3D-MEMS加速度计性能试验研究

　　0　引言

　　MEMS惯性器件主要包括MEMS陀螺仪和MEMS加速度计,具有体积小、质量轻、成本低、抗冲击、可靠性高等优点,是一种非常适合于构建微型捷联惯导系统的惯性传感器。MEMS惯性传感器技术在近些年得到了快速发展,产品性能在不断提高的同时,集成度也有了显著提升。在集成度方面,MEMS加速度计的发展最为显著,目前已有多个型号的三轴集成的　　MEMS加速度计。基于3D-MEMS技术的加速度计即为一种新型MEMS加速度计[1],此类加速度计在惯性导航、数字倾角仪的倾角测量以及电子罗盘中的倾斜补偿、移动终端、防盗系　　统等领域中具有广阔的应用前景。

　　为了研究某型号MEMS加速度计的性能,分析了其工作原理,完成了数据采集的软、硬件设计。在硬件方面,设计了基于DSP芯片的数据采集系统,应用MCBSP(多通道缓存串行口)作　　为串行外设数据接口。在软件设计方面,应用了1个定时器和2个DMA控制器,实现了数据的实时采集和存储。基于数据采集系统,处理了加速度计各轴输出的数据,分析了其在特定温度下的零偏稳定性和零偏重复性,标定了其零偏值。

　　1　加速度计工作原理

　　MEMS加速度计内部主要由敏感元件、转换电路和信号处理电路这3部分构成[1],其结构框图如图1(a)所示。敏感元件主要是基于3D-MEMS技术制造的,此技术可以使加速度计输出稳定且能降低功耗。敏感元件包含3个加速度敏感块,分别测量3个轴(X轴、Y轴和Z轴)的加速度值。每个敏感块都由固定电极和活动电极所构成,活动电极通过杠杆横梁非对称悬浮,固定电极则安装在硼硅玻璃基片上,其构造如图1(b)所示,通过活动电极即杠杆横梁的运动来检测各轴的加速度。这种非对称、不平衡的敏感块的设计可以提高各轴加速度输出的灵敏度、线性度,并且有降低噪声的作用[2]。

　　当其中一个敏感块运动或倾斜时,会引起相对应的电路中电容变化。在加速度计内部与敏感元件相连接的是1个电容/电压(C/V)转换器,通过此转换器将微小的电容变化转换为模拟电压,转换得到的电压与电容的变化量成一定的比例。然后经A/D转换器,将模拟电压值转换为数字量。A/D转换器直接采样的是模拟中频信号,输出的是高速数字信号,经过加速度计内部信号处理电路的低通滤波和抽样处理之后,成为低速的基带信号,供后续数字信号处理芯片DSP作进一步的处理。该型号MEMS加速度计就是基于敏感元件、转换电路和信号处理电路这3部分结构,通过上述过程来完成对各轴加速度值的检测。

　2　基于DSP的高速数据采集系统的设计

　　为了研究加速度计的性能特性,设计了数据采集系统,用来采集加速度计各轴的输出。数据采集系统的核心器件为TMS320F2833X芯片。该芯片具有150 MHz的高速处理能力,最高运算速度达150MIPS,片上集成32位单精度浮点运算单元(FPU),每秒可做300兆次浮点运算[3],是目前国内导航系统普遍采用的TMS320VC33浮点型DSP运算速度的2倍[4],弥补了TMSF28X系列的DSP芯片核心运算单元为定点的缺陷[5],适用于需要大量浮点运算的导航计算机中。芯片中6个DMA通道支持ADC、MCBSP和EMIF,有多达18路的PWM输出,并且内置了16个通道带流水线的模数转换器(ADC)。加速度计与DSP之间的通信遵循SPI协议规则。