CN115047214B - 一种mems加速度传感器芯片的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本说明书实施例公开了一种MEMS加速度传感器芯片的检测方法及装置,属于传感器检测技术领域。方法包括：基于预设直流电压使所述MEMS加速度传感器芯片中的质量块发生位移，产生电压输出，通过预设数据采集条件，采集输出电压获得第一采集信号；过滤第一采集信号中的直流电平分量，获得第二采集信号；若第二采集信号为阻尼衰减振荡信号，则根据第二采集信号及品质因子计算方式，计算出MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算值；将品质因子计算值与MEMS加速度传感器芯片的品质因子预计值对比，获得对比结果，以基于对比结果，实现对MEMS加速度传感器芯片的检测。

Description

一种MEMS加速度传感器芯片的检测方法及装置

技术领域

本说明书涉及传感器检测技术领域，尤其涉及一种MEMS加速度传感器芯片的检测方法及装置。

背景技术

微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)，利用微纳米加工技术，在硅片上实现微型机械结构，可用于压力、加速度、角速度等物理量的感知。MEMS因其微型化、可集成、成本低、功耗低等优点广泛应用在消费电子、汽车电子、生物医疗等领域，MEMS加速度传感器便是其中一种。在MEMS加速度传感器设计完成后，对加速度传感器芯片性能的检测是保证其正常使用的一个重要环节。

MEMS加速度传感器的品质因数值的大小，会直接影响MEMS加速度传感器的机械热噪声水平，是MEMS加速度传感器噪声水平的重要影响因素。目前使用的基于开环频率特性进行检测的方法无法对高品质因子MEMS传感器芯片进行检测。

因此需要一种可以检测高品质因子MEMS加速度传感器芯片品质因子的方法。

发明内容

本说明书一个或多个实施例提供了一种MEMS加速度传感器芯片的检测方法，用于解决现有的无法对高品质因子MEMS加速度传感器进行检测的技术问题，提高了MEMS加速度传感器芯片的检测精度。

本说明书一个或多个实施例采用下述技术方案：

本说明书一个或多个实施例提供一种MEMS加速度传感器芯片的检测方法，包括：

将预设直流电压施加在MEMS加速度传感器芯片中的质量块上，以使所述质量块移向所述MEMS加速度传感器芯片中的上极板或下极板；

将所述直流电压关闭，以使所述质量块在所述上极板与所述下极板间振荡，以使使所述质量块与所述上极板间或所述质量块与所述下极板间的电容发生变化，并基于与所述MEMS加速度传感器芯片相连接的检测电路，将所述电容变化转换为输出信号；

通过预设数据采集方式，采集所述输出信号，获得第一采集信号；

过滤所述第一采集信号中的直流电平分量，获得第二采集信号；

若所述第二采集信号为阻尼衰减振荡信号，则根据所述第二采集信号以及所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式，确定所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算值；

将所述品质因子计算值与所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子预计值对比，获得对比结果，以基于所述对比结果，实现对所述MEMS加速度传感器芯片的检测。

在本说明书一个或多个实施例中，所述过滤所述第一采集信号中的直流电平分量，获得第二采集信号之前，所述方法还包括：

将所述MEMS加速度传感器芯片置于无外力的平衡状态，以采集所述信号采集装置以及所述MEMS加速度传感器芯片对应的检测电路中的偏置电压，获得多个电压值；

对所述多个电压值进行均值运算，获得所述第一采集信号中的直流电平分量。

在本说明书一个或多个实施例中，所述根据所述第二采集信号以及所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式，确定所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算值，具体包括：

截取所述第二采集信号中的有效数据，获得第三采集信号；其中，所述有效数据为所述质量块在上极板与所述下极板间振荡时，对应与所述振荡的中间时段产生的数据；

提取所述第三采集信号中的多个峰值点，并获取与所述多个峰值点相对应的时刻；

根据所述MEMS加速度传感器芯片所对应的阻尼振荡包络线，对所述第三采集信号中的多个波峰点对应电压输出的对数值以及与所述多个波峰点相对应的时刻进行直线拟合，获得对应的直线斜率，以基于所述直线斜率确定所述MEMS加速度传感器芯片的振荡衰减系数σ；

基于所述振荡衰减系数σ，确定所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式，以根据所述品质因子计算方式获得所述加速度传感器芯片的品质因子计算值。

在本说明书一个或多个实施例中，所述基于所述振荡衰减系数σ，确定所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式，具体包括：

基于所述第三采集信号中起始值对应的索引值与所述第三采集信号中结束值对应的索引值，以及所述预设数据采集条件中的采样频率，确定所述第三采集信号的阻尼振荡周期；

基于所述阻尼振荡周期获取所述第三采集信号的阻尼振荡频率；

基于所述阻尼振荡频率与所述振荡衰减系数，确定所述MEMS加速度传感器芯片的自然谐振频率计算值；

根据所述振荡衰减系数与所述自然谐振频率计算值，确定所述MEMS加速度传感器芯片的阻尼比；

基于所述阻尼比，确定所述MEMS加速度传感器芯片的初始品质因子计算方式；

基于所述振荡衰减系数与所述阻尼振荡频率对所述初始品质因子计算方式进行处理，获得所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式。

在本说明书一个或多个实施例中，所述通过预设采集方式采集所述输出信号，获得第一采集信号之前，方法还包括：

根据所述MEMS加速度传感器芯片的预设噪声水平，获取与所述MEMS加速度传感器芯片相对应的机械噪声的预计值；

基于所述MEMS加速度传感器芯片相对应的机械噪声的预计值，确定所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子预计值。

在本说明书一个或多个实施例中，通过预设数据采集方式，采集所述输出信号，获得第一采集信号，具体包括：

基于所述MEMS加速度传感器芯片中弹性梁的弹簧系数与所述MEMS加速度传感器芯片中质量块的质量，确定所述MEMS加速度传感器芯片的自然谐振频率理论值；

基于所述自然谐振频率理论值，确定所述预设数据采集条件中的采样频率；其中，所述采样频率大于所述自然谐振频率的2倍；

基于所述品质因子预计值，确定所述预设数据采集条件中的采样时间；

根据所述采样频率与所述采样时间，对所述输出信号进行采集获得第一采集信号。

在本说明书一个或多个实施例中，所述过滤所述第一采集信号中的直流电平分量，获得第二采集信号之后，所述方法还包括：

若所述第二采集信号不是阻尼衰减振荡信号，则确定所述MEMS加速度传感器芯片的结构不符合要求。在本说明书一个或多个实施例中，将所述品质因子计算值与所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子预计值对比，获得对比结果，以基于所述对比结果，实现对所述MEMS加速度传感器芯片的检测，具体包括：

若所述品质因子计算值小于所述品质因子预计值，且所述品质因子计算值与所述品质因子预计值的偏差大于预设阈值，则确定所述MEMS加速度传感器芯片的真空封装工艺不符合性能要求；

若所述品质因子计算值小于所述品质因子预计值，且所述品质因子计算值与所述品质因子预计值的偏差小于预设阈值，则说明所述MEMS加速度传感器芯片所对应的真空封装工艺符合性能要求；

若所述品质因子计算值大于所述品质因子预计值，则说明所述MEMS加速度传感器芯片所对应的真空封装工艺符合性能要求。

在本说明书一个或多个实施例中，所述通过预设数据采集方式，采集所述输出信号，获得第一采集信号之前，所述方法还包括：

基于预设的与所述MEMS加速度传感器芯片相对应的抗混叠滤波单元，过滤所述输出信号中大于1/2采样频率的频率成份，获得过滤后的输出信号；

采集所述过滤后的输出信号，并将其转换为对应的数字信号，以便对所述数字信号进行采集获得第一采集信号。

本说明书一个或多个实施例提供一种MEMS加速度传感器芯片的检测装置，其特征在于，所述装置包括：控制单元、采集单元、处理单元、检测单元；

所述控制单元用于将预设直流电压施加在MEMS加速度传感器芯片中的质量块上，以使所述质量块移向所述MEMS加速度传感器芯片中的上极板或下极板；

所述控制单元还用于将所述直流电压关闭，以使所述质量块在所述上极板与所述下极板间振荡，使所述质量块与所述上极板间或所述质量块与所述下极板间的电容发生变化，并基于与所述MEMS加速度传感器芯片相连接的检测电路，将所述电容变化转换为输出信号；

所述采集单元用于通过预设数据采集方式，采集所述输出信号，获得第一采集信号；

所述处理单元用于过滤所述第一采集信号中的直流电平分量，获得第二采集信号；

所述处理单元还用于若所述第二采集信号为阻尼衰减振荡信号，则根据所述第二采集信号以及所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式，确定所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算值；

所述检测单元用于将所述品质因子计算值与所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子预计值对比，获得对比结果，以基于所述对比结果，实现对所述MEMS加速度传感器芯片的检测。

本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

通过过滤第一采集信号中的直流电平分量，提高了计算结果的准确性。在第二采集信号为阻尼衰减振荡信号时，基于第二采集信号确定所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式，从而基于品质因子的计算值，实现对MEMS加速度传感器芯片的检测。避免了现有基于开环频率特性进行检测时无法对高品质因子MEMS加速度传感器的品质因子进行计算，实现了对高品质因子MEMS加速度传感器芯片的检测。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本说明书实施例提供的一种MEMS加速度传感器芯片的结构示意图；

图2为本说明书实施例提供的一种MEMS加速度传感器芯片的检测方法的方法流程示意图；

图3为本说明书实施例提供的一种MEMS加速度传感器检测装置的原理框图；

图4为本说明书实施例提供的一种应用场景下MEMS加速度传感器芯片的信号采集模块的示意图；

图5为本说明书实施例提供的一种MEMS加速度传感器芯片的输出信号示意图；

图6为本说明书实施例提供的一种MEMS加速度传感器芯片中品质因子计算模块示意图；

图7为本说明书实施例提供的一种MEMS加速度传感器芯片的检测装置的内部结构示意图。

具体实施方式

本说明书实施例提供一种MEMS加速度传感器芯片的检测方法及装置。

为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明书保护的范围。

图1为本说明书实施例提供的一种MEMS加速度传感器芯片的结构示意图。图1中所示的典型的电容式MEMS加速度传感器芯片，用于感知加速度信号。当受到外部加速度信号的作用使质量块发生位移后，中上极板和中下极板间的电容发生变化，MEMS加速度传感器芯片将质量块的位移转换为MEMS加速度传感器芯片的电容变化。由图1可知，MEMS加速度传感器芯片的质量块由一个或多个弹性梁悬挂在MEMS加速度传感器芯片的框架中。而质量块的上下两面有两个相互导通并与质量块联动的平面电极，分别为第一电极与第二电极。与质量块的上下两面电极相对应的框架面上固定有上极板与下极板。上极板与下极板和第一电极与第二电极平行并分别形成两个面积相等的平面电容器。其力学模型为：

其传递函数为：

其中：m为质量块质量，b为摩擦系数，k为(机械)弹簧系数，ω_n为MEMS加速度传感器芯片无阻尼自然振荡角频率。而由MEMS加速度传感器芯片的传递函数，可以看出典型的电容式MEMS加速度传感器是一种欠阻尼二阶系统。

因此，本说明书提供的实施例，在MEMS加速度传感器设计、加工完成后，通过观察其输出信号是否是阻尼衰减振荡，可以判断出MEMS加速度传感器芯片结构是否存在问题。如果MEMS加速度传感器输出是阻尼衰减振荡，再进一步测试其品质因数，判断其品质因数是否符合要求。通过测试得到的品质因数，可以评估抽真空的情况，改进抽真空工艺。同时，可以初步了解MEMS加速度传感器机械噪声水平，具体的方法如图2所示。

如图2所示，本说明书一个或多个实施例中，提供了一种MEMS加速度传感器芯片的检测方法流程示意图，由图2可知，方法包括以下步骤：

S201:将预设直流电压施加在MEMS加速度传感器芯片中的质量块上，以使所述质量块移向所述MEMS加速度传感器芯片中的上极板或下极板。

由图1可知，MEMS加速度传感器芯片中的质量块的上下两面有两个相互导通，并与质量块联动的平面电极，将与上极板相对应的平面电极作为第一电极，与下极板相对应的平面电极作为第二电极。此时如果向上极板加正电压，下极板加负电压，而向质量块加正电压时就会使质量块向下极板运动，相反的向质量块加负电压，就会使质量块向上极板运动。

S202:将所述直流电压关闭，以使所述质量块在所述上极板与所述下极板间运动，使所述中上极板与所述中下极板间的电容发生变化，并基于与所述MEMS加速度传感器芯片相连接的检测电路，将所述电容变化转换为输出信号。

基于上述步骤S101可知，质量块在预设直流电压下移向了上极板或者下极板。此时去除电压，则质量块受阻力以及弹簧作用将在上极板与下极板之间自由振荡。而MEMS加速度传感器为电容式加速度传感器，所以当在上极板与下极板之间振荡产生位移变化时，上极板和下极板间的电容会发生变化。如图3所示提供的一种MEMS加速度传感器检测的原理框图可知，质量块的位移使MEMS加速度传感器芯片的电容发生变化之后，与MEMS加速度传感器相连接的检测电路，将电容变化转换为MEMS加速度传感器芯片的输出信号。其中，需要说明的是，检测电路还包括采样保持电路和低通滤波器电路。采样保持电路使得电压在一定时间内保持稳定。当对模拟信号进行A/D转换时，需要一定的转换时间，在这个转换时间内，模拟信号要保持基本不变，才能保证转换精度。当处于采样状态时，采样保持电路的输出信号跟随输入信号变化而变化；当处于保持状态时，采样保持电路的输出信号保持为进入保持状态的瞬间的输入信号电平值。而低通滤波器滤去高频分量，将采样保持电路输出的不连续电压进行平滑处理。

S203：通过预设数据采集方式，采集所述输出信号，获得第一采集信号。

由上述步骤S201与步骤S202可知，给MEMS加速度传感器芯片中的质量块施加直流电压后，MEMS加速度传感器芯片中的质量块将向上极板或下极板运动。而去除直流电压后，MEMS加速度传感器芯片中的质量块将自由振荡。在本说明书一个或多个实施例中，MEMS加速度传感器芯片自由振荡过程中质量块的运动轨迹计算过程如下：在外力作用使质量块偏离平衡位置时，将产生一定的位移x₀，则此时质量块的初始速度为：x′(0_-)＝v(0_-)＝0。其中，所述外力为外部施加的可以使得质量块产生运动的力，例如：外部给质量块施加一个电压，就会产生静电力，让质量块运动，因此此处，不对施加的外力做具体限定。

对于上述过程中确定出的欠阻尼二阶系统对应的公式1进行拉普拉斯变换获得质量块的运动轨迹在S域中对应的公式X(s)：

其中σ＝εω_n为衰减系数，

为阻尼振荡角频率；通过对S域中的质量块的运动轨迹对应的公式进行拉普拉斯反变换获得时间域中质量块的运动轨迹所对应的公式x(t):

由此可见质量块的运动轨迹是一衰减振荡曲线。其振荡频率为ω_d，衰减包络线为

其衰减速率取决于σ。而为了便于对该输出信号进行分析，需要对上述步骤S202获得的输出信号进行采集。

在本说明书一个或多个实施例中，根据品质因子预计值，确定预设数据采集条件中的采样时间，可以提高数据的可靠性并减少对无效数据的处理时间。所以在本说明书一个或多个实施例中，通过预设采集方式采集所述输出信号，获得第一采集信号之前，确定品质因子预计值的方法包括以下步骤：

首先，根据MEMS加速度传感器芯片的预设噪声水平，获取与MEMS加速度传感器芯片相对应的机械噪声的预计值；然后再基于MEMS加速度传感器芯片相对应的机械噪声的预计值，反向推导确定出MEMS加速度传感器芯片的品质因子预计值。具体地获取品质因子预计值的原理如下：MEMS加速度传感器质量块周围气体分子的布朗运动会产生机械噪声，其布朗噪声力

可以表示为

其中，B为阻尼系数。与该MEMS加速度传感器质量块的布朗噪声力相对应的等效加速度噪声为：

其中，

是加速度传感器的自然谐振频率，

是品质因数。所以根据MEMS加速度传感器芯片所需要的预设噪声水平，获取到与MEMS加速度传感器芯片相对应的机械噪声的预计值时，可以基于上述公式反推得到品质因子的预计值，即所需要的品质因子的值。

在本说明书一个或多个实施例中，通过预设数据采集方式，采集MEMS加速度传感器芯片的输出信号，获得第一采集信号，具体包括以下步骤：

首先基于MEMS加速度传感器芯片中弹性梁的弹簧系数与所述MEMS加速度传感器芯片中质量块的质量，确定MEMS加速度传感器芯片的自然谐振频率理论值；然后再基于自然谐振频率理论值，确定所述预设数据采集条件中的采样频率；其中，采样频率大于自然谐振频率理论值的2倍。根据品质因子的预计值确定预设数据采集条件中的采样时间。从而根据采样频率与采样时间对输出信号进行采集，获得第一采集信号。

具体地，预设数据采集条件包括：采样频率、采样时间与采样次数等参数。为了使得采集的数据可以反映出该MEMS加速度传感器芯片的特性，可以根据不同MEMS加速度传感器芯片的谐振频率与品质因子，设置不同的采集参数。首先，为了避免采集的输出信号中出现频谱混叠，使得采样值无法反映出MEMS加速度传感器芯片的输出，采样频率至少应该大于2倍的MEMS加速度传感器自然谐振频率。

而此外，由上述获得品质因子预计值的过程可知

所以品质因子Q是可以表征阻尼性质的物理量。当品质因子较大时，则表示振子能量损失的较慢，而振动可以持续较长的时间。所以对于采集时间的设置，应该使得MEMS加速度传感器在采集时间内输出有明显衰减，采集的样本可以体现出衰减振荡的过程，能够为后续的峰值拟合提供有效数据。例如：当MEMS加速度传感器芯片品质因子较大时，由上述可知其能量损失较慢，导致其振荡衰减较慢，所以为了采集到具有明显衰减振荡的输出信号就需要设置较长的采样时间。否则由于高品质因子的MEMS加速度传感器芯片的振荡衰减较慢，在短时间内将输出无明显衰减的信号，继而无法基于后续拟合获得准确的衰减系数。基于相同原理，当MEMS加速度传感器芯片的品质因子较小时，可以设置较短的采样时间，以避免采集过多的无效数据。

如图4所示，在本说明书一个实施例中，为了抑制频率混叠，防止高频信号混叠到低频段中，通过预设数据采集方式，采集输出信号，获得第一采集信号之前，方法还包括：基于预设的与MEMS加速度传感器芯片相对应的抗混叠滤波单元，过滤所述输出信号中大于1/2采样频率的频率成份，获得过滤后的输出信号，从而抑制了频率混叠，避免了高频信号混叠到低频段中。然后基于预设模数转换器过滤后的输出信号由模拟信号转换为数字信号，以便根据数据通信模块将转换后的数字信号传输到对应的信号处理装置中进行后续的计算，以获得第一采集信号。

S204：过滤所述第一采集信号中的直流电平分量，获得第二采集信号。

目前使用的基于时域响应进行检测的方法，没有排除检测系统偏置电压的影响，而由于MEMS加速度传感器芯片对应的硬件电路的直流偏置以及MEMS加速度传感器芯片中的质量块不在中间位置，会使得MEMS加速度传感器芯片的输出信号中包含有直流电平分量，从而使得后续计算受到该直流电平分量的影响出现计算误差，所以为了避免直流电平分量影响计算结果的准确性，提高MEMS加速度传感器芯片的检测精确度，本说明书一个或多个实施例中，在计算之前需要过滤掉基于预设数据采集条件采集到的第一采集信号中的直流电平分量，获得第二采集信号。

而在此之前，为了获得需要去除的直流电平分量，在本说明书一个或多个实施例中，过滤所述第一采集信号中的直流电平分量，获得第二采集信号之前，方法还包括以下步骤：

首先将MEMS加速度传感器芯片置于无外力的平衡状态，以采集MEMS加速度传感器芯片对应的信号采集装置以及MEMS加速度传感器芯片对应的检测电路中的偏置电压。其中，需要说明的是，MEMS加速度传感芯片置于无外力的平衡状态时，即无信号输入时，信号采集装置以及检测电路中电子元器件的失调、噪声等因素会产生偏置电压。

在采集到MEMS加速度传感器芯片在平衡状态时的多个数据点后，通过对多个数据点取均值从而获得该第一采集信号中的直流电平分量。过滤掉第一采集信号中的直流电平分量，从而获得去除直流电平分量后的第二采集信号，避免了直流电平对后续计算MEMS加速度传感器芯片中衰减系数造成的误差，提高了结果的准确性。

而由上述可知，典型的电容式MEMS加速度传感器是一种欠阻尼二阶系统，所以在本说明书一个或多个实施例中，过滤所述第一采集信号中的直流电平分量，获得第二采集信号之后，方法还包括：如果第二采集信号不是阻尼衰减振荡信号，则说明该MEMS加速度传感器不满足欠阻尼二阶系统的特性，可以确定MEMS加速度传感器芯片的结构是不符合要求的。

S205：若所述第二采集信号为阻尼衰减振荡信号，则根据所述第二采集信号以及所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式，确定所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算值。

如果第二采集信号属于阻尼衰减振荡信号，则说明该MEMS加速度传感器芯片符合最基本的欠阻尼二阶系统的特性。而为了评估MEMS加速度传感器加工过程中抽真空的情况，本说明书实施例将进一步通过计算其品质因数，确定所述MEMS加速度传感器芯片的性能是否符合要求。在本说明书一个或多个实施例中，根据第二采集信号以及MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式，确定MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算值，具体包括以下步骤：

首先截取第二采集信号中的可靠数据获得第三采集信号，以保证数据的可靠性。此处，可以理解的是：质量块在去除外力刚刚进行振荡时，由于质量块的运动不稳定会出现野值，而振荡将要结束时振荡趋于平稳，故无法显示出衰减振荡的特性。由上述可知采集的第一采集信号是在去除外力之后质量块振荡时获取的信号，而第二采集信号是在第一信号的基础上去除直流电平分量的信号。所以为了避免无效数据对计算结果的影响，提高检测结果的精确度，需要在第二采集信号中，去除振荡刚刚开始以及振荡趋于平稳时的数据，获得第三采集信号。即如图5所示T1-T2时间段内的为第三采集信号。为质量块在上极板与所述下极板间振荡时，对应于产生的振荡的中间时段产生的有效数据。在获取到第三采集信号后，获取第三采集信号中的多个波峰点以及与多个波峰点相对应的时刻。然后再根据MEMS加速度传感器芯片的阻尼振荡包络线，对第三采集信号中的多个波峰点对应电压输出的对数值以及与所述多个波峰点相对应的时刻进行直线拟合，获得阻尼振荡包络线的直线斜率。其中需要说明的是，拟合方式可以是最小二乘法等拟合方式，此处不加以限定。获得的直线斜率即为振荡衰减系数σ。

在本说明书一个实施例中，确定MEMS加速度传感器的振荡衰减系数σ，具体包括以下步骤：

对采集到的数据进行波峰提取可以获得一系列的波峰点V_i及其索引值I_i。如下图5所示，假设以采样频率为f_s进行采样，则第m个波峰所对应的索引值为I_m，即T_m时刻MEMS加速度传感器芯片的输出为V_m，可以理解的是：

第m+n个波峰所对应的索引值为I_m+n,即T_m+n时刻MEMS加速度传感器芯片的输出为V_m+n，同样的可以理解的是：

则基于上述波峰点、索引值以及相对应的时刻可以确定，MEMS加速度传感器的阻尼振荡周期T对应的公式为：

基于该阻尼振荡周期可知阻尼振荡频率ω_d对应的公式为：

由上述步骤S203中MEMS加速度传感器芯片在自由振荡时的运动轨迹公式

可得：

如上述公式可知，根据阻尼振荡包络线，用多个峰值点对应电压的对数值与其对应的时刻，通过直线拟合，可以得到该MEMS加速度传感器芯片的衰减系数σ。其中，需要说明的是当波峰点V_i中含有直流电平分量时计算出来的衰减系数σ将存在误差，所以计算衰减系数时是在去除掉直流电平分量的第二采集信号中截取的一段输出信号，即第三采集信号。

在获得振荡衰减系数σ后，基于振荡衰减系数可以确定MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式。在本说明书一个或多个实施例中，基于振荡衰减系数σ，确定出MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式，具体包括以下步骤：

首先根据第三采集信号中起始值对应的索引值与第三采集信号中结束值对应的索引值，以及预设数据采集条件中的采样频率，确定出第三采集信号的阻尼振荡周期。然后根据振荡周期获取到第三采集信号的阻尼振荡频率。再基于确定出的阻尼振荡频率与振荡衰减系数，确定MEMS加速度传感器芯片的自然谐振频率计算值。基于振荡衰减系数与自然谐振频率计算值，确定MEMS加速度传感器芯片的阻尼比。根据阻尼比确定出MEMS加速度传感器芯片的初始品质因子计算方式，最后基于振荡衰减系数与阻尼振荡频率对初始品质因子计算方式进行处理，获得MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式。

在本说明书一个或多个实施例中，品质因子计算方式具体包括以下计算过程：首先，由上述公式4可知阻尼振荡周期T对应的公式为：

而基于该阻尼振荡周期可知阻尼振荡频率ω_d对应的公式为：

然后基于下述推导过程：

ω_d ²＝ω_n ²(1-ε²)＝ω_n ²-σ²

确定出MEMS加速度传感器芯片的自然谐振频率计算值：

此时基于计算获得的自然谐振频率计算值与振荡衰减系数，确定出阻尼比为：

则基于阻尼比确定出品质因子初始计算方式为：

将上述公式5确定的阻尼振荡频率ω_d与公式9确定的振荡衰减系数σ代入所述公式11获得:

如图6所示，在本说明书一个实施例中，提供了一种与获取品质因子计算方法相对应的品质因子计算模块示意图。由图6可知，该品质因子计算模块包括有：数据截取模块601、波峰提取模块602、拟合模块603与计算模块604。

其中，数据截取模块601用于在采集到的MEMS加速度传感器输出信号中选取部分可靠数据进行后续分析，以避免质量块运动不稳定时输出的野值对计算结果准确性的影响。

波峰提取模块602用于对截取后的数据进行波峰的提取，得到截取数据中一系列波峰点V_i及其索引值I_i。由上述步骤S203可知，质量块的运动轨迹为阻尼衰减振荡，当质量块位移x(t)＜＜d₀时，MEMS加速度传感器输出电压与质量块位移近似成正比，其中d₀为无外力作用下质量块与上极板或下极板的间距，因此，对峰值输出电压V(t)及对应时刻t，有

所以通过拟合模块603对多个波峰点V_i的对数值及对应时刻t_i进行最小二乘拟合后，获得拟合后的直线斜率的绝对值即为衰减系数σ。计算模块604根据获得的衰减系数，通过计算得到MEMS加速度传感器芯片的品质因子。

S206：将所述品质因子计算值与所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子预计值对比，获得对比结果，以基于所述对比结果，实现对所述MEMS加速度传感器芯片的检测。

现有基于开环频率特性对MEMS加速度芯片的结构进行检测时，对于品质因子较大的MEMS加速度传感器芯片在谐振频率附近传感器输出会饱和，无法检测高品质因子MEMS加速度传感器芯片的结构是否符合要求。所以在本说明书一个或多个实施例中，通过将品质因子计算值与MEMS加速度传感器芯片的品质因子预计值对比，获得对比结果。从而基于对比结果，实现对MEMS加速度传感器芯片性能的评估，判断MEMS加速度传感器芯片的结构是否符合要求。具体地，方法包括以下步骤：如果品质因子计算值小于品质因子预计值，且品质因子计算值与所述品质因子预计值的偏差大于预设阈值，则确定该MEMS加速度传感器芯片的真空封装工艺不符合性能要求。如果品质因子计算值小于品质因子预计值，并且品质因子计算值与品质因子预计值的偏差小于预设阈值，则说明该MEMS加速度传感器芯片所对应的真空封装工艺符合性能要求。如果品质因子计算值大于品质因子预计值，则说明该MEMS加速度传感器芯片所对应的真空封装工艺符合性能要求。

如图7所示，本书明书一个或多个实施例提供一种MEMS加速度传感器芯片检测装置的内部结构示意图。

由图7可知，装置包括：控制单元701、采集单元701、确定单元703、检测单元704；

所述控制单元701用于将预设直流电压施加在MEMS加速度传感器芯片中的质量块上，以使所述质量块移向所述MEMS加速度传感器芯片中的上极板或下极板；

所述控制单元701还用于将所述直流电压关闭，以使所述质量块在所述上极板与所述下极板间振荡，使所述质量块与所述上极板间或所述质量块与所述下极板间的电容发生变化，并基于与所述MEMS加速度传感器芯片相连接的检测电路，将所述电容变化转换为输出信号；

所述采集单元702用于通过预设数据采集方式，采集所述输出信号，获得第一采集信号；

所述处理单元703用于过滤所述第一采集信号中的直流电平分量，获得第二采集信号；

所述处理单元703还用于所述第二采集信号为阻尼衰减振荡信号时，则根据所述第二采集信号以及所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式，确定所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算值；

所述检测单元704用于将所述品质因子计算值与所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子预计值对比，获得对比结果，以基于所述对比结果，实现对所述MEMS加速度传感器芯片的检测。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置、设备、非易失性计算机存储介质实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

以上所述仅为本说明书的一个或多个实施例而已，并不用于限制本说明书。对于本领域技术人员来说，本说明书的一个或多个实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书的一个或多个实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种MEMS加速度传感器芯片的检测方法，其特征在于，所述方法包括：

将预设直流电压施加在MEMS加速度传感器芯片中的质量块上，以使所述质量块移向所述MEMS加速度传感器芯片中的上极板或下极板；

将所述直流电压关闭，以使所述质量块在所述上极板与所述下极板间振荡，使所述质量块与所述上极板间和所述质量块与所述下极板间的电容发生变化，并基于与所述MEMS加速度传感器芯片相连接的检测电路，将所述电容变化转换为输出信号；

通过预设数据采集方式，采集所述输出信号，获得第一采集信号；

过滤所述第一采集信号中的直流电平分量，获得第二采集信号；

若所述第二采集信号为阻尼衰减振荡信号，则根据所述第二采集信号以及所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式，确定所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算值；

将所述品质因子计算值与所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子预计值对比，获得对比结果，以基于所述对比结果，实现对所述MEMS加速度传感器芯片的检测；

所述根据所述第二采集信号以及所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式，确定所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算值，具体包括：

截取所述第二采集信号中的有效数据，获得第三采集信号；其中，所述有效数据为所述质量块在上极板与所述下极板间振荡时，在所述振荡期间所产生的数据；

提取所述第三采集信号中的多个峰值点，并获取与所述多个峰值点相对应的时刻；

根据所述MEMS加速度传感器芯片所对应的阻尼振荡包络线，对所述第三采集信号中的多个波峰点对应电压输出的对数值以及与所述多个波峰点相对应的时刻进行直线拟合，获得对应的直线斜率，并基于所述直线斜率确定所述MEMS加速度传感器芯片的振荡衰减系数σ；

基于所述振荡衰减系数σ，确定所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式，以根据所述品质因子计算方式获得所述加速度传感器芯片的品质因子计算值；

所述基于所述振荡衰减系数σ，确定所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式，具体包括：

基于所述第三采集信号中起始值对应的索引值与所述第三采集信号中结束值对应的索引值，以及所述预设数据采集条件中的采样频率，确定所述第三采集信号的阻尼振荡周期；

基于所述阻尼振荡周期获取所述第三采集信号的阻尼振荡频率；

基于所述阻尼振荡频率与所述振荡衰减系数，确定所述MEMS加速度传感器芯片的自然谐振频率的计算值；

根据所述振荡衰减系数与所述自然谐振频率的计算值，确定所述MEMS加速度传感器芯片的阻尼比；

基于所述阻尼比，确定所述MEMS加速度传感器芯片的初始品质因子计算方式；

基于所述振荡衰减系数与所述阻尼振荡频率对所述初始品质因子计算方式进行处理，获得所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式。

2.根据权利要求1所述的一种MEMS加速度传感器芯片的检测方法，其特征在于，所述过滤所述第一采集信号中的直流电平分量，获得第二采集信号之前，所述方法还包括：

将所述MEMS加速度传感器芯片置于无外力的状态，以采集信号采集装置以及所述MEMS加速度传感器芯片对应的检测电路的偏置电压，获得多个电压值；其中，所述信号采集装置与所述检测电路相连接，用于对所述检测电路获得的输出信号进行采集；

对所述多个电压值进行均值运算，获得所述第一采集信号中的直流电平分量。

3.根据权利要求1所述的一种MEMS加速度传感器芯片的检测方法，其特征在于，所述通过预设采集方式采集所述输出信号，获得第一采集信号之前，方法还包括：

根据所述MEMS加速度传感器芯片的预设噪声水平，确定所述MEMS加速度传感器芯片相对应的机械噪声的预计值；

基于所述MEMS加速度传感器芯片相对应的机械噪声的预计值，确定所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子预计值。

4.根据权利要求3所述的一种MEMS加速度传感器芯片的检测方法，其特征在于，所述通过预设数据采集方式，采集所述输出信号，获得第一采集信号，具体包括：

基于所述MEMS加速度传感器芯片中弹性梁的弹簧系数与所述MEMS加速度传感器芯片中质量块的质量，确定所述MEMS加速度传感器芯片的自然谐振频率理论值；

基于所述自然谐振频率理论值，确定所述预设数据采集条件中的采样频率；其中，所述采样频率大于所述自然谐振频率理论值的2倍；

基于所述品质因子预计值，确定所述预设数据采集条件中的采样时间；

根据所述采样频率与所述采样时间，对所述输出信号进行采集获得第一采集信号。

5.根据权利要求1所述的一种MEMS加速度传感器芯片的检测方法，其特征在于，所述过滤所述第一采集信号中的直流电平分量，获得第二采集信号之后，所述方法还包括：

若所述第二采集信号不是阻尼衰减振荡信号，则确定所述MEMS加速度传感器芯片的结构不符合要求。

6.根据权利要求1所述的一种MEMS加速度传感器芯片的检测方法，其特征在于，所述将所述品质因子计算值与所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子预计值对比，获得对比结果，以基于所述对比结果，实现对所述MEMS加速度传感器芯片的检测，具体包括：

若所述品质因子计算值小于所述品质因子预计值，且所述品质因子计算值与所述品质因子预计值的偏差大于预设阈值，则确定所述MEMS加速度传感器芯片的真空封装工艺不符合性能要求；

若所述品质因子计算值小于所述品质因子预计值，且所述品质因子计算值与所述品质因子预计值的偏差小于预设阈值，则说明所述MEMS加速度传感器芯片所对应的真空封装工艺符合性能要求；

若所述品质因子计算值大于所述品质因子预计值，则说明所述MEMS加速度传感器芯片所对应的真空封装工艺符合性能要求。

7.根据权利要求4所述的一种MEMS加速度传感器芯片的检测方法，其特征在于，所述通过预设数据采集方式，采集所述输出信号，获得第一采集信号之前，所述方法还包括：

基于预设的与所述MEMS加速度传感器芯片相对应的抗混叠滤波单元，过滤所述输出信号中大于1/2采样频率的频率成份，获得过滤后的输出信号；

对所述过滤后的输出信号进行采集，并转换为对应的数字信号，以便对所述数字信号进行采集获得第一采集信号。

8.一种MEMS加速度传感器芯片的检测装置，其特征在于，所述装置包括：控制单元、采集单元、处理单元、检测单元；

所述控制单元用于将预设直流电压施加在MEMS加速度传感器芯片中的质量块上，以使所述质量块移向所述MEMS加速度传感器芯片中的上极板或下极板；

所述控制单元还用于将所述直流电压关闭，以使所述质量块在所述上极板与所述下极板间振荡，使所述质量块与所述上极板间或所述质量块与所述下极板间的电容发生变化，并基于与所述MEMS加速度传感器芯片相连接的检测电路，将所述电容变化转换为输出信号；

所述采集单元用于通过预设数据采集方式，采集所述输出信号，获得第一采集信号；

所述处理单元用于过滤所述第一采集信号中的直流电平分量，获得第二采集信号；

所述处理单元还用于若所述第二采集信号为阻尼衰减振荡信号，则根据所述第二采集信号以及所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式，确定所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算值；

所述检测单元用于将所述品质因子计算值与所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子预计值对比，获得对比结果，以基于所述对比结果，实现对所述MEMS加速度传感器芯片的检测；

所述根据所述第二采集信号以及所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式，确定所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算值，具体包括：

截取所述第二采集信号中的有效数据，获得第三采集信号；其中，所述有效数据为所述质量块在上极板与所述下极板间振荡时，在所述振荡期间所产生的数据；

提取所述第三采集信号中的多个峰值点，并获取与所述多个峰值点相对应的时刻；

根据所述MEMS加速度传感器芯片所对应的阻尼振荡包络线，对所述第三采集信号中的多个波峰点对应电压输出的对数值以及与所述多个波峰点相对应的时刻进行直线拟合，获得对应的直线斜率，并基于所述直线斜率确定所述MEMS加速度传感器芯片的振荡衰减系数σ；

基于所述振荡衰减系数σ，确定所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式，以根据所述品质因子计算方式获得所述加速度传感器芯片的品质因子计算值；

所述基于所述振荡衰减系数σ，确定所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式，具体包括：

基于所述第三采集信号中起始值对应的索引值与所述第三采集信号中结束值对应的索引值，以及所述预设数据采集条件中的采样频率，确定所述第三采集信号的阻尼振荡周期；

基于所述阻尼振荡周期获取所述第三采集信号的阻尼振荡频率；

基于所述阻尼振荡频率与所述振荡衰减系数，确定所述MEMS加速度传感器芯片的自然谐振频率的计算值；

根据所述振荡衰减系数与所述自然谐振频率的计算值，确定所述MEMS加速度传感器芯片的阻尼比；

基于所述阻尼比，确定所述MEMS加速度传感器芯片的初始品质因子计算方式；

基于所述振荡衰减系数与所述阻尼振荡频率对所述初始品质因子计算方式进行处理，获得所述MEMS加速度传感器芯片的品质因子计算方式。

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