如今，汽車(chē)安全系統(tǒng)推動(dòng)了MEMS慣性傳感器技術(shù)的發(fā)展，也大量應(yīng)用于幾個(gè)大型領(lǐng)域。大批與汽車(chē)安全系統(tǒng)相關(guān)的應(yīng)用促進(jìn)了對(duì)MEMS制造技術(shù)，封裝概念，質(zhì)量保證系統(tǒng)以及設(shè)計(jì)方案創(chuàng)新等方面的巨大投資。這些投資導(dǎo)致了成本效益更高和更可靠的解決方案，這些方案也在許多其他領(lǐng)域里獲取了利潤(rùn)。包括游戲平臺(tái)(Wii Remote)以及許多移動(dòng)手持應(yīng)用。此外，MEMS傳感器還發(fā)現(xiàn)了其他日益增多的工業(yè)應(yīng)用，包括車(chē)間安全系統(tǒng)。其中設(shè)備位置傳感，碰撞檢測(cè)，防止吊車(chē)舉起時(shí)翻車(chē)等都是車(chē)間安全系統(tǒng)方面的應(yīng)用實(shí)例，所有這些都得益于MEMS加速計(jì)。

車(chē)間安全系統(tǒng)的任務(wù)是檢測(cè)潛在的危險(xiǎn)操作條件，但不能影響正常的操作。其中最為重要的就是用來(lái)檢測(cè)危險(xiǎn)操作條件的傳感方案的精度。與其他絕大多數(shù)技術(shù)方案一樣，MEMS加速計(jì)也存在成本性能之間的折中。對(duì)于汽車(chē)和商用應(yīng)用來(lái)說(shuō)，以最低成本來(lái)實(shí)現(xiàn)適度的性能即可。但對(duì)于一些工業(yè)應(yīng)用，例如車(chē)間安全系統(tǒng)，則要求較高的精度。在這種應(yīng)用中，可靠性，方便性以及方案的元器件成本都很重要。

隨著高集成度和更精密的加速計(jì)產(chǎn)品的出現(xiàn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要了解零件是如何校準(zhǔn)的，因?yàn)檫@決定著他們是購(gòu)買(mǎi)這些校準(zhǔn)方案還是開(kāi)發(fā)自己的校準(zhǔn)程序。本文將討論雙軸加速計(jì)的校準(zhǔn)工藝，并著重討論最常見(jiàn)的誤差源。

校準(zhǔn)的目的和必要性

對(duì)于許多MEMS慣性傳感器用戶來(lái)說(shuō)，校準(zhǔn)為他們的傳感方案提供了改進(jìn)性能和折中系統(tǒng)成本的機(jī)會(huì)，如圖1所示。圖中所示的僅僅是一般的關(guān)系，而性能目標(biāo)則由能夠?yàn)橛脩粼鲋档慕K端系統(tǒng)性能需求所驅(qū)動(dòng)。

例如，高精度意味著防翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)在確定吊車(chē)的極限時(shí)無(wú)需過(guò)補(bǔ)償。精度水平的最佳優(yōu)化能夠擴(kuò)大吊車(chē)的服務(wù)范圍，或起吊更重的載荷，且沒(méi)有翻車(chē)的危險(xiǎn)。所以，在安全傳感系統(tǒng)中優(yōu)化性能的底線就是能夠?yàn)榭傁到y(tǒng)增值。

與校準(zhǔn)相關(guān)的成本增加包括直接的材料成本(如ADC，微機(jī)，PCB復(fù)雜度的增加，以及勞動(dòng)力成本)和投資成本(校準(zhǔn)設(shè)備夾具和工程開(kāi)發(fā)成本)，不過(guò)這些成本將被可預(yù)期的系統(tǒng)產(chǎn)品的批量所攤薄。任何校準(zhǔn)過(guò)程的顯要目標(biāo)都是實(shí)現(xiàn)價(jià)值更高的性能，同時(shí)控制相關(guān)的成本。

一個(gè)MEMS校準(zhǔn)方案的開(kāi)發(fā)可以分為四個(gè)簡(jiǎn)單階段：

1.確立性能目標(biāo)
2.確定校準(zhǔn)需求
3.設(shè)計(jì)校準(zhǔn)工藝
4.實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)規(guī)則

為加速計(jì)校準(zhǔn)確立有價(jià)值的性能目標(biāo)將為整個(gè)研發(fā)過(guò)程定調(diào)。首先，這些目標(biāo)將指導(dǎo)傳感器的選擇，其次，將為分析過(guò)程提供指導(dǎo)，而這些分析過(guò)程將確定需要校準(zhǔn)的行為，最終將決定校準(zhǔn)過(guò)程的復(fù)雜度。這是很關(guān)鍵的，因?yàn)檫^(guò)度追求高于所需將導(dǎo)致過(guò)高的成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間。

于是很明顯，這要求開(kāi)發(fā)商及早了解加速計(jì)傳感系統(tǒng)對(duì)最終系統(tǒng)性能目標(biāo)的影響。盡管這種早期投資看起來(lái)是不方便的，但它卻會(huì)導(dǎo)致更好的性能并創(chuàng)造更多的創(chuàng)新機(jī)會(huì)。本討論將著重于當(dāng)校準(zhǔn)綜合誤差小于1%時(shí)需要考慮的領(lǐng)域。

圖2：典型的加速計(jì)校準(zhǔn)電路
誤差敏度分析：一個(gè)用來(lái)提供校準(zhǔn)的加速計(jì)性能的典型電路如圖所示。該誤差分析確定了每個(gè)器件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)精度目標(biāo)所產(chǎn)生的影響。每個(gè)器件都有需要考慮的行為因素。除了MEMS加速計(jì)之外，放大器、A/D、復(fù)用器和無(wú)源元件都將呈現(xiàn)一定的偏差，增益、線形度、噪聲、電源以及溫度都將呈現(xiàn)獨(dú)立的行為特征，對(duì)于傳感器性能來(lái)說(shuō)，這些都需要仔細(xì)地考慮在內(nèi)。

本節(jié)將列舉對(duì)上述性能目標(biāo)的常見(jiàn)威脅，并在避免具體的電路分析的同時(shí)，給出如何快速確定其影響的方法。為了簡(jiǎn)單，在討論中將敏度分析集中在傳感器性能上。假定其余電路元件的貢獻(xiàn)較小。包括一個(gè)MEMS傳感器的任何線性傳感器的理想方程為：

在IEEE-STD-1293-1998中，給出了一個(gè)描述典型MEMS加速計(jì)誤差行為的廣泛建模方案。而如下的方程則給出了描述許多常見(jiàn)誤差的簡(jiǎn)單關(guān)系：

傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)電路將包括幾個(gè)影響該方程的幾個(gè)元器件。下面列出了這些器件的部分常見(jiàn)誤差源：

1. NENS加速計(jì)
2. 放大器
3. 無(wú)源元件
4. A/D

每個(gè)器件都將對(duì)靈敏度(增益)，偏置(偏差)，線性度，噪聲，依賴于電源的行為特性以及依賴于溫度的特性有所貢獻(xiàn)。這里所討論的校準(zhǔn)將集中在傳感器上。不過(guò)圖示準(zhǔn)則也適用于其他電路。

由于要求綜合誤差小于1%，我們可以快速回顧一下商用的MEMS傳感器的指標(biāo)。例如，一款領(lǐng)先加速計(jì)應(yīng)具有如下指標(biāo)：

靈敏度：+950mV/g到+1050mV/g，等同于5%
偏移：30mg(典型值)，相當(dāng)于3%(1g系統(tǒng))
100mg(最大值)，相當(dāng)于10%(1g系統(tǒng))

本例中，校準(zhǔn)過(guò)程中必須首要考慮偏移和靈敏度，因?yàn)檫@兩者都超出了1%的綜合誤差目標(biāo)。

用于低g加速計(jì)的一個(gè)可靠的校準(zhǔn)源是重力。使用重力的最簡(jiǎn)單方法是通過(guò)采用IEEE-STD-1293-1998中所給出的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)跌落測(cè)試。該跌落測(cè)試中，將一個(gè)變化范圍為+1g的激勵(lì)施加到被測(cè)器件上(DUT)。

該低激勵(lì)水平不能用于滿刻度量程小于20g的加速計(jì)的跌落測(cè)試，因?yàn)樗拥男?zhǔn)激勵(lì)等于或大于滿量程的5%。在該量程之外，線性度、分辨率、噪聲和其他與量程相關(guān)的特性將變得更有影響力，阻止所期望的精度的實(shí)現(xiàn)。為了校準(zhǔn)，滿刻度量程允許4點(diǎn)跌落測(cè)試，而非多點(diǎn)跌落測(cè)試，但多點(diǎn)測(cè)試可以用于線性度誤差的計(jì)算。

這里，DUT是豎直的。DUT的X軸指向0°傾斜的水平軸。記錄DUT的X軸輸出。然后將DUT分別旋轉(zhuǎn)90°，180°和270°，記錄每點(diǎn)的X軸輸出，故對(duì)應(yīng)四個(gè)測(cè)量位置。

圖4：四點(diǎn)跌落數(shù)據(jù)輸出
由于DUT被旋轉(zhuǎn)，X軸的傳感器輸出將是傾斜角的正弦函數(shù)，如圖4所示。實(shí)際曲線和理想曲線之差是由于加速計(jì)的偏移和靈敏度誤差所導(dǎo)致。通過(guò)對(duì)每個(gè)90°旋轉(zhuǎn)增量上的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這些行為可以被特性化并隔離出來(lái)。通過(guò)對(duì)0°和180°點(diǎn)上取平均可以計(jì)算出總的正弦曲線的偏移量。在從90°的數(shù)據(jù)點(diǎn)上減去270°點(diǎn)上的數(shù)據(jù)，即可得到重力所提供的1g激勵(lì)的加速計(jì)輸出的測(cè)量值。

這些關(guān)系的基礎(chǔ)是0°，90°，180°，以及270°位置的精確對(duì)準(zhǔn)。還取決于十足的1g激勵(lì)的豎直方向上的精確對(duì)準(zhǔn)。