一种mems陀螺结构关键参数自动测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种自动测试方法，特别是关于一种MEMS陀螺结构关键参数的自动 测试方法。 技术背景
[0002] MEMS陀螺是用微电子工艺加工的特征尺寸在微米量级的器件，具有体积小、成本 低、适于批量加工和易于与ASIC集成的优点。MEMS陀螺含有振动结构，其谐振频率、品质因 数Q及耦合量等结构关键参数都会影响器件的整体性能。在仪表总成之前，需要对MEMS陀 螺表头进行筛选，对结构进行关键参数测试，确定陀螺表头的基本性能。除常温测试外，还 需要在变温以及变封装气压的条件下对这些结构关键参数进行测试以考察表头的温变和 压变特性。MEMS陀螺包含两个工作模态，即驱动模态和检测模态，每一模态均需要测试谐振 频率和品质因数Q。
[0003] 通常的测试方法是人工采用动态信号分析仪对陀螺表头的每个模态分别进行扫 频，获得其幅频和相频响应曲线，由响应曲线计算出陀螺表头每个模态的谐振频率和品质 因数Q。该方法适用于品质因数较低的陀螺，若陀螺品质因数较高，为达到测试精度，需要增 加扫频点数以确保频率分辨率足够高，而增加扫频点数会大大延长扫频测试时间，并对系 统硬件提出了更高要求。同时该方法在测试过程中还需要进行调试、换线等操作，测试时间 长且需要人工介入。
[0004] 在变温条件下，如从-40°c到+85°C，变温速率为1°C /min，每一温度点都需要对 结构关键参数进行测试，需要频繁的进行数据调试、更换测试连接线路，将耗费巨大的工作 量，需要测试人员中途进行监控，否则会遗漏某一温度点测试，测试效率不高。不能实现自 动高效的测量。
【发明内容】
[0005] 发明目的
[0006] 针对上述问题，本发明提供一种用于MEMS陀螺结构关键参数的自动测试方法，在 保证测试精度的基础上，能够摆脱人工实时监控，提高测试效率。
[0007] 技术方案
[0008] 本发明是一种MEMS陀螺结构关键参数自动测试方法，适用于包含两个工作模态 结构MEMS陀螺的结构关键参数的测试，所述两个工作模态结构为驱动模态结构和检测模 态结构；所述驱动模态结构包括驱动模态驱动结构、驱动模态振动结构和驱动模态振动拾 取结构；所述检测模态结构包括检测模态驱动结构、检测模态振动结构和检测模态振动拾 取结构；所述结构关键参数包括：驱动模态的谐振频率f d、驱动模态的品质因数Qd、驱动模 态和检测模态的耦合电压比；
[0009] 其中，所述方法包括如下步骤：
[0010] 步骤1)在MEMS陀螺驱动模态的驱动结构电极上施加白噪声电压激励产生驱动 力；
[0011] 步骤2)将MEMS陀螺驱动模态的振动拾取结构电极连接前置读出电路；读出电路 读取陀螺输出的电压变化量，获得陀螺驱动模态的响应曲线；所述响应曲线采集到数字信 号处理器中进行FFT处理，获得驱动模态的谐振频率f d ;
[0012] 步骤3)以步骤2)得到的谐振频率fd构造正弦波，施加在驱动模态的驱动结构 电极上，在确定陀螺起振后，采集驱动模态和检测模态前置读出电路的输出电压，获得耦合 比；
[0013] 步骤4)撤除正弦波激励，由衰减曲线计算出驱动模态的品质因数Qd ;
[0014] 在完成步骤3)后，撤除正弦波激励，驱动模态的前置读出电路输出陀螺振动衰减 曲线，由衰减曲线计算出驱动模态的品质因数Q d。
[0015] 如上所述的一种MEMS陀螺结构关键参数自动测试方法，其中：所述结构关键参数 还包括：检测模态的谐振频率f s、检测模态的品质因数Qs ;所述方法还包括如下步骤：
[0016] 步骤5)在MEMS陀螺检测模态的驱动结构电极上施加白噪声电压激励产生驱动 力；
[0017] 步骤6)将MEMS陀螺检测模态的振动拾取结构电极连接前置读出电路；读出电路 读取陀螺输出的电压变化量，获得陀螺检测模态的响应曲线；所述响应曲线采集到数字信 号处理器中进行FFT处理，获得检测模态的谐振频率f s ;
[0018] 步骤7)以步骤6)得到的谐振频率fs构造正弦波，施加在陀螺检测模态的驱动结 构电极上，在确定陀螺起振后，撤除正弦波激励，检测模态的前置读出电路输出陀螺振动衰 减曲线，由衰减曲线计算出检测模态的品质因数Q s。
[0019] 如上所述的一种用于MEMS陀螺结构关键参数的自动测试方法，其中：
[0020] 在测试驱动模态的品质因数Qd以及检测模态的品质因数Qs时，使用如下方法：
[0021] 设yl为陀螺起振、然后撤除正弦波激励之后，前置读出电路输出的陀螺振荡衰减 曲线，则有：
[0023] 式中f为谐振频率，进行指数拟合，得到陀螺的品质因数Q。
[0024] 有益效果
[0025] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：由于采用自动测试方法，可以 自动测试谐振频率、品质因数和耦合电压比、位移比等结构关键参数，并采集测试环境温度 或气压，自动存储到数字信号处理器中，测试过程无需频繁调试、换线等操作，尤其在变温 测试时摆脱了人工实时监控，显著缩短了原有人工测试方法的测试时间，提高效率，方便易 行。本发明适用于谐振式微悬臂梁、微谐振器、微机械陀螺和谐振式微加速度计等微机械谐 振式器件结构关键参数测量。
【附图说明】
[0026] 图1是用于MEMS陀螺结构关键参数自动测试方法的装置框图；
[0027] 图2是本发明所适用的MEMS陀螺表头结构示意图；
[0028] 图3为本发明的Q值测试曲线；
[0029] 图4是用于MEMS陀螺驱动模态结构关键参数自动测试方法的流程图。
【具体实施方式】
[0030] 以下，结合附图和【具体实施方式】，对本发明做进一步的说明。
[0031] 图1是用于实现本发明所述MEMS陀螺结构关键参数自动测试方法的装置框图：
[0032] 主要包括陀螺表头1、测试电路2、高速数据采集卡3和数字信号处理器4。陀螺表 头1通过测试电路2连接至高速数据采集卡3,陀螺驱动模态和检测模态的振动检测信号通 过高速数据采集卡3进入数字信号处理器4进行处理获得所需参数，同时数字信号处理器 4可以通过采集卡3产生激励信号驱动陀螺表头1。
[0033] 本发明针对的MEMS陀螺是包含两个工作模态结构的MEMS陀螺，即驱动模态结构 和检测模态结构；所述驱动模态结构包括驱动模态驱动结构、驱动模态振动结构和驱动模 态振动拾取结构；所述检测模态结构包括检测模态驱动结构、检测模态振动结构和检测模 态振动拾取结构；
[0034] 如图2所示为本发明所适用的MEMS陀螺表头结构1，包括驱动模态结构5和检测 模态结构6。驱动模态结构5包括一驱动模态驱动结构7、一驱动模态振动结构8和一驱动 模态振动拾取结构9,检测模态结构6包括一检测模态驱动结构13、一检测模态振动结构14 和一检测模态振动拾取结构15。
[0035] 其中，驱动结构7、13可采用电容式静电驱动或压电驱动。振动结构8、14通过弹性 梁连接至固定支点处，从而构成可振动结构。振动拾取结构9、15可采用电容式结构或压电 式结构。驱动结构7、13具有驱动电极11、17,振动拾取结构9、15具有检测电极10、16。在 驱动电极11、17上施加驱动电压，由于驱动结构7、13采用静电驱动或压电驱动，驱动结构 7、13便对可动振动结构8、14产生一驱动力12、18。在驱动力12、18驱动下，振动结构8、14 产生振动，其位移变化量被振动拾取结构9、15获取。振动拾取结构9、15将获取到的位移 变化量转变为电荷变化量，并通过振动拾取结构电极10、16输出，将振动拾取结构电极10、 16连接一图1中的测试电路2。测试电路2将电荷变化量转换为电压变化量，以获得振动 结构8、14的振动信息。
[0036] 当陀螺达到谐振状态时，其机械增益最大，所以在施加白噪声激励后，陀螺的振动 输出曲线在谐振频率处幅值最大，通过采集白噪声激励后的振动输出曲线，进行FFT处理， 通过对峰值点进行检测，可以得到陀螺的谐振频率f。
[0037] 图3为本发明的Q值测试曲线，yl为陀螺起振后，撤除正弦波激励，前置读出电路 输出的陀螺振荡衰减曲线，y2为振动幅值衰减曲线，曲线与陀螺的谐振频率f和品质因数Q 有关，即
[0039] 由上述曲线以及计算出的谐振频率f，进行指数拟合，可以得到陀螺的品质因数 Q。
[0040] 图4为本发明用于MEMS陀螺驱动模态结构关键参数的自动测试方法实施例的程 序流程图，检测模态结构关键参数的自动测试流程与其类似：
[0041] 程序开始后，先对算法中各个参数进行初始化。在数字信号处理器4中产生白噪 声激励信号，通过高速数据采集卡3激励陀螺表头驱动模态结构，高速数据采集卡3采集陀 螺驱动模态测试电路2的输出信号，在数字信号处理器4中处理得到驱动模态的谐振频率 fd ;然后在数字信号处理器4中构造以fd为频率的正弦波信号，通过高速数据采集卡3激励 陀螺表头驱动模态结构，高速数据采集卡3采集陀螺驱动模态测试电路2的输出信号，在数 字信号处理器4中判断陀螺驱动模态是否起振，在驱动模态起振后，同时采集陀螺检测模 态测试电路2的输出信号，在数字信号处理器4中处理得