[发明专利]多轴微型运动传感器的校准设备及校准方法

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种多轴微型运动传感器的校准技术，特别涉及到一种多轴微型运动传感器的校准设备及校准方法。

背景技术

微型传感器，特别是微机电系统（MEMS）传感器，被用于将自然界的物理量转换为电信号供给微处理器，将真实世界与电脑相联接，构成了互联网的基石。

微型运动传感器包括重力传感器、角速度传感器、地磁传感器，及他们的组合，用于感知物体的运动和姿态。随着其在手机、平板电脑等移动电子设备上的广泛应用而进入消费者的生活。最早进入移动电子产品的是重力传感器，然后是地磁传感器，最后是角速度传感器。重力传感器是一种加速度传感器，用于感知物体与地球引力方向的角度、物体的自由落体运动、物体的线性运动等；角速度传感器用于感知物体的旋转速度；地磁传感器用于感知物体与地球磁场方向的相对角度。每个传感器均可感知x、y、z三个轴向的信号。消费类移动电子设备要求电子元器件体积小、功耗低、价格便宜，所以越来越多的组合式多轴微型运动传感器被应用，如将重力传感器和地磁传感器组合成一个6轴传感器，将重力传感器和角速度传感器组合成一个6轴传感器，以及将重力传感器、地磁传感器、角速度传感器组合成一个9轴传感器。

由于微型运动传感器制造过程相当复杂，以MEMS传感器为例，涉及到MEMS圆片加工、ASIC（Application Specific Integrated Circuit的英文缩写，指为专门目的而设计的集成电路）圆片加工、芯片封装等制造过程，其中任何一道工序出错，都会对MEMS传感器的性能产生影响，特别是导致每个传感器之间的性能不一致。而用户的需要是感知真实世界的模拟物理量，同一型号的传感器必须具有同样的性能。所以在微型传感器产品出厂前，必须逐个进行参数校准，如零偏、灵敏度等，以保证客户得到性能一致的产品。

要校准传感器就必须对传感器施加一定量的激励信号源，测量传感器的初始输出值，再通过传感器内部的控制电路调节输出值，得到符合出厂规范的产品。也就是说，校准重力传感器，必须施加一定量的重力；校准角速度传感器，必须施加一定量的旋转速度；校准地磁传感器，必须施加一定量的磁场。现有技术的校准装置的测试头如图1、图2所示，它有一个精密马达11和一个精密马达13分别控制框架12和转轴16，驱动测试座14沿x轴心线A和y轴心线B转动。

在校准重力传感器时，将地球引力作为激励信号源，因为在地球上的物体都受到地球万有引力的作用，产生1个地球引力单位（9.8 m/s²）的加速度，称为1g，方向指向地心。所以待校准样品15受到测试座14的反作用力，即受到逆地心方向、大小为1g的加速度作用。进行测量时，在图1所示状态时，待校准样品15的y轴向与地球引力平行，受力+1g；x轴向与地球引力垂直，受力0g；z轴向与地球引力垂直，受力0g。当精密马达11驱动框架12沿x轴心线90顺时针转过90°时，待校准样品15的z轴向与地球引力平行，受力+1g；x轴向与地球引力垂直，受力0g；y轴向与地球引力垂直，受力0g。以此类推，可以测得待校准样品15的y轴和z轴的零偏初始输出值和零敏度初始输出值。然后控制精密马达13驱动转轴16沿Y轴心线B顺时针转过90°，形成图2所示状态。此时待校准样品的正面15′朝向-x方向，待校准样品15的y轴向与地球引力平行，受力+1g；x轴向与地球引力垂直，受力0g；z轴向与地球引力垂直，受力0g。当马达11驱动框架12沿x轴心线A顺时针转过90°时，待校准样品15的x轴向与地球引力平行，受力+1g；y轴向与地球引力垂直，受力0g；z轴向与地球引力垂直，受力0g。以此类推，可以测得待校准样品15的x轴和y轴的零偏初始输出值和零敏度初始输出值。这样，待校准样品的x，y，z三个轴向的初始输出值都测到了，通过传感器内部的控制电路调节最终输出值，就完成了重力传感器的校准。