率、噪聲和其他與量程相關的特性將變得更有影響力，阻止所期望的精度的實現。為了校準，滿刻度量程允許4點跌落測試，而非多點跌落測試，但多點測試可以用于線性度誤差的計算。

這里，DUT是豎直的。DUT的X軸指向0°傾斜的水平軸。記錄DUT的X軸輸出。然后將DUT分別旋轉90°，180°和270°，記錄每點的X軸輸出，故對應四個測量位置。

圖4：四點跌落數據輸出
由于DUT被旋轉，X軸的傳感器輸出將是傾斜角的正弦函數，如圖4所示。實際曲線和理想曲線之差是由于加速計的偏移和靈敏度誤差所導致。通過對每個90°旋轉增量上的數據進行分析，這些行為可以被特性化并隔離出來。通過對0°和180°點上取平均可以計算出總的正弦曲線的偏移量。在從90°的數據點上減去270°點上的數據，即可得到重力所提供的1g激勵的加速計輸出的測量值。