[发明专利]一种MEMS陀螺性能预评估片上测试系统

说明书

本发明公开了一种MEMS陀螺性能预评估片上测试系统，该测试系统包括圆片测试探卡电路、数据采集卡和上位机数据采集系统。上位机数据采集系统控制数据采集卡输出模式控制电平，以切换圆片级MEMS陀螺的驱动回路闭环或检测回路闭环。驱动回路闭环时，采集驱动检测信号、检测信号、增益控制电平，在上位机数据采集系统中进行相敏解调、耦合误差、驱动品质因数的计算；检测回路闭环时，采集检测信号、增益控制电平，在上位机程序中完成检测品质因数的计算。本发明采用电学测量的方式对圆片级MEMS陀螺进行耦合误差测试，有利于分离结构误差来源，为圆片级MEMS陀螺性能预评估提供依据；并且提供一种陀螺检测品质因数的闭环测试方案，简化测试步骤，提高测试效率。

技术领域

本发明属于MEMS陀螺测试领域，特别是一种MEMS陀螺性能预评估片上测试系统。

背景技术

硅微机械陀螺仪是一种以哥氏效应为基础原理，依托MEMS加工技术的角速度传感器件，具有体积小、重量轻、低功耗、低成本以及易于实现大批量生产等突出优点，已被广泛用于微惯性导航系统、汽车安全、工业自动控制、消费类电子等领域，具有广阔的发展前景。

MEMS陀螺的耦合误差是其零偏的重要组成部分，主要来源于刻蚀、键合、封装等生产加工过程中的工艺误差。耦合误差分为同相耦合误差与正交耦合误差，同相耦合误差与输入角速度同相，是影响MEMS陀螺性能的最主要误差源；正交耦合误差与驱动位移相位相同，经相敏解调后仍有部分残余在零偏中，其影响不可忽略。MEMS陀螺的模态频率、品质因数也具有重要的物理意义，不仅是判断陀螺性能等级的指标，也广泛应用于温度表征、温度补偿中。因此，对MEMS陀螺的耦合误差、模态频率、品质因数进行实时、准确地测量，是辨识其误差来源、提高温度性能的基础。

传统的MEMS陀螺耦合误差、品质因数地测试方法是针对封装后的陀螺整表进行测试，该方法测试周期长、成本高，且引入了封装、划片等后道工艺和电路板的影响，测试结果误差较大。因此，针对圆片级MEMS陀螺进行耦合误差、品质因数测试，可以排除后道工艺的影响，测试精度高，有利于分离误差来源，且这种测试方法自动化程度高，可以节省大量测试时间、人力成本。

目前，国内外采用MEMS工艺加工制造的陀螺，可实现的片上测量参数包括模态固有频率、品质因数、带宽、阻容值等静态参数。中国专利CN204346459U公开了一种微机械陀螺的晶圆测试系统，使用扫频的方法激励圆片级MEMS陀螺，采集检测端的输出信号后进行模数转换、傅里叶变换等处理，根据其模态频率与带宽判断陀螺是否能正常起振。此方法虽然简单易行，但其测试结果只能判断陀螺是否工作，无法进一步判断陀螺的性能等级及误差来源。

目前MEMS陀螺耦合误差的研究重在产生机理、有限元仿真和各种补偿措施，针对其测试的方法较少。中国专利CN112964242A公布了一种石英音叉陀螺表头机械耦合误差测试系统及测试方法。使用外置振动单元以驱动模态固有频率激励陀螺。取检测模态实时幅值与驱动模态实时幅值的比值作为耦合误差系数，进而根据该系数确定陀螺实际工作时的耦合误差。此方法需要先进行扫频实验确定驱动模态频率，操作繁琐，不利于自动化、快速测试，且无法分离同相耦合误差与正交耦合误差。

常见的品质因数测试方法包括Ring-Down法、断开闭环、白噪声激励法等，本质都是使驱动梳齿或检测梳齿做衰减运动，根据其衰减时间常数计算品质因数。中国专利CN110553666A公开的一种MEMS陀螺仪品质因数的获取方法，使用信号发生器根据陀螺的固有频率产生测试信号，此时驱动电路的输出与谐振器的振幅线性相关，使用示波器采集驱动电路的输出，计算输出信号的衰减时间常数，获得其品质因数。这一类方法通常所需设备较多，操作步骤繁琐，需要对数据进行离线处理，无法获得实时的数据。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种MEMS陀螺性能预评估片上测试系统，使用电学的方式实现圆片级MEMS陀螺的耦合误差、模态频率和品质因数等关键参量的实时、快速和批量化测试，实现圆片级MEMS陀螺性能的预评估。

实现本发明目的的技术解决方案为：