摘要：文章基于MEMS惯性传感器中加速度计与陀螺仪的基本工作原理，采用建立误差模型的方法，对MEMS惯性传感器的系统误差和随机误差进行误差补偿方法的相关研究；根据涵盖了绝大部分针对环境失效机理的可靠性试验项目MIL-STD-883进行MEMS惯性传感器的可靠性研究，同时总结相应的可靠性试验研究方法，并对未来的发展趋势提出几点浅见。
关键词：MEMS 惯性传感器 误差补偿 可靠性
中图分类号：TM932 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）03-0084-03
MEMS惯性技术是上世纪80年代以来，由惯性原理、Micro-Electro-Mechannical-Systems和微型制造技术相结合的产物，包括MEMS惯性传感器元件技术、惯性测量、导航技术等[1]。相对传统的惯性传感器，MEMS惯性传感器具有成本低、体积小、功耗小、测量自主性及稳定性好等优点，现已在军事、智能驾驶、机器人控制等领域得到了广泛的应用。MEMS惯性传感器是制约微惯性技术发展的关键，主要表现在可靠性、精准性等方面；可靠性方面，对于惯性器件的典型失效模式与失效机理的研究，有助于典型环境载荷和惯性传感器失效机理，并从现有微电子可靠性测试标准，选择相应的测试方法；惯性器件存在测量精度低、噪声大等缺点，除了机械结构的优化设计和提高电路的性能并对外部电磁干扰进行屏蔽等措施，最有效的重要途径从应用之角度惯性器件的误差分析和补偿，以提高系统的测量精度。
1 MEMS惯性传感器
1.1 MEMS陀螺仪
陀螺仪是用于感测旋转的微型装置，自第一只MEMS陀螺仪由美国德雷柏实验室1991年研制成功后，各种MEMS陀螺仪相继问世，出现了各种以微电子机械技术和纳米技术制造的微机械陀螺仪。MEMS振动陀螺仪通常由质量块、弹性悬梁、支撑框架、驱动装置和信号检测装置组成。图1示为框架式MEMS振动陀螺仪的结构模型，质量块在静电驱动梳驱动下沿x轴方向作驱动模态振动，当沿z轴方向输入角速度z时，科氏力将诱导质量块沿y方向振动，其振幅与输入角速度的大小相关，通过测量y方向的振动便可测量出输入的角速度值。
振动型陀螺的分析模型如2所示，是驱动模态，检测振动模态弹性系数，与是系统的阻尼。振动陀螺仪一般通过交流电压应用于静电梳状驱动器来驱动它的振动。因图2中系统由于频率为的电压驱动，在轴方向作驱动模态振动，因此方程可以表示为：
当沿z轴方向有旋转角速度Ωs运行，将会有沿轴方向（垂于平面）的可理奥历力，使得质量块在轴方向的振动，即测试模态振动。旋转产生的可理奥历力大小为：
MEMS振动陀螺仪一般相应措施使驱动频率和测试模态频率一致，即，对上述式子求解得到输入角速度与检测模态振幅的关系：其中为品质因素。由上式可以看出通过如下途径可提高陀螺仪的灵敏度：一是提升驱动模态振动幅度，通过调整驱动电压的频率，使其接近自然振动频率驱动模式，最大化系统共振振幅；二是提高检测模态的质量因，一般是通过真空手段来降低它的阻尼，提高质量因子。美国佐治亚理工学院在2008年采用一种使用自动模态匹配技术的音叉振动板陀螺（），此陀螺的驱动模态和检测模态间的频率差为0，从而获得了很好的噪声水平和较小的零偏漂移[2]。
1.2 MEMS加速度计
MEMS加速度计在应用过程中一般按敏感信号的方式分类，下面主要介绍此分类的常用的MEMS加速度计；压阻式加速度计工作原理是在悬臂梁上有一个压敏电阻，当有加速度作用时，在悬臂梁上产生应力，由于压阻效应，压敏电阻的阻值发生变化。对压敏电阻施以恒定电流，则压敏电阻两端的电压就会发生变化。通过测量这个电压的变化就可感知加速度的变化，如图3所示。压阻式加速度计的读出电路很简单，易于和信号电路集成，但是压敏电阻的制作难度大，而且温度系数也很大。
2 MEMS惯性传感器的补偿方法
MEMS惯性传感器误差分为两大类即系统误差和随机误差，其中系统误差分为静态误差和动态误差两种[3]。在补偿MEMS惯性传感器时，如零偏不稳定性、失准角、标度因数误差和随机噪声等，需要建立起相应误差模型，并进行模型参数辨识实施补偿。
2.1 系统误差补偿方法
系统误差补偿方法，包括静态误差补偿与动态误差补偿两种，对于静态误差补偿方法，MEMS惯性传感器由于尺寸效应和表面效应的存在，物理现象不同于传统的惯性传感器。当尺寸减小时，大小和高阶惯性力特性，正比于L中的相对减少，而L和效果成正比的低粘性力，弹性力的平方的影响的电磁力，表面张力，静电等相对增加，故微型系统常以静电力、表面张力作为驱动力。当它的尺寸减小，相对表面积与体积之比增加，因此热导率，化学反应速度，表面的材料特性，以及影响生产过程中的摩擦现象之间显著增加摩擦，因此，常规的MEMS惯性传感器的静态误差的机制是不同的，需要建立相应的误差模型[4]。
在对MEMS惯性器件开始标定的时候，必须尽量改善传统的校准方案，或对新模型和测试方法的研究，以达到精确校准的目的。对惯性器件进行标定方法大致归为三类：一是构成的冗余配置方案，即在测量轴上均安装一只双轴加速度计，陀螺敏感轴方向就可用同一安装平面内的两个加速度计测量矢量的叉乘矢量方向代替，再在两轴或三轴角位置转台标定惯性器件的安装误差，可有效地解决惯性器件安装误差的标定与补偿问题[5]；二是建立输入轴失准角与陀螺标度因数之间的耦合关系模型，并设计专用测试设备，应用多元非线性最小二乘法解耦，计算出相应的模型参数的约束。三是将载体坐标系的失准角与陀螺和加速度计各自敏感轴分开标定，校正模型首先建立MEMS惯性器件时，有一个大失准角，然后多速率测试的位置和设计，参数优化方法，估计该模型失准角和标度因数误差等[6]。
动态误差是由于惯性元件固连在载体上直接承受它的角速度和加速度的变化引起的误差，需要建立对相应的误差进行补偿。动态情况下MEMS陀螺的零偏和标度因数变化明显，需分析标度因数常值误差、不对称误差及非线性误差的起因建立数学模型，然后进行补偿，补偿方法一般有以下三种：一是在整个测量范围陀螺点多速率测试时，陀螺仪标度因子与输入角速度非线性曲线拟合来建立的陀螺仪标度因子的统一模型；二是在使用一个合适的方式为陀螺仪标度因数误差补偿的整个测量范围内的陀螺分段进行补偿；三是利用GPS等外参考信息，采用卡尔曼滤波或神经网络的方法对标度因数进行实时的辨别和误差补偿[7]。
2.2 随机误差补偿方法
目前世界各国对陀螺仪漂移测试和模型建立方面做了大量的科学研究。根据陀螺的谐振结构建立陀螺仪的数学物理模型，并对其误差进行补偿，取得较好的效果。但很多时候我们采用时间序列统计建模方法，如法、神经网络和ARMA模型等。
MEMS陀螺噪声分析的标准方法Allan方差法是由NBS的David Allan在60年代研究铯光频率的误差统计特性时提出的，由于MEMS陀螺仪的输出随机漂移数据具有极其相近的统计特性，因此Allan方差法可应用于MEMS陀螺仪的随机漂移特性和识别，从而能有效地分离随机误差的主要来源，它可易于分别误差源及其噪声的详细特征和识别的统计特性，MEMS传感器的总体性能做一个比较客观的评价，并能与滤波算法相结合，为提高微惯系统提供更好的系统性能[8]。神经网络建模方法归为两类：一是基于神经网络滤波方法，通过软件滤波方式修正陀螺误差分析MEMS陀螺漂移为均值非平稳、方差平稳的随机过程基础上，采用一种克服时间序列非平稳、非线性建模的梯度神经网络模型陀螺漂移数据进行建模补偿；二是多传感器数据融合技术，采用了一套环境传感器检测传感器的工作温度，环境湿度，电源波动等因素的影响，这些环境传感器和传感器输出的输出通过补偿作为输入到神经网络，神经网络校准传感器输出的非线性映射能力，网络的输出进行补偿传感器的校正值。
3 MEMS惯性传感器可靠性研究
3.1 失效机理
MEMS惯性传感器的工作环境往往十分恶劣，应用中会受到极端温度、加速度和压力等的作用，比如微加速度传感器在车辆上的应用，通常要受到125-140℃的高温。这些环境因素会对惯性传感器带来各种各样的失效问题。惯性传感器因环境因素引发的典型失效模式包括：粘附、微粒污染、分层、疲劳、腐蚀和断裂，失效信息如表1所示，根据惯性传感器失效相关信息的研究，可得到失效机理与外界环境载荷的关系，如表2所示。
3.2 可靠性试验研究
惯性传感器在某种特定的环境载荷会引发特定的失效模式。由于器件与IC器件在封装、制造及材料等方面的共通性，当前相当数量的惯性传感器可靠性试验依据的是MILSTD-883，并且该标准也较全面，基本涵盖了绝大部分针对环境失效机理的可靠性试验项目。因此，对应MEMS惯性传感器基于失效机理外界环境载荷关联性的研究，可作选取惯性传感器典型可靠性试验项目的蓝本，对试验项目可靠性的总结如表3所示[9]。
MEMS器件的机械冲击试验可用于确保其封装的完整性，并检测MEMS的封装材料缺陷、腐蚀和其它类型的失效，是一种破坏性试验，通常适用于如微加速度传感器的腔型封装器件。机械冲击试验还包括离心旋转、典型试验中MEMS器件将受到高达30000g的加速度作用。但是这些试验方法的适用性仍需要具体的试验案例研究来进行验证，同时对于具体环境应力的定量化确定方法也需要通过物理可靠性的途径并对具体的失效建模来进行更深入研究。
4 MEMS惯性传感器发展趋势
近年来MEMS惯性传感器的性能迅速的提升，目前正由速率级向战术级精度迈进，MEMS惯性技术随着系统技术的进步和工艺水平的提高不断发展；未来的发展趋势为：（1）MEMS惯性传感器将向微型化、高精度方向发展；（2）多轴MEMS惯性传感器成为趋势；（3）MEMS惯性传感器性能要求将侧重于误差漂移、迟滞效应小；（4）多MEMS惯性传感器片上集成化、智能化成为新的发展方向。
5 结语
本文对MEMS惯性传感器的背景进行了简要的概括，简要介绍了MEMS加速度计与陀螺仪的基本工作及结构原理，并提及了相关的加工方法；对MEMS惯性传感器的误差机理及补偿方法做了概述，根据其失效机理，总结相应的可靠性试验研究方法，并对未来的发展趋势提出几点浅见。
参考文献
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