Построение измерительного комплекса для тестирования чувствительного элемента микромеханического акселерометра

Данная исследовательская работа посвящена вопросу разработки измерительной системы, предназначенной для тестирования чувствительного элемента микромеханического акселерометра. Исследование существующих методов показало недостаточность их результатов, так как они не принимают в расчет шумы интегральной схемы и интерфейсов - одной из важных частей акселерометра. Поэтому основной частью разработанного измерительного комплекса стал преобразователь емкость-напряжение. Кроме того, была написана программа для контроля параметров измерительной системы и управления устройствами.
Так же в работе уделено внимание методике тестирования самого измерительного комплекса.

Цель научной работы: разработка измерительного комплекса для тестирования чувствительного элемента микромеханического акселерометра с использованием преобразователя емкость-напряжение.
Задачи:
1. Разработка измерительного комплекса;
2. Организация программного управления параметрами комплекса и непосредственно измерениями;
3. Реализация измерительного комплекса на практике;
4. Разработка методики тестирования комплекса;
5. Верификация параметров измерительного комплекса, в том числе и совместно с чувствительным элементом.

Каждый этап создания микроэлектромеханической системы (МЭМС), например акселерометра, предполагает верификацию результатов проектирования. Это связано с большими временными и финансовыми рисками при запуске производства этих устройств, а также трудоемкостью процесса изготовления. 

При этом важно не только разработать удовлетворяющий техническим требованиям чувствительный элемент и качественные малошумящие схемы преобразования выходного сигнала, но и проводить совместное тестирование различных частей устройства. Поэтому целью данной работы стала разработка измерительного комплекса для тестирования чувствительного элемента микромеханического акселерометра с использованием специализированной интегральной микросхемы. 

В процессе работы были проанализированы существующие способы тестирования чувствительного элемента. На основании анализа был сделан вывод о недостаточности их результатов и необходимости их модификации для тестирования чувствительного элемента совместно с интегральной схемой для преобразования его выходного сигнала.

Затем был осуществлен выбор основных частей комплекса и организована их взаимосвязь. В частности, в качестве интегральной схемы был выбран преобразователь емкость-напряжение (ПЕН) российской фирмы с программируемыми параметрами.

Управление параметрами комплекса и измерениями было осуществленно программно. Для разработки программы было решено выбрать ПО NI LаbVIEW.

Методика тестирования полученной системы включает в себя несколько этапов:

1. Тестирование электрических параметров ПЕН;

2. Проверка работы SPI - интерфейса ПЕН (запись в регистры требуемых параметров схемы и чтение данных);

3. Статические тесты чувствительного элемента акселерометра (действие силы тяжести).

В результате проведенной работы измерительный комплекс был реализован на практике, а также была разработана методика его тестирования. 

В данный момент измерения проводятся с помощью дополнительного оборудования – поворотного стола и кронштейна. Однако схемотехническая организация временного разделения сигналов управления и съема позволит заменить более дорогостоящего оборудования, необходимое для задания силового воздействия, генератором сигналов различной формы.

Результаты разработки планируется применять на этапе тестирования чувствительного элемента в ходе его технологического процесса. В качестве ПЕН будет использоваться специально разработанная для тестируемого ЧЭ интегральная микросхема, что повысит правильность результатов тестирования.  Кроме того, планируется подключаться к ЧЭ с помощью зондовой станции, что позволит проводить тестирование на пластине до этапа корпусирования.

1. Kaajakari, V. Practical MEMS
2. Распопов, В.Я. Микромеханические приборы: Учебное пособие.
3. «СОВТЕСТ АТЕ» Комплексные решения для контроля параметров MEMS (Микроэлектромеханические системы) [Электронный ресурс]
4. Charlot, В. Electrically Induced Stimuli For MEMS Self-Test
5. Справочник по параметрическим измерениям [Электронный ресурс]
6. Jiang, L. An electrometric method to measure the mechanical parameters of MEMS devices
7. Natarajan, V. Alternate electrical tests for extracting mechanical parameters of MEMS accelerometer sensors
8. Yazdi, N. Precision readout circuits for capacitive microaccelerometers
9. Kevin, T.C.C. 118-dB dynamic range, continuous-time, opened-loop capacitance to voltage converter readout for capacitive MEMS accelerometer
10. Среда разработки приложений LabVIEW [Электронный ресурс]

This graduation project is devoted to design the measuring system that is in-tended for testing the sensing element of micromechanical capacitive accelerometer. The investigation of present test methods has shown their incompetence because the results of these methods do not take into account the noise of integrated circuit and interfaces – another part of accelerometer. Therefore, the main part of the de-signed measuring system is the capacitance to voltage converter. Moreover, in this work there was written the program to control the settings of measuring system and straight the metering.
In addition, in this paper much attention is given to methodology of testing the measuring system.