CN106092175A - 一种谐振式传感器的频率特性测试系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多频扫描技术的谐振式传感器频率特性测试系统及实现方法，属于传感器领域。该测试系统主要包括七部分，分别为主控芯片0、上位机1、控制开关2、安全检测模块3、D/A转换模块4、待测传感器5、接口电路6和A/D转换模块7。本发明采用多频扫描的频率特性测试的方法，在保证测试质量的前提下极大地提高了测试效率；该测试系统的硬件电路成本低，使用简单方便。同时系统集成了安全检测模块，易于结合其他自动化设备实现自动化测试，从而进一步降低生产研发成本；采用数字算法进行测试数据处理，抗干扰能力强，系统可靠性好，功耗低。

Description

一种谐振式传感器的频率特性测试系统及实现方法

一、技术领域

本发明涉于传感器领域，特别是涉及一种基于多频扫描技术的谐振式传感器频率特性测试系统及实现方法。

二、背景技术

谐振式传感器是利用谐振器把被测物理量转换为频率信号的一类传感器，该类传感器的精度高，稳定性好，且输出为准数字信号，接口方便，在生产生活中有着非常广泛的应用。

测试是传感器研制过程中的重要环节，高效的测试手段对于谐振式传感器的研发和生产起着至关重要的作用，而频率特性测试技术是谐振式传感器测试的关键技术之一。2012年西北工业大学李晓莹等在论文“基于稳态扫频的MEMS谐振压力传感器芯片测试”中提出了一种稳态扫频的硅谐振压力传感器频率特性测试方法，该方法精度较高，但是效率较低。2014年清华大学邓炎等人在论文“高效率的MEMS陀螺管芯动态特性测试方法”中提出了一种直接多频激励的频率特性测试方法，该方法测试效率较高，但是叠加信号过多，因此对幅值影响大，信噪比较低，且对激励电压有较高要求的传感器很难实现。2015年中国电子科技集团第十三研究所的张旭辉等人在论文“低阻尼MEMS加速度传感器频率特性快捷测试法”中提出了一种冲击测试的快捷测试方法，该方法测试效率高，但是对于阻尼比较大的传感器很难测得输出信号。

在谐振式传感器测试系统方面，国内外研究人员也做了一些报导。2004年三星尖端技术研究所Vladimir Skvortzov等在论文“Development of a Gyro Test System atSamsung Advanced Institute of Technology”报道了一种基于通用设备组成的测试系统，该系统各项性能指标均较高，同时稳定性和可靠性较好，但是其系统体积庞大，而且成本较高，连线也比较复杂，只能进行管壳级测试，不能实现自动化。2006年北京航空航天大学肖志敏在论文“硅谐振式传感器开环特性测试分析系统的研究与实现”提出了一种基于锁定放大器的硅谐振式微传感器频率特性测试系统，该系统能够较为准确的获得传感器频率特性曲线和特征值，但依然是管壳级测试，测试效率较低。自从2000年以来，SUSSMicroTec公司陆续推出了一些MEMS器件圆片级测试技术和设备，但这类设备价格昂贵。

三、发明内容

为了解决现有技术的不足，高效稳定的实现谐振式传感器的测试，本发明提出了一种基于多频扫描技术的谐振式传感器测试系统及实现方法。

本发明提出的基于多频扫描技术的谐振式传感器频率特性测试系统主要包括七部分，分别为主控芯片0、上位机1、控制开关2、安全检测模块3、D/A转换模块4、待测传感器5、接口电路6和A/D转换模块7。

所述的主控芯片0根据不同传感器的测试需求，可以为微处理器、数字逻辑器件。

所述的上位机1主要用于发送控制指令、接收和处理测试数据，根据数据传输速率采用合适的外部总线与主控芯片0连接实现互相通信。

所述的控制开关2可以为数字开关、模拟开关，通过主控芯片控制其实现安全测试和多频扫描两种测试模式的自动切换。控制开关2的控制端和输入端与主控芯片相连，输出端分别与安全检测模块3和D/A转换模块4相连。

所述安全检测模块3主要对待测传感器5相关引脚进行短路测试，防止因为待测传感器5加工问题损坏后级测试电路。安全检测模块3与主控芯片0和待测传感器5相连，给待测传感器5提供测试信号、接收待测传感器5的测试结果，并将测试结果传送至主控芯片0，

所述的D/A转换模块4与待测传感器5的驱动极相连，根据驱动信号要求，可以添加低通滤波器、带通滤波器或高通滤波器。

所述的待测传感器5可以为谐振式压力传感器、谐振式陀螺或者其他需要测试频率特性的传感器。待测传感器5的检测极与接口电路6相连，进行相应的信号处理。

所述的接口电路6根据不同待测传感器5而不同，其功能是将待测传感器5输出信号转换为电压或者电流值，接口电路6的输出端与A/D转换模块7相连。

所述的A/D转换模块7将模拟信号转换为数字信号，传送给主控芯片0进行数据处理。

本发明还提出了一种基于多频扫描技术的频率特性测试方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：主控芯片0通过数字信号合成算法生成多频叠加的数字信号S_n，其中A为单一频率信号幅值，f_s和f_e分别为频率特性测试的起始频率和截止频率，m为叠加单一频率信号个数，可以根据传感器的具体特性进行设置，n＝1，2，…，(f_e-f_s)/(m*l)且默认初始值为1，f_n＝f_s+(n-1)*l,l为频率测试精度。

步骤2：数字信号S_n通过D/A转换模块4转换为模拟信号，并输入到待测传感器5的驱动端对传感器进行驱动；

步骤3：在驱动信号的作用下待测传感器5产生对应的输出量，经过接口电路6得到的输出信号q_n；

步骤4：输出信号q_n通过A/D转换模块7转换成数字信号Q_n(t)，传输给主控芯片0；

步骤5：主控芯片0通过相关算法将Q_n(t)转换为Q_n(ω)，从而获得q_n在驱动信号各个叠加频率点f_n、f_n+(f_e-f_s)/m、…、f_n+(f_e-f_s)(m-1)/m处分别对应的幅值和相位信息。

步骤6：判断如果满足条件n＜(f_e-f_s)/(m*l)，则n＝n+1并返回执行步骤1；如果不满足该条件，则证明已完成f_s到f_e范围内所有频率点的测试，结束测试。

本发明的有益效果是：

第一，采用多频扫描的频率特性测试的方法，克服了稳态扫描和直接多频激励的弊端，并且结合了两种测试方法的优点，在保证测试质量的前提下极大地提高了测试效率；

第二，该测试系统的硬件电路成本低，使用简单方便。同时系统集成了安全检测模块，易于结合其他自动化设备实现自动化测试，从而进一步降低生产研发成本。

第三，采用数字算法进行测试数据处理，抗干扰能力强，系统可靠性好，功耗低。

四、附图说明

图1是本发明提出的基于多频扫描技术的谐振式传感器频率特性测试系统框图；

图2是实施例2中提出的基于多频扫描技术的硅微谐振压力传感器的圆片级测试系统框图；

图中：

0.主控芯片 1.上位机 2.控制开关 3.安全检测模块 4.D/A转换模块

5.待测传感器 6.接口电路 7.A/D转换模块 8.自动探针台

五、具体实施方式

实施例1：

本实例中给出了一种基于多频扫描技术的硅微谐振压力传感器管壳级测试系统及实现方法，参阅图1。该系统主要由主控芯片0，上位机1，控制开关2，安全检测模块3，D/A转换模块4，待测传感器5，接口电路6，A/D转换模块7八部分组成。其中：主控芯片0为FPGA；上位机1为LabVIEW；主控芯片0和上位机1通过UART接口实现通信；待测传感器5为硅微谐振压力传感器；主控芯片0通过控制开关2分别选通安全检测模块3或D/A转换模块4；安全检测模块3主要由跨阻放大器进行短路测试，以对待测传感器5进行初步筛选，同时防止待测传感器5短路对测试电路造成损害；D/A转换器4为16位；A/D转换器7为12位；接口电路6主要有跨阻放大器和低通滤波器组成，提取待测传感器5输出信号并转换成电压信号；本实施例中频率特性测试的起始频率f_s为34KHz，截止频率f_e为36KHz，频率测试精度l为1Hz，所叠加信号个数m为4。

本是实施例中基于多频扫描技术的硅微谐振压力传感器管壳级测试系统的实现方法包括以下步骤：

步骤1：上位机1通过UART接口给主控芯片0发送启动测试指令，主控芯片0准备开始安全测试；

步骤2：主控芯片0通过控制开关2将待测传感器5的相关引脚与安全检测模块3连通，安全检测模块3通过跨阻放大器进行短路测试，跨阻放大器输出信号作为安全检测反馈信号输入主控芯片0，由主控芯片对安全检测结果做出判断；

步骤3：如果安全检测未通过，主控芯片0通过UART接口给上位机1发送终止测试信号；

步骤4：如果安全检测通过，主控芯片0通过控制开关2将待测传感器5与安全检测模块3断开，同时将待测传感器5的驱动端与D/A转换模块4的输出端连通；

步骤5：主控芯片0通过DDS数字信号合成算法生成精度为16位的多频叠加的数字信号S_n，S_n＝sin(2π(34000+n-1))+sin(2π(34500+n-1))+sin(2π(35000+n-1))+sin(2π(35500+n-1))，其中n＝1，2，…，500且默认初始值为1；

步骤6：数字信号S_n通过精度为16位的D/A转换模块4转换为模拟信号，并输入到待测传感器5的驱动端对传感器进行驱动；

步骤7：在驱动信号的作用下待测传感器5产生对应的输出量，经过接口电路6得到的输出信号q_n；

步骤8：输出信号q_n通过A/D转换模块7转换成12位数字信号Q_n(t)，回传给主控芯片0；

步骤9：主控芯片0通过相关算法将Q_n(t)转换为Q_n(ω)，从而获得q_n在驱动信号各个叠加频率点34001+n、34501+n、35001+n、35501+n处分别对应的幅值和相位信息。

步骤10：判断如果满足条件n＜500，则将已测得四个频率点的幅值和相位信息发送至上位机暂存且令n＝n+1并返回执行步骤5；如果不满足该条件，则证明已完成34KHz到36KHz范围内，间隔1Hz的所有频率点的测试，主控芯片0通过UART向上位机1发送结束测试请求信号。

步骤11：上位机1根据存储的测试结果绘制该待测传感器5的频率特性曲线图，标注该传感器的测试结果，显示和存储相关测试数据。

实施例2：

本实例中给出了一种基于多频扫描技术的硅微谐振式加速度计的圆片级测试系统及其实现方法，该系统能够实现传感器封装前的自动化测试。参阅图2，该系统主要由主控芯片0，上位机1，控制开关2，安全检测模块3，D/A转换模块4，待测传感器5，接口电路6，A/D转换模块7和自动探针台8九部分组成。其中主控芯片0为ARM；上位机1为LabVIEW；主控芯片0和上位机1通过USB接口实现通信；待测传感器5为整个硅晶圆上的一个传感器芯体；主控芯片0通过控制开关2分别选通安全检测模块3或D/A转换模块4；安全检测模块3主要由跨阻放大器进行短路测试，以对待测传感器5进行初步筛选，同时防止待测传感器5短路对测试电路造成损害；D/A转换器为12位，A/D转换器为16位；接口电路6主要有电荷放大器和带通滤波器组成，提取待测传感器5输出信号并转换成电压信号；系统各电路模块集成在探针卡上，探针卡固定在自动探针台8上，上位机1与自动探针台8通过GPIB接口实现通信，自动探针台8通过自动移动硅晶圆依次将将所有待测传感器5接入测试电路进行测试；本实施例中频率特性测试的起始频率f_s为21KHz，截止频率f_e为25KHz，频率测试精度l为2Hz，所叠加信号个数m为4，最后一个待测芯体的位置坐标为9Y。

本实施例提出的基于多频扫描技术的硅微谐振压力传感器圆片级测试系统的实现方法包括以下步骤：

步骤1：上位机1通过GPIB接口给自动探针台8发送指令，自动探针台8移动硅晶圆和探针卡，将晶圆上的第一个待测传感器5与探针卡上的测试电路连通；

步骤2：上位机1通过USB接口给主控芯片0发送启动测试指令，主控芯片0准备开始安全测试；

步骤3：主控芯片0通过控制开关2将待测传感器5的相关引脚与安全检测模块3连通，安全检测模块3通过跨阻放大器进行短路测试，跨阻放大器输出信号作为安全检测反馈信号输入主控芯片0，由主控芯片对安全检测结果做出判断；

步骤4：如果安全检测未通过，主控芯片0通过USB接口给上位机1发送结束测试请求。上位机1接到请求后，通过GPIB接口给自动探针台8发送指令，自动探针台8移动探针卡和硅晶圆，将下一个待测传感器5与探针卡上的测试电路连通，执行步骤2、3；

步骤5：如果安全检测通过，主控芯片0通过控制开关2将待测传感器芯体5的各端口与安全检测模块3断开，同时将待测传感器5的驱动端与D/A转换模块4的输出端连通；

步骤6：主控芯片0通过DDS数字信号合成算法生成精度为12位的多频叠加的数字信号S_n，S_n＝sin(2π(21000+2*(n-1)))+sin(2π(22000+2*(n-1)))+sin(2π(23000+2*(n-1)))+sin(2π(24000+2*(n-1)))，其中n＝1，2，…，500且默认初始值为1；

步骤7：数字信号S_n通过精度为12位的D/A转换模块4转换为模拟信号，并输入到待测传感器5的驱动端对传感器进行驱动；

步骤8：在驱动信号的作用下待测传感器5产生对应的输出量，经过接口电路6得到的输出信号q_n；

步骤9：输出信号q_n通过A/D转换模块7转换成16位数字信号Q_n(t)，回传给主控芯片0；

步骤10：主控芯片0通过相关算法将Q_n(t)转换为Q_n(ω)，从而获得q_n在驱动信号各个叠加频率点21002+2n、22002+2n、23002+2n、24002+2n处分别对应的幅值和相位信息。

步骤11：判断如果满足条件n＜500，则将已测得四个频率点的幅值和相位信息发送至上位机暂存且令n＝n+1并返回执行步骤6；如果不满足该条件，则证明单个待测传感器芯体已完成21KHz到25KHz范围内，间隔2Hz的所有频率点的测试，主控芯片0通过UART向上位机1发送结束测试请求信号，上位机1完成该传感器芯体的相关数据处理及存储。

步骤12：如果该测试芯体坐标不是9Y，上位机1通过GPIB接口给自动探针台8发送指令，自动探针台8移动探针卡和硅晶圆，将下一个待测传感器5与探针卡上的测试电路连通并返回执行步骤2；如果该测试芯体的坐标是9Y，结束测试。

Claims (2)

1.一种谐振式传感器频率特性测试系统，其特征在于，主要包括主控芯片0、上位机1、控制开关2、安全检测模块3、D/A转换模块4、待测传感器5、接口电路6和A/D转换模块7；

所述的主控芯片0根据不同传感器的测试需求，可以为微处理器、数字逻辑器件；

所述的上位机1主要用于发送控制指令、接收和处理测试数据，根据数据传输速率采用合适的外部总线与主控芯片0连接实现互相通信；

所述的控制开关2可以为数字开关、模拟开关，通过主控芯片控制其实现安全测试和多频扫描两种测试模式的自动切换；控制开关2的控制端和输入端与主控芯片相连，输出端分别与安全检测模块3和D/A转换模块4相连；

所述安全检测模块3主要对待测传感器5相关引脚进行短路测试，防止因为待测传感器5加工问题损坏后级测试电路；安全检测模块3与主控芯片0和待测传感器5相连，给待测传感器5提供测试信号、接收待测传感器5的测试结果，并将测试结果传送至主控芯片0，

所述的D/A转换模块4与待测传感器5的驱动极相连，根据驱动信号要求，可以添加低通滤波器、带通滤波器或高通滤波器；

所述的待测传感器5可以为谐振式压力传感器、谐振式陀螺或者其他需要测试频率特性的传感器；待测传感器5的检测极与接口电路6相连，进行相应的信号处理；

所述的接口电路6根据不同待测传感器5而不同，其功能是将待测传感器5输出信号转换为电压或者电流值，接口电路6的输出端与A/D转换模块7相连；

所述的A/D转换模块7将模拟信号转换为数字信号，传送给主控芯片0进行数据处理。

2.基于如权利要求所述的测试系统进行谐振式传感器频率特性测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：主控芯片0通过数字信号合成算法生成多频叠加的数字信号S_n，其中A为单一频率信号幅值，f_s和f_e分别为频率特性测试的起始频率和截止频率，m为叠加单一频率信号个数，可以根据传感器的具体特性进行设置，n＝1，2，…，(f_e-f_s)/(m*l)且默认初始值为1，f_n＝f_s+(n-1)*l,l为频率测试精度；

步骤2：数字信号S_n通过D/A转换模块4转换为模拟信号，并输入到待测传感器5的驱动端对传感器进行驱动；

步骤3：在驱动信号的作用下待测传感器5产生对应的输出量，经过接口电路6得到的输出信号q_n；

步骤4：输出信号q_n通过A/D转换模块7转换成数字信号Q_n(t)，传输给主控芯片0；

步骤5：主控芯片0通过相关算法将Q_n(t)转换为Q_n(ω)，从而获得q_n在驱动信号各个叠加频率点f_n、f_n+(f_e-f_s)/m、…、f_n+(f_e-f_s)(m-1)/m处分别对应的幅值和相位信息；

步骤6：判断如果满足条件n＜(f_e-f_s)/(m*l)，则n＝n+1并返回执行步骤1；如果不满足该条件，则证明已完成f_s到f_e范围内所有频率点的测试，结束测试。