內建自我檢測功能 MEMS感測器校準更簡易

2013-04-29 16:35

 

內建自我檢測功能 MEMS感測器校準更簡易

2013/4  Jay Esfandyari/Gang Xu/Marco Capovilla/Paolo Bendiscioli/Marco Bianco
早期微機電系統(MEMS)感測器無內部自我檢測功能,工程師在校準加速度計時必須將裝有感測器的印刷電路板傾斜,而校準陀螺儀時則必須旋轉裝有感測器的印刷電路板,透過測量感測器的輸出資料來確定感測器是否正常工作。如果感測器輸出隨著動作而變化,則表示感測器工作正常,否則感測器被視為失效,然而這個校準過程不適合大規模製造業。
最近幾年內部自我檢測已成為MEMS感測器不可或缺的功能。自我檢測原理就是向感測器的機械感應單元施加靜電力,模擬工程師從外部使感測器動作或旋轉的條件。在打開和關閉自我檢測功能時,如果感測器的輸出變化在規定範圍內,則表明感測器工作正常,符合設計參數規格。  

工程師十分熟悉MEMS感測器的自我檢測功能,但卻不太清楚如何正確使用自我檢測功能。本文論述如何正確使用數位MEMS感測器加速度計和陀螺儀的自我檢測功能,並附有功能框圖。  

認識加速度計自我檢測功能

當自我檢測功能開啟時,感測器的機械感應單元受到靜電測試力的作用而離開原始位置,模擬從外部向感測器施加加速度。自我檢測模式的輸出資料與自我檢測模式關閉的正常工作模式的輸出資料比較,如果輸出絕對值的差,在與預設全量程相關的最大值和最小值之間,則表示加速度計工作正常。  

為更好地了解加速度計的自我檢測功能,須要理解幾個問題,包含當打開和關閉自我檢測功能時,須採集加速度計在同一靜止位置的原始資料;當加速度計從省電模式轉換到正常模式時,須等到加速度計變穩定後再進行資料獲取,因為加速度計數據變穩定需要一些時間;可選擇在不同的全量程進行加速度計自我檢測功能;在自我檢測過程中,在不同模式下可能採集五或十個樣本,然後求算平均值算出最終自我檢測結果。  

當加速度計在正常模式、自我檢測功能關閉時(圖1),「Data_no_ST」表示:  

 

 

 




圖1 加速度計或陀羅儀自我檢測步驟

在同一靜止位置,當加速度計在自我檢測模式時,「Data_ST」:  

 

 





然後,自我檢測結果是:  

 

 

 





另一方面,若是呈現下面情形:  

 

 

 





則代表自我檢測成功,否則則是自我檢測失效。  

其中,minx,y,x and maxx,y,z與以整數最低有效位元(LSB)為單位的全量程有關。  

自我檢測模式通常分為兩種,包含自我檢測0和自我檢測1。自我檢測0和自我檢測1的區別是品質塊動作方向相反,量值相同,這意味著自我檢測0的結果接近自我檢測1,只是數值的符號相反。因此,在任意靜止位置進行自我檢測,用戶只須選擇其中任意一個自我檢測模式即可。  

加速度計正常模式(自我檢測模式關閉)的原始資料是自我檢測0模式與自我檢測1模式的原始資料之和的二分之一,因為自我檢測0和自我檢測1模式的Δ值被取消。即為: