MEMS加速计校准提升工业应用中的精度

如今，汽车安全系统推动了MEMS惯性传感器技术的发展，也大量应用于几个大型领域。大批与汽车安全系统相关的应用促进了对MEMS制造技术，封装概念，质量保证系统以及设计方案创新等方面的巨大投资。这些投资导致了成本效益更高和更可靠的解决方案，这些方案也在许多其他领域里获取了利润。包括游戏平台(Wii Remote)以及许多移动手持应用。此外，MEMS传感器还发现了其他日益增多的工业应用，包括车间安全系统。其中设备位置传感，碰撞检测，防止吊车举起时翻车等都是车间安全系统方面的应用实例，所有这些都得益于MEMS加速计。

车间安全系统的任务是检测潜在的危险操作条件，但不能影响正常的操作。其中最为重要的就是用来检测危险操作条件的传感方案的精度。与其他绝大多数技术方案一样，MEMS加速计也存在成本性能之间的折中。对于汽车和商用应用来说，以最低成本来实现适度的性能即可。但对于一些工业应用，例如车间安全系统，则要求较高的精度。在这种应用中，可靠性，方便性以及方案的元器件成本都很重要。

随着高集成度和更精密的加速计产品的出现，系统设计师需要了解零件是如何校准的，因为这决定着他们是购买这些校准方案还是开发自己的校准程序。本文将讨论双轴加速计的校准工艺，并着重讨论最常见的误差源。

校准的目的和必要性

对于许多MEMS惯性传感器用户来说，校准为他们的传感方案提供了改进性能和折中系统成本的机会，如图1所示。图中所示的仅仅是一般的关系，而性能目标则由能够为用户增值的终端系统性能需求所驱动。

例如，高精度意味着防翻转系统在确定吊车的极限时无需过补偿。精度水平的最佳优化能够扩大吊车的服务范围，或起吊更重的载荷，且没有翻车的危险。所以，在安全传感系统中优化性能的底线就是能够为总系统增值。

与校准相关的成本增加包括直接的材料成本(如ADC，微机，PCB复杂度的增加，以及劳动力成本)和投资成本(校准设备夹具和工程开发成本)，不过这些成本将被可预期的系统产品的批量所摊薄。任何校准过程的显要目标都是实现价值更高的性能，同时控制相关的成本。

一个MEMS校准方案的开发可以分为四个简单阶段：

1.确立性能目标
2.确定校准需求
3.设计校准工艺
4.实现校准规则

为加速计校准确立有价值的性能目标将为整个研发过程定调。首先，这些目标将指导传感器的选择，其次，将为分析过程提供指导，而这些分析过程将确定需要校准的行为，最终将决定校准过程的复杂度。这是很关键的，因为过度追求高于所需将导致过高的成本和开发时间。

于是很明显，这要求开发商及早了解加速计传感系统对最终系统性能目标的影响。尽管这种早期投资看起来是不方便的，但它却会导致更好的性能并创造更多的创新机会。本讨论将着重于当校准综合误差小于1%时需要考虑的领域。

图2：典型的加速计校准电路

误差敏度分析：一个用来提供校准的加速计性能的典型电路如图所示。该误差分析确定了每个器件对整个系统精度目标所产生的影响。每个器件都有需要考虑的行为因素。除了MEMS加速计之外，放大器、A/D、复用器和无源元件都将呈现一定的偏差，增益、线形度、噪声、电源以及温度都将呈现独立的行为特征，对于传感器性能来说，这些都需要仔细地考虑在内。

本节将列举对上述性能目标的常见威胁，并在避免具体的电路分析的同时，给出如何快速确定其影响的方法。为了简单，在讨论中将敏度分析集中在传感器性能上。假定其余电路元件的贡献较小。包括一个MEMS传感器的任何线性传感器的理想方程为：

在IEEE-STD-1293-1998中，给出了一个描述典型MEMS加速计误差行为的广泛建模方案。而如下的方程则给出了描述许多常见误差的简单关系：

传感器信号调节电路将包括几个影响该方程的几个元器件。下面列出了这些器件的部分常见误差源：

1. NENS加速计
2. 放大器
3. 无源元件
4. A/D

每个器件都将对灵敏度(增益)，偏置(偏差)，线性度，噪声，依赖于电源的行为特性以及依赖于温度的特性有所贡献。这里所讨论的校准将集中在传感器上。不过图示准则也适用于其他电路。

由于要求综合误差小于1%，我们可以快速回顾一下商用的MEMS传感器的指标。例如，一款领先加速计应具有如下指标：

灵敏度：+950mV/g到+1050mV/g，等同于5%
偏移：30mg(典型值)，相当于3%(1g系统)
100mg(最大值)，相当于10%(1g系统)

本例中，校准过程中必须首要考虑偏移和灵敏度，因为这两者都超出了1%的综合误差目标。

用于低g加速计的一个可靠的校准源是重力。使用重力的最简单方法是通过采用IEEE-STD-1293-1998中所给出的行业标准跌落测试。该跌落测试中，将一个变化范围为+1g的激励施加到被测器件上(DUT)。

该低激励水平不能用于满刻度量程小于20g的加速计的跌落测试，因为所加的校准激励等于或大于满量程的5%。在该量程之外，线性度、分辨率、噪声和其他与量程相关的特性将变得更有影响力，阻止所期望的精度的实现。为了校准，满刻度量程允许4点跌落测试，而非多点跌落测试，但多点测试可以用于线性度误差的计算。

这里，DUT是竖直的。DUT的X轴指向0°倾斜的水平轴。记录DUT的X轴输出。然后将DUT分别旋转90°，180°和270°，记录每点的X轴输出，故对应四个测量位置。