CN101957387B - 三轴微型加速度计静态性能的测试装置及其测试方法 - Google Patents

三轴微型加速度计静态性能的测试装置及其测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三轴微型加速度计静态性能的测试装置及其测试方法，该测试装置的马达为测试平台的转动提供动力，传动轴是马达的动力传输装置且为测试平台的转动传输动力，法兰是将测试母板和连接装置固定在传动轴上，测试母板上装有用于测试一待测器件信号的测试回路并输出信号，Y方向定位板和X方向定位板固定在连接装置上，间隔块固定于测试板的一端，测试板为两块并相对于马达转动的轴心对称安置，测试板上装有待测器件定位槽且一端插入插槽中，插槽安装在转动装置上，并分别置于X方向定位板的两侧，与测试母板有电线连接，连接装置固定在法兰上。本发明能完成器件的灵敏度和零点偏置等多种性能的测试。

Description

三轴微型加速度计静态性能的测试装置及其测试方法
技术领域
本发明涉及一种加速度计性能的测试技术，特别是涉及一种三轴微型加速度计静态性能的测试装置及其测试方法。
背景技术
随着微机电系统(MEMS，Micro Electro-Mechanical System)技术的发展，很多基于MEMS技术的微型加速度计已经面世，并且在汽车、航空航天、通讯等领域中得到广泛地应用。但对于微型加速度计来说，在器件的研制、封装以及其他相关的加工制作过程中，难免会对器件的性能产生不利的影响；此外，器件经过一段时间的使用后，由于材料老化、温度、湿度等不同环境条件等原因导致其性能必然会产生一定漂移，经过一定时间的累积后所造成的误差会相当地大，因此，无论是对刚刚出厂的成品还是对于正在使用中的产品，都需要一个稳定而高效的测试平台，对产品的性能进行标定和校正。
传统的加速度计的标定和校正的方法是在分度头上进行的，中北大学在前人的研究基础上对轴心差角的测试方法做了相应的改进，不过，其测量设备仍然比较昂贵，而且，它更适用于单轴加速度计性能的测试，对于双轴和三轴加速度计来说，必须要手动拆装才可以完成加速度在不同轴向上的性能测试和标定。这样不仅降低了测量的精确性，也难以在本质上提高测量的效率。
转台是另一种常用的加速度计测试平台，但是其结构相对复杂，且价格非常昂贵，至于可以测量三个轴向上的器件性能的三轴转台，其价格就更加昂贵。对于加速度计的常规性能测试来说，测试的成本会大幅度增加。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术的缺陷，提供一种三轴微型加速度计静态性能的测试装置及其测试方法，其能完成器件的灵敏度和零点偏置等多种性能的测试；此外，本发明提出的测试装置能够放在不同的环境下，即在多种测试环境条件下完成对器件性能的测试。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种三轴微型加速度计静态性能的测试装置，其特征在于，其包括马达、传动轴、法兰、测试母板、Y方向定位板、间隔块、测试板、X方向定位板、插槽、转动装置、连接装置、待测器件定位槽和引线条，马达为测试平台的转动提供动力，传动轴是马达的动力传输装置且为测试平台的转动传输动力，法兰是将测试母板和连接装置固定在传动轴上，测试母板上装有用于测试一待测器件信号的测试回路并输出信号，Y方向定位板和X方向定位板组成牢固的“T”字形正交结构，并固定在连接装置上，间隔块固定于测试板的一端，测试板为两块并相对于马达转动的轴心对称安置，测试板上装有待测器件定位槽且一端插入插槽中，插槽安装在转动装置上，并分别置于X方向定位板的两侧，与测试母板有电线连接，连接装置固定在法兰上，用于机械连接转动装置、X方向定位板和Y方向定位板，引线条位于测试板的一端，连接测试板上的待测器件与插槽的电信号。
优选地，所述输出信号是电压信号或电容信号。
优选地，所述待测器件为一加速度计器件。
优选地，所述加速度计器件为单轴加速度计、双轴加速度计或三轴微型加速度计。
优选地，所述转动装置完成90°的转动后，测试板与X方向定位板相互平行。
本发明的另一技术方案为提供一种上述的三轴微型加速度计静态性能的测试装置的测试方法，其特征在于，该方法通过地球引力的作用给待测器件施加一加速度信号，定义一个重力加速度单位大小为1g，通过马达的转动和测试板的翻转来改变待测器件的感应轴方向，使之在重力的作用下受到X轴、Y轴和Z轴三个轴向上的加速度的作用，以此来测试待测器件在三个轴向上的性能指标。
优选地，所述X轴的测试包括以下步骤：
S1，先测量测试板未翻转前，测试板面垂直于马达旋转的轴心，此时，待测器件的X感应轴与马达旋转的轴心平行，感应信号为0；
S2，测试板在XOY面内沿Z轴翻转90°后，由于待测器件的Z感应轴受重力作用方向并没有发生改变，再次测试待测器件的Z感应轴方向上的性能，将两次测试结果相对比，确保测试板翻转的角度为90°，此时，测试板面平行于马达转动的轴心；
S3，测试板在XOY面内沿Z轴翻转90°后，待测器件的X轴方向与Y轴方向平行；
S4，受重力作用，在马达旋转前，待测器件的X轴信号为-1g和+1g，旋转180°时，测试X轴信号为+1g和-1g。
优选地，所述Y轴和Z轴的测试包括以下步骤：
S21，首先测试Y轴+1g的信号，此时Z轴方向与重力方向垂直，感应信号为0；驱动马达顺时针旋转90°，测试Z轴+1g的信号，此时Y轴方向与重力方向垂直，感应信号为0；驱动马达顺时针旋转到180°，测试Y轴-1g的信号，此时Z轴方向与重力方向垂直，感应信号为0；驱动马达顺时针旋转到270°，测试Z轴-1g的信号，此时Y轴方向与重力方向垂直，感应信号为0；
S22，Y轴和Z轴测量结束后，驱动马达逆时针旋转270°，回到初始位置。
本发明的积极进步效果在于：本发明能完成器件的灵敏度和零点偏置等多种性能的测试；此外，本发明提出的测试装置能够放在不同的环境下，即在多种测试环境条件下完成对器件性能的测试，比如：不同的湿度、温度等条件。测试装置的整体结构简单，价格便宜，操作便利，能根据需要一次可以测试多颗器件的性能，因此，本发明有利于提高测试器件的效率，大幅度降低器件的测试成本。
附图说明
图1为本发明三轴微型加速度计整体测试装置XOY面内的结构示意图(此时测试板平行于YOZ平面)。
图2为测试板平行于YOZ平面时，测试板附近的结构示意图。
图3为测试板处于垂直于X轴方向时，测试装置YOZ面内的结构示意图。
图4为三轴微型加速度计整体测试装置XOY面内的结构示意图(此时测试板平行于XOZ平面)。
图5为测试板平行于XOZ平面时，XOY面内测试板附近的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
本发明提供一种三轴微型加速度计静态性能指标的测试装置及其测试方法。如图1-5所示，本发明测试三轴微型加速度计典型性能指标的装置包括：马达1、传动轴2、法兰3、测试母板4、Y方向定位板5、间隔块6、测试板7、X方向定位板8、插槽9、转动装置10、连接装置13、待测器件定位槽14和位于测试板7上的引线条15。其中马达1为测试平台的转动提供动力，测试平台可以沿着转动方向转动；传动轴2是马达1的动力传输装置，为测试平台的转动传输动力；法兰3是将测试母板4和连接装置13固定在传动轴2上的装置；测试母板4安装在法兰3上，测试母板4上装有用于测试器件信号的测试回路，通过插槽9与测试板7上的引线条15相互连接电信号，用于测量器件并输出信号，输出信号可以是电压信号或电容信号；Y方向定位板5和X方向定位板8组成牢固的“T”字形正交结构，并固定在连接装置13上；间隔块6固定于测试板7的一端，在转动装置10完成90°的转动后，确保测试板7与X方向定位板8保持平行；测试板7为两块来组成一对，并相对于马达1转动的轴心对称安置，测试板7上装有待测器件定位槽14，将带有引线条15的一端插入插槽9中，可将待测器件定位槽14与测试母板4形成电信号连接；插槽9安装在转动装置10上，并分别置于X方向定位板8的两侧，与测试母板4有电线连接，插槽9内部带有引线条15；转动装置10安装在连接装置13上，能够沿Z轴在XOY平面内与Y轴成90度的翻转运动；连接装置13固定在法兰3上，用于机械连接转动装置10、X方向定位板8和Y方向定位板5，确保转动装置10及其上面的插槽9和带有间隔块6的测试板7能够随着马达1的转动而一起转动；待测器件定位槽14安装在测试板7上，待测器件可安装在待测器件定位槽14上，待测器件的Y感应轴方向朝上，X感应轴方向垂直于传动轴2，每块测试板7上可至少安装一个待测器件，待测器件为一加速度计器件，可以是单轴加速度计、双轴加速度计或三轴微型加速度计；引线条15位于测试板7的一端，连接测试板7上的待测器件与插槽9的电信号。
本发明三轴微型加速度计静态性能指标的测试方法是通过重力的作用给加速度计器件施加一个地球引力单位的加速度，定义一个重力加速度单位大小为1g，方向始终竖直向下。通过马达的转动和测试板的翻转来改变加速度计器件的轴心方向，使之在重力的作用下受到三个轴向上的加速度的作用，以此来测试加速度计器件在三个感应轴向上的性能指标。按照这种测试方法，本发明也适用于对单轴和双轴加速度计的性能的测试。当测量器件的感应轴方向与Y轴方向平行时，先将加速度计器件的感应轴方向处于+1g的作用下，通过微调马达的转动角度，使测得的输出信号为最大时，此时可以确定加速度计器件的实际感应轴方向，其输出信号为U1；同理，旋转180°后，得到加速度计器件处于-1g的作用下的最大的输出数据U2。
本发明在马达转动时，驱使器件随之在YOZ面内转动，使加速度计器件的受重力作用方向在Y和Z方向上得到改变；测试板在XOY面内沿Z轴翻转90°后，加速度计器件的X轴处于Y方向，当马达转动时，驱使器件随之在YOZ面内转动，加速度计器件的X感应轴的受重力作用，从而完成器件在X、Y、Z三个轴向上的性能测试，由此，一次测试就可以完成三个轴向上的性能测试。
其中，本发明X轴的测试包括以下步骤：
A1，先测量测试板未翻转前，测试板面垂直于马达旋转的轴心，此时，加速度计器件的X感应轴与马达旋转的轴心平行，感应信号为0。
A2，测试板在XOY面内沿Z轴翻转90°后，由于加速度计器件的Z感应轴受重力作用方向并没有发生改变，因此，再次测试加速度计器件的Z感应轴方向上的性能，将两次测试结果相对比，可以确保测试板翻转的角度为90°，此时，测试板面平行于马达转动的轴心。
A3，测试板在XOY面内沿Z轴翻转90°后，加速度计器件的X感应轴方向与Y轴方向平行。
A4，受重力作用，在马达旋转前，加速度计器件的X感应轴信号为-1g(上板)和+1g，旋转180°时，测试X感应轴信号为+1g和-1g。
其中本发明Y轴和Z轴的测试包括以下步骤：
B1，首先测试Y感应轴+1g的信号，此时Z感应轴方向与重力方向垂直，感应信号为0。驱动马达顺时针旋转90°，测试Z感应轴+1g的信号，此时Y感应轴方向与重力方向垂直，感应信号为0。驱动马达顺时针旋转到180°，测试Y感应轴-1g的信号，此时Z感应轴方向与重力方向垂直，感应信号为0。驱动马达顺时针旋转到270°，测试Z感应轴-1g的信号，此时Y感应轴方向与重力方向垂直，感应信号为0。
B2，Y，Z轴测量结束后，驱动马达逆时针旋转270°，回到初始位置。
上述方法中，在确定了器件在正、负重力加速度作用下的输出信号的同时，也确定了器件的实际的敏感方向，次敏感方向与器件标定的敏感方向的角度，即为器件的轴心差角。当然，轴心差角的测量精度与马达的转动角度的步长精度相关。由于轴上的输出信号与角度的余弦成正比，因而，即使加速度计没有处于正交方向，所带来的误差不是很大。比如，若存在5°的方向偏差，测量结果大约会产生0.4％的误差；为了提高测量的精度，再通过反向旋转、多次测量、求平均值的方法来降低实际的测量误差。由于操作测量装置的方法简单，因此，上述误差消除的方法很容易实现。
当然，对于加速度计器件本身来说，静态偏置是普遍存在的现象。设处在正、负重力加速度的作用下输出的数据分别为U1’、U2’，灵敏度为S，静态偏置为Uoff，则满足公式(1)：
U1’＝Sx1g+Uoff；U2’＝Sx(-1g)+Uof--------公式(1)
由此可得：
器件的灵敏度S为：S＝(U1’-U2’)/2，单位：每g
器件的静态偏置Uoff为：Uoff＝(U1’+U2’)/2
在此基础上，如果待测器件为单轴微型加速度计，那么，按照上述的操作方法，也可以测得器件的横向灵敏度，即加速度计器件在承受一个正交于敏感轴方向的加速度时，其敏感轴方向的输出与输入加速度的比值。将单轴加速度计旋转到正交于器件敏感轴的方向，即在90°和270°时，再将测得的输出数据利用上述灵敏度的公式进行计算，就可以得到器件的横向灵敏度。
如果待测的加速度计为三轴加速度计，那么利用上述方法，就可以直接测出X和Y方向上的灵敏度和静态偏置。而对于Z轴方向上的性能测试，只需要将测试板7翻转到如图4所示的位置，就可以实现。其具体的操作步骤是：
i)先测出未翻转前，加速度计器件在Y和Z方向上的灵敏度；
ii)翻转测试板后，再次测量Z方向上的灵敏度，以确保翻转前后对器件性能测试的结果保持一致；
iii)当上述两步测试的结果一致时，或者在允许的误差范围内，再驱动马达转动，使待测加速度计器件的轴心旋转到正交于原来的方向上，如图4所示，即在90°和270°，由此来完成对加速度计器件在X轴方向的性能测试。
此外，根据马达的驱动能力、测试装置的承载能力、以及测试精度的要求等条件，测试板的面积大小可以按照要求来定制，通过一次测试多颗器件的方式，可以大幅度提高测试的效率，降低测试的成本。
最后，从测试的过程可以发现，改变器件的受力方向，特别是在测试感应轴为X轴时的性能时，不必像传统的测量方法那样，通过手动拆装来改变器件的受力方向，使操作的过程更加便利，而且，既能保证测试的精度，又能提高测试的效率。灵敏度、轴心差角、静态偏置等性能指标的测试。同时，适当改变测试环境的温度和湿度等条件，可以完成基于此测试装置的加速度计相关性能的测试。比如通过对测试环境的改变，也可以实现对不同环境条件下器件性能的测试，如：不同温度和湿度对器件性能的影响等。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (6)

1.一种三轴微型加速度计静态性能的测试装置，其特征在于，其包括马达、传动轴、法兰、测试母板、Y方向定位板、间隔块、测试板、X方向定位板、插槽、转动装置、连接装置、待测器件定位槽和引线条，马达为测试平台的转动提供动力，传动轴是马达的动力传输装置且为测试平台的转动传输动力，法兰是将测试母板和连接装置固定在传动轴上，测试母板上装有用于测试一待测器件信号的测试回路并输出信号，Y方向定位板和X方向定位板组成牢固的“T”字形正交结构，并固定在连接装置上，间隔块固定于测试板的一端，测试板为两块并相对于马达转动的轴心对称安置，测试板上装有待测器件定位槽且一端插入插槽中，插槽安装在转动装置上，并分别置于X方向定位板的两侧，与测试母板有电线连接，连接装置固定在法兰上，用于机械连接转动装置、X方向定位板和Y方向定位板，引线条位于测试板的一端，连接测试板上的待测器件与插槽的电信号。
2.如权利要求1所述的三轴微型加速度计静态性能的测试装置，其特征在于，所述输出信号是电压信号或电容信号。
3.如权利要求1所述的三轴微型加速度计静态性能的测试装置，其特征在于，所述待测器件为一加速度计器件。
4.如权利要求3所述的三轴微型加速度计静态性能的测试装置，其特征在于，所述加速度计器件为单轴加速度计、双轴加速度计或三轴微型加速度计。
5.如权利要求1所述的三轴微型加速度计静态性能的测试装置，其特征在于，所述转动装置完成90°的转动后，测试板与X方向定位板相互平行。
6.一种如权利要求1所述的三轴微型加速度计静态性能的测试装置的测试方法，其特征在于，该方法通过地球引力的作用给待测器件施加一加速度信号，定义一个重力加速度单位大小为1g，通过马达的转动和测试板的翻转来改变待测器件的感应轴方向，使之在重力的作用下受到X轴、Y轴和Z轴三个轴向上的加速度的作用，以此来测试待测器件在三个轴向上的性能指标；
X轴的测试包括以下步骤：
S1，先测量测试板未翻转前，测试板面垂直于马达旋转的轴心，此时，待测器件的X感应轴与马达旋转的轴心平行，感应信号为0；
S2，测试板在XOY面内沿Z轴翻转90°后，由于待测器件的Z感应轴受重力作用方向并没有发生改变，所以再次测试待测器件的Z感应轴方向上的性能，将两次测试结果相对比，确保测试板翻转的角度为90°，此时，测试板面平行于马达转动的轴心；
S3，测试板在XOY面内沿Z轴翻转90°后，待测器件的X轴方向与Y轴方向平行；
S4，受重力作用，在马达旋转前，待测器件的X轴信号为-1g和+1g，旋转180°时，测试X轴信号为+1g和-1g；
Y轴和Z轴的测试包括以下步骤：
S21，首先测试Y轴+1g的信号，此时Z轴方向与重力方向垂直，感应信号为0；驱动马达顺时针旋转90°，测试Z轴+1g的信号，此时Y轴方向与重力方向垂直，感应信号为0；驱动马达顺时针旋转到180°，测试Y轴-1g的信号，此时Z轴方向与重力方向垂直，感应信号为0；驱动马达顺时针旋转到270°，测试Z轴-1g的信号，此时Y轴方向与重力方向垂直，感应信号为0；
S22，Y轴和Z轴测量结束后，驱动马达逆时针旋转270°，回到初始位置。
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Assignee: Danyang deep well Microelectronics Technology Co., Ltd.

Assignor: Senodia Semiconductor (Shanghai) Co., Ltd.

Contract record no.: 2012320000413

Denomination of invention: Test device for static properties of triaxial miniature accelerometer and test method thereof

License type: Common License

Open date: 20110126

Record date: 20120406

C56 Change in the name or address of the patentee
CP02 Change in the address of a patent holder

Address after: 201203, room 306, building A, building 3000, 1 East Dragon Road, Shanghai, Pudong New Area

Patentee after: Senodia Semiconductor (Shanghai) Co., Ltd.

Address before: 201203 Shanghai City Chenhui Road, Zhangjiang hi tech Park No. 88 Building No. 1 room 307

Patentee before: Senodia Semiconductor (Shanghai) Co., Ltd.

PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right

Denomination of invention: Test device for static properties of triaxial miniature accelerometer and test method thereof

Effective date of registration: 20140108

Granted publication date: 20120418

Pledgee: Bank of Beijing, Limited by Share Ltd, Shanghai branch

Pledgor: Senodia Semiconductor (Shanghai) Co., Ltd.

Registration number: 2014310000001

PLDC Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model
PC01 Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right

Date of cancellation: 20140808

Granted publication date: 20120418

Pledgee: Bank of Beijing, Limited by Share Ltd, Shanghai branch

Pledgor: Senodia Semiconductor (Shanghai) Co., Ltd.

Registration number: 2014310000001

PLDC Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model
PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right

Denomination of invention: Test device for static properties of triaxial miniature accelerometer and test method thereof

Effective date of registration: 20151228

Granted publication date: 20120418

Pledgee: Bank of Shanghai Limited by Share Ltd Pudong branch

Pledgor: Senodia Semiconductor (Shanghai) Co., Ltd.

Registration number: 2015310000052

PLDC Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model
PC01 Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right
PC01 Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right

Date of cancellation: 20210208

Granted publication date: 20120418

Pledgee: Bank of Shanghai Limited by Share Ltd. Pudong branch

Pledgor: Senodia Technologies (Shanghai) Co.,Ltd.

Registration number: 2015310000052

CP03 Change of name, title or address
CP03 Change of name, title or address

Address after: 312030 Building 5, intelligent innovation center, 487 Kebei Avenue, Keqiao Economic and Technological Development Zone, Keqiao District, Shaoxing City, Zhejiang Province

Patentee after: Shendi semiconductor (Shaoxing) Co.,Ltd.

Address before: Room 306, building a, building 1, 3000 Longdong Avenue, Pudong New Area, Shanghai 201203

Patentee before: Senodia Technologies (Shanghai) Co.,Ltd.