硅MEMS加速度传感器教学实验平台构建

2013-09-06郭占社李逸伦

实验技术与管理 2013年10期

郭占社，李逸伦，安瑛，曹乐

（北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191）

硅 MEMS（micro-electromechanical systems）加速度传感器作为非常重要的一类惯性器件，主要用于对运动载体运动加速度的测量[1－3]。相对于传统的机械式加速度传感器，该类传感器具有体积小、功耗低、集成度高以及成本低的优势[4－5]，成为目前惯性技术发展的主要方向。目前，国外许多著名研究机构，包括美国加州大学伯克利分校、斯坦福大学、Draper国家重点实验室、ADI公司、Litton公司、Sandia国家重点实验室等都在进行相关研究。许多高性能的MEMS加速度传感器已实现产品化[6－10]。

国内在微惯性系统方面的研究起始于上世纪90年代，主要研究机构包括清华大学、北京大学、北京航空航天大学等[11－13]。对于具有航空航天特色的我校本科生及研究生，了解该类传感器的工作原理、制作工艺、数据处理和国内外最新研究现状是非常必要的。目前，国内许多大学，比如浙江大学机械工程学系、清华大学精密仪器系、中国电子科技大学机械设计制造及其自动化专业等都在开设了微机电系统课程，并把MEMS加速度传感器作为非常重要的内容进行讲解，但都没有相关实验教学内容。北京航空航天大学国家级精品课“传感器技术及应用”已把MEMS惯性传感器作为重要的传感器进行详细讲解，但到目前为止，同样没有相关实验教学内容。由于MEMS器件的功能尺寸在微米量级，而且其加工工艺是基于光刻、腐蚀及键合技术的MEMS加工工艺，与传统的精密加工工艺差别较大，学生对其理解较困难。因此，有必要建立基于MEMS加速度传感器的微惯性实验平台，使学生不但能够了解该类传感器的工作原理，还能够对其制作工艺、数据处理方法及国内外研究现状具有较深刻的了解。

1 实验平台工作原理

硅MEMS加速度器教学实验平台工作原理如图1所示，该实验平台主要由加速度信号发生装置、高性能石英振梁加速度传感器、MEMS加速度传感器、A／D转换电路、单片机数据采集及处理电路、液晶（LCD）显示装置等组成。加速度信号发生装置（见图2）自己设计制造。转动图中右端手柄，可实现中间测试平台的360°旋转。MEMS传感器（4个）及其测试、显示电路，石英振梁加速度传感器等测试设备放置在信号发生装置平台上（见图3）。通过平台的旋转，可为传感器提供[－g，＋g]范围的一系列加速度。MEMS传感器在受到加速度载荷后输出一定幅值的模拟输出电压，经A／D数模转换电路把模拟信号转换为数字信号并输入到单片机，通过相关计算软件把电压信号换算成加速度信号并通过LCD显示装置显示。实际标准数值的大小可通过高性能石英振梁加速度传感器读出，通过和MEMS加速度传感器读数进行比对，即可实现对其性能的评价。实验过程中实验装置的操作、数据读取都由学生亲自动手完成，实验数据处理及MEMS传感器性能的评价学生可课后进行。

图1 实验平台工作原理图

图2 加速度信号发生装置图

图3 测试系统装配图

3 MEMS加速度传感器选取

本实验教学系统不但要求传感器能够具有良好的输出特性，还具有良好的温度特性及抗震特性。因此选择MS9000系列硅微电容式加速度传感器（见图4），其性能见表1。当输入电压为5V时，输出变化范围为0.5～4.5V。

图4 加速度传感器实物图

表1 MS9002.D加速度传感器性能指标

3 实验平台中其他硬件系统的选配

本实验平台中A／D转换电路用于实现模拟信号向数字信号的转变，单片机系统用于实现对数字信号的采集、处理，液晶显示装置用于实现加速度等参数的显示。单片机核心处理芯片采用AT89S52，A／D转换芯片选用ADS7816，系统的供电芯片采用78M05，实现向单片机以及A／D转换芯片的供电。液晶显示系统采用LCM160160。制作完成的电路系统如图5所示。