集成精准自测传感器的三轴MEMS振动台研究

The MEMS inertial sensors are mainly calibrated by designing a self-tested structure embedding in sensors. The function and scale factor of MEMS sensors can be measured by self test-pins after packaging. The method has a low accuracy of calibration, and cannot calibrate sensor in field. But the approach of physical stimulus can achieve high precision calibration of MEMS inertial sensors in field. In the project, a three degree of freedom multi-axis micro vibratory stage with a high precision capacitive sensors fabricated by MEMS process is studied. The main research contents are the following: The research of high precision driving of vibration stage considering damping, process error and mass variation, etc. The research of accurate sensing of multi-axis MEMS vibratory, which is implemented by compensating the variation obtained by electro-measurement technique of capacitor distance, spring constant, etc. The research of calibration technique of drift and long-term stability of MEMS inertial sensors. The studied MEMS multi-axis vibratory can provide a wide bandwidth operation (DC-1.2 kHz), 0.5g linear acceleration for in situ MEMS inertial sensors self-calibration, power consumption smaller than 10mW, scale-factor calibration error smaller than 25 ppm, cross axis error smaller than 0.2%. MEMS vibratory stage is fabricated by MEMS process compatible with CMOS process. The study will lay a theoretical foundation for implementing high precision in situ calibration of MEMS inertial sensors, and develop the new MEMS sensors application.

目前MEMS惯性传感器的校准大多采用内置校准结构的方案，封装后通过自测引脚进行功能检测，该校准方法精度较低，也不能实现现场校准。而采用物理激励校准方式既可实现现场再校准，又可保证校准精度。本项目基于MEMS技术研究集成精准自测传感器的三轴振动台，包括考虑器件阻尼、工艺误差、质量变化等的高精度驱动技术研究；采用静电力测量技术，实现加工误差导致的传感器电容初始间距、刚度变化等的补偿，基于电容式原理，实现振动台基准信号的精准检测；研究惯性传感器的偏移和长期稳定性变化补偿技术，结合卡尔曼滤波器，获得惯性器件参数的补偿理论。设计的MEMS振动台带宽DC-1.2kHz，线性加速度大于0.5g，功耗小于10mW，比例因子估计误差小于25ppm，交叉轴误差小于0.2%，并采用IC兼容的MEMS工艺制作。该研究可以为MEMS惯性器件的精确在线校准打下理论基础，从而拓展MEMS惯性器件在更高精度场合的应用。

本项目考虑了器件的阻尼特性、工艺误差及其导致的惯性变化，研究了振动台的高精度驱动技术，基于电容式检测原理实现了振动台的基准信号检测，针对可穿戴、工控等领域对传感器长期稳定性、可靠性需求，研究了惯性传感器的偏移和长期稳定性变化补偿技术，并结合卡尔曼滤波器，获得了传感系统的精度补偿理论。项目对压电MEMS振动台的振动机理、结构特性及器件阻尼进行了系统分析，设计了基于L形驱动梁的低阻尼压电MEMS振动台结构方案，设计的T形截面驱动梁结构振动台的谐振频率高达2.4kHz，输出位移5.6μm，设计了位于振动台中心台面的阻尼槽结构，空气阻尼降低了近50%，实验结果表明，振动台电压位移关系曲线在1~5Vpp范围内有较好的线性度，最大输出位移达到54μm，工作带宽DC~1.2kHz。针对惯性传感器和振动台的集成误差问题，构建了微振动台-传感器位置自校准系统，获得了加速度传感器与微振动台集成误差导致的传感器性能变化特性，而项目设计的偏移量检测MEMS微结构，可以实现偏移性能波动补偿，结构具有一定的创新性。项目设计了单轴加速度传感器，并获得了位移输出和频率响应特性，同时研究了双轴加速度计的灵敏度和耦合特性，进而研究了集成自校准振动台后，单轴和双轴传感器-微振动台系统的响应特性、幅频特性。结果表明，集成自校准结构的单轴、双轴加速度传感器，其带宽分别缩减了4.3%和3%，且灵敏度有所降低。研究了倾斜式和平板式MEMS电容结构性能区别，电极板上下平移变间距式改成倾斜式变间距后，输出的线性度得到了明显改善，进而可以设计较大的量程。项目相关成果发表在业内高水平SCI期刊：IEEE Transactions on Industrial Informatics（SCI一区）、Cell Reports Physical Science（Cell子刊），IEEE Sensors Journal等，本成果可以为多种MEMS传感器如惯性传感器、力传感器、触觉传感器的在线标定，集成化制造和结构优化设计等提供理论依据，后期有望拓展MEMS惯性、力传感器在物联网、机器人和工业控制等领域的应用。