CN105823907B - 平行板电容型mems加速度计内建自测试电路及自测试方法 - Google Patents

平行板电容型mems加速度计内建自测试电路及自测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种平行板电容型MEMS加速度计内建自测试电路，以及一种自测试方法，对平行板电容加速度计提供电激励，将电容传感模块输出的信号进行放大，模数转换和数字处理，根据不同条件下的自测试供电电压V1和V2以及电容传感模块的输出响应Vc分析其灵敏度S，从而实现对平行板电容型MEMS加速度计的工艺缺陷进行诊断并且对电容加速度计的灵敏度S进行内建自测试。优化了外部环境和寄生电容对输出信号的影响，提高测试的标准化程度、降低对复杂测试仪器的依赖度，从而有效降低其测试与产品成本。

Description

平行板电容型MEMS加速度计内建自测试电路及自测试方法
技术领域
本发明涉及一种平行板电容型MEMS加速度计，尤其是一种平行板电容型MEMS加速度计内建自测试电路和相应的自测试方法。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)技术是在微电子制造工艺基础上吸收融合其它加工工艺技术逐渐发展起来的。是指采用微机械加工技术，可以批量制作的、集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯等于一体的微型器件或微型系统。MEMS技术起源于上个世纪五六十年代，但随着器件工艺的迅速发展，MEMS技术几乎应用到了各个领域，尤其是要求小尺寸、高精度、高可靠性及低功耗的高科技领域。给人类的生活产生了巨大的变化。
加速度计由检测质量块(也称敏感质量)、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成，是测量加速度的仪表，在航天、制造、航海以及汽车等领域具有实用价值。加速度计的类型较多：按检测质量块的位移方式分类有线性加速度计(检测质量作线位移)和摆式加速度计(检测质量绕支承轴转动)；按工作原理分类有振弦式、振梁式和摆式积分陀螺加速度计等；按输入轴数目分类，有单轴、双轴和三轴加速度计；按传感元件分类，有压电式、压阻式和电容式等。
平行板电容式加速度传感器是一类典型的新型MEMS传感器，其结构形式一般采用弹簧质量系统，质量块受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙，进而使电容值变化，产生电势差，基于电容变化的原理来对加速度进行检测的MEMS电容加速度计具有高精度、低温度敏感系数、低功耗、宽动态范围和微机械结构等优点而成为当前国内外的研究热点，同时由于其具有很好的直流响应，较好的信噪比，负载阻抗高，容易实现自检，高灵敏度，低漂移和低温度等，因而在现实生活中得到了广泛的应用。
但是由于过去MEMS加速度计的测试大多数是利用一种操作起来较复杂的物理激励，如力F和加速度a，导致整个过程耗时耗力，降低了生产效率；同时平行板电容型MEMS加速度计内部具有复杂的微机械结构，容易受外部环境和寄生电容的影响，测试这种器件的机制也变得越来越复杂，利用片外高精度的测试设备产生的测试费用也居高不下。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种平行板电容型MEMS加速度计内建自测试电路，以及一种平行板电容型MEMS加速度计内建自测试方法，利用片上生成的电信号作为测试激励，对平行板电容型MEMS加速度计的工艺缺陷进行诊断和输出响应进行片上分析；采用电信号为MEMS平行板电容型加速度计提供测试激励可以提高MEMS测试的标准化程度、降低对复杂测试仪 器的依赖度，从而有效降低其测试与产品成本。本发明采用的技术方案是：
一种平行板电容型MEMS加速度计内建自测试电路，包括：
用于提供电容变化量的电容传感模块，电容传感模块所需的两个自测试供电电压的值由片上数字处理模块输出；
数字处理模块，输出两个数字自测试供电电压信号并分别经过两个片上数字/模拟转换器转化为模拟电压值的两个自测试供电电压后分别连接到电容传感模块的两个相对的固定极板上；两个自测试供电电压大于0且不相同；
以及放大器、采样保持电路、积分器和一个模拟/数字转换器；
电容传感模块输出的代表电容变化量的响应输出信号依次通过放大器、采样保持电路、积分器和模拟/数字转换器后连接到数字处理模块的一个输入端；
电容传感模块两个固定极板上的自测试供电电压分别通过模拟/数字转换器后连接到数字处理模块的另外两个输入端；
数字处理模块接收模拟/数字转换器的各输出信号，内部分析判断后输出的数字自测试供电电压信号分别经过闭合开关K1和K2后输入至两个片上数字/模拟转换器的输入端，同时数字处理模块进行测试结果输出。
进一步地，所述电容传感模块包括相对的两个固定极板，以及位于两个固定极板间的可移动极板；可移动极板与两个固定极板间分别形成电容C1和C2；可移动极板的初始位置位于两个固定极板中间。
一种平行板电容型MEMS加速度计内建自测试方法，采用上述平行板电容型MEMS加速度计内建自测试电路，包括：内含自测试电路的加速度计上电进入自测试阶段；在自测试模式下，由两个大于0且不相同的自测试供电电压分别传送到电容传感模块的两个相对的固定极板上，从而使电容传感模块内的两个固定极板与可移动极板之间的间距发生变化，电容传感模块通过感应间距的变化从而输出代表两个固定极板与可移动极板之间电容变化量ΔC的响应电压值Vc，结合获得的两个固定极板上的电压V1和V2，从而计算得到此时加速度计的灵敏度S1并保存，同时判断此时的灵敏度S1是否为0，若为0，则测试不通过，停止加速度计运行，反之则重复改变这两个自测试供电电压为V1’和V2’，再次获得电容传感模块的响应电压Vc’，然后计算每一次改变自测试供电电压时的加速度计灵敏度S’并保存，最后将两次得到的值不为0的灵敏度S1和S’进行差值从而得到响应误差δ，并对差值运算结果进行分析和判断后获得测试结果，若δ不大于误差阈值δT，则测试通过，否则测试不通过,从而实现MEMS电容加速度计的内建自测试。
本发明的优点在于：本发明在无需额外标准测试信号源的条件下，实现了一种能够利用片上电激励，对MEMS电容加速度计的工艺缺陷进行诊断和对输出响应进行内建自测试。避免了外部环境和寄生电容对输出信号的影响，节省了加速度计测试设备的使用费用，具有结构简单，操作方便，成本低等特点。
附图说明
图1为平行板电容型MEMS加速度计典型结构图。
图2为本发明的平行板电容型MEMS加速度计内建自测试电路连接关系图。
图3为本发明的平行板电容型MEMS加速度计自测试流程图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是一种典型的平行板电容型MEMS加速度计，包括电容传感模块1和弹簧质量块20；电容传感模块1包括相对的两个固定极板101、102，以及位于两个固定极板间的可移动极板103；可移动极板103与两个固定极板101、102间分别形成可变电容C1和C2；可移动极板103的初始位置位于两个固定极板101、102中间；弹簧质量块20连接可移动极板103；本发明中，采用了一种典型的MEMS加速度计工作模式，也就是二阶弹簧-质量块-阻尼系统；可以表示的典型的数学公式式为：
其中m为可移动极板103的质量，b为系统(本文系统是指MEMS加速度计，下同)的阻尼因子，k为系统的弹簧系数，F为由于外力引起加速度和静电力形成的整个系统的驱动力；x为可移动极板103从两固定极板中间的初始位置发生的位移；为x的一阶微分，为x的二阶微分；固定极板101、102和可移动极板103之间形成了两个电容C1、C2；没有外部加速度和静电力的影响条件下，可移动极板3将位于两个固定极板101、102中间，此时左右两端具有相同的电容值C1和C2，当受到外部加速度或静电力的作用，两板级间的电容将会因为间距的变化而发生变化，且此时的表达式为：
其中ε为介电常数，A表示可移动极板和两个固定极板之间的覆盖面积；d0表示可移动极板103位于两固定极板中间的初始位置时与固定极板的距离；
在x<<d0时，左右两电容的变化量为：
根据静态分析，F＝ma,F＝kx得，
其中a为可移动极板的加速度；
将公式(1-4)代入公式(1-3)得，
由公式(1-5)可知，加速度a与电容的变化量ΔC成正比，ΔC与a比值为加速度计的灵敏度S，因此利用输出的代表电容的变化量的电压值和灵敏度，然后通过外围处理电路即可推算出待测的加速度。
为了实现片上平行板电容型MEMS加速度计片上内建自测试，本发明利用了 两个片上的测试电压激励信号作为输入，使电容传感模块产生一个代表电容的变化量的电压信号，两个开关K1和K2的作用是接入加速度计测试时所需要的自测试供电电压信号，具体电路如图2所示：电容传感模块1的两个固定极板分别与自测试供电电压V1和V2相连，此电压信号V1和V2是由数字处理模块6产生两个数字自测试供电电压信号，分别经过DAC数字/模拟转换器7、8后形成，电容传感模块1中的可移动极板的输出信号Vc先后经过放大器2放大、采样保持电路3进行采样保持、积分器4和ADC模拟/数字转换器5后输入到数字处理模块6，加速度计中两个固定极板上的自测试供电电压V1和V2经过ADC模拟/数字转换器5后也输入到数字处理模块6。
现有技术中，采用物理激励(比如施加外力)来测试加速度计，本发明则通过施加电激励进行测试，测试时可移动极板的加速度a仅由静电力引起；
图2中，平行板电容型MEMS加速度计的自测试具体工作原理为：根据平行板电容型加速度计的灵敏度S为在给定的加速度a下，加速度计的响应输出与输入加速度的比值，表示为：
其中Vc表示输出的代表电容变化量的电压值，即电容传感模块1输出的代表电容变化量的响应输出信号。将V1和V2分别定义为施加至加速度计中电容C1和C2上的电压；则在自测试供电电压V1和V2电激励输入的作用下得到的两个静电力F1和F2分别为：
ε为介电常数，A表示可移动极板和两个固定极板之间的覆盖面积；d0表示可移动极板103位于两固定极板中间的初始位置时与固定极板的距离；x表示可移动极板产生的位移；
由公式(1-7)可知总静电力F＝F1-F2的大小取决施加于电容两端的电压V1和V2以及可移动极板位移量x的大小，同时在可移动极板位移量x<<d0的条件下，公式F＝F1-F2为：
由此得到在没有外力作用下，而仅有静电力作用下的可移动极板加速度a为：
将公式(1-9)代入公式(1-6)，并令k’＝2*m*d0 2/εA，k’为常数得：
利用公式(1-10)可以得到在两次不同测试电压条件下各自的灵敏度S1和S’为：
从而计算S1和S’二者差值：
δ＝|S1-S'| (1-12)
根据公式(1-12)在数字处理模块6中设定误差阈值δT，当δ≤δT时，说明电容加速度计正常工作，测试通过；否则说明电容加速度计工作异常，测试不通过；由此实现电容加速度计的自测试。
根据图1、图2所示原理，整个电容加速度计自测试的工作流程图如图3所示：器件上电后，开始自测试，数字处理模块6首先读取由于工艺误差产生的偏置电压(零点电压)，紧接着开关K1、K2闭合，内部产生电容传感模块1内两个固定极板上的自测试供电电压值V1和V2，并读取此时的电容传感模块的响应输出信号Vc，然后计算出此时的灵敏度S1并判断是否为0，若是，说明电容传感模块1无法对内部固定极板与可移动极板之间的距离正常响应，则测试不通过，断开开关K1和K2，同时停止芯片运行，否则保存灵敏度S1并进行下一步操作；数字处理模块6内部继续调整设置两个固定极板上的供电电压值，并读取此时的两个固定极板上的自测试供电电压值V1’、V2’和电容传感模块的响应输出信号Vc’后计算出此时的灵敏度S’并保存，然后对灵敏度S1和S’进行差值，通过比较响应误差δ与误差阈值δT的大小对测试结果进行分析和判断。若测试结果无误，则再次测试，重复上诉步骤直至满足测试质量要求为止；若测试过程中出现一次错误，则停止整个芯片的运行，开关K1、K2断开，表示测试不通过，反之则测试通过。
最后需要说明的是，本发明中的“片上”指的是加速度计芯片内，即上述自测试电路是建立在加速度计芯片内部的。
本发明在分析MEMS加速度计灵敏度S基础上，根据不同条件下的自测试供电电压V1和V2以及加速度计的输出响应Vc，提出了对平行板电容型MEMS加速度计灵敏度的自测试方案。此系统采用电信号为器件提供测试激励可以提高测试的标准化程度、降低对复杂测试仪器的依赖度，从而有效降低其测试与产品成本。

Claims (4)

1.一种平行板电容型MEMS加速度计内建自测试电路，其特征在于，包括：
用于提供电容变化量的电容传感模块(1)，电容传感模块(1)所需的两个自测试供电电压的值由片上数字处理模块(6)输出；
数字处理模块(6)，输出两个数字自测试供电电压信号并分别经过两个片上数字/模拟转换器(7、8)转化为模拟电压值的两个自测试供电电压后分别连接到电容传感模块(1)的两个相对的固定极板上；两个自测试供电电压大于0且不相同；
以及放大器(2)、采样保持电路(3)、积分器(4)和一个模拟/数字转换器(5)；
电容传感模块(1)输出的代表电容变化量的响应输出信号依次通过放大器(2)、采样保持电路(3)、积分器(4)和模拟/数字转换器(5)后连接到数字处理模块(6)的一个输入端；
电容传感模块(1)两个固定极板上的自测试供电电压分别通过模拟/数字转换器(5)后连接到数字处理模块(6)的另外两个输入端；
数字处理模块(6)接收模拟/数字转换器(5)的各输出信号，内部分析判断后输出的数字自测试供电电压信号分别经过闭合开关K1和K2后输入至两个片上数字/模拟转换器(7、8)的输入端，同时数字处理模块(6)进行测试结果输出。
2.如权利要求1所述的平行板电容型MEMS加速度计内建自测试电路，其特征在于：
所述电容传感模块(1)包括相对的两个固定极板(101、102)，以及位于两个固定极板间的可移动极板(103)；可移动极板(103)与两个固定极板(101、102)间分别形成电容C1和C2；可移动极板(103)的初始位置位于两个固定极板(101、102)中间。
3.一种平行板电容型MEMS加速度计内建自测试方法，采用如权利要求1或2所述的平行板电容型MEMS加速度计内建自测试电路，其特征在于：
内含自测试电路的加速度计上电进入自测试阶段；在自测试模式下，由两个大于0且不相同的自测试供电电压分别传送到电容传感模块的两个相对的固定极板上，从而使电容传感模块内的两个固定极板与可移动极板之间的间距发生变化，电容传感模块通过感应间距的变化从而输出代表两个固定极板与可移动极板之间电容变化量ΔC的响应输出信号Vc，结合获得的两个固定极板上的电压V1和V2，从而计算得到此时加速度计的灵敏度S1并保存，同时判断此时的灵敏度S1是否为0，若为0，则测试不通过，停止加速度计运行，反之则重复改变这两个自测试供电电压为V1’和V2’，再次获得电容传感模块的响应输出信号Vc’，然后计算每一次改变自测试供电电压时的加速度计灵敏度S’并保存，最后将两次得到的值不为0的灵敏度S1和S’进行差值从而得到响应误差δ，并对差值运算结果进行分析和判断后获得测试结果，若δ不大于误差阈值δT，则测试通过，否则测试不通过,从而实现平行板电容型MEMS加速度计的内建自测试。
4.如权利要求3所述的平行板电容型MEMS加速度计内建自测试方法，其特征在于，具体包括：
平行板电容型MEMS加速度计的灵敏度S表示为：
其中Vc表示电容传感模块输出的代表电容变化量ΔC的响应输出信号；a为可移动极板的加速度；在自测试供电电压V1和V2电激励输入的作用下得到的两个静电力F1和F2分别为：
ε为介电常数，A表示可移动极板和两个固定极板之间的覆盖面积；d0表示可移动极板位于两固定极板中间的初始位置时与固定极板的距离；x表示可移动极板产生的位移；
由公式(1-7)得知总静电力F＝F1-F2；同时在可移动极板位移量x<<d0的条件下，公式F＝F1-F2为：
由此得到在仅有静电力作用下的可移动极板加速度a为：
将公式(1-9)代入公式(1-6)，并令k’＝2*m*d0 2/εA，m为可移动极板的质量，k’为常数，得：
利用公式(1-10)可以得到在两次不同测试电压条件下各自的灵敏度S1和S’为：
从而计算S1和S’二者差值：
δ＝|S1-S'| (1-12)
根据公式(1-12)在数字处理模块(6)中设定误差阈值δT，当δ≤δT时，说明平行板电容型MEMS加速度计正常工作，测试通过；否则说明平行板电容型MEMS加速度计工作异常。
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