一种MEMS加速度计敏感结构辐射效应在线测试装置及方法

摘要

本发明公开了一种MEMS加速度计敏感结构辐射效应在线测试装置及方法，包括测试电脑、电压信号检测装置、直流电源、PCB板、屏蔽体和辐射源，其中，PCB板上设置有MEMS加速度计，MEMS加速度计包括检测电路和敏感结构，通过检测电路对敏感结构进行检测，并经电压信号检测装置发送给测试电脑，以确定MEMS加速度计是否受辐射影响以及影响程度。

说明书

技术领域

本发明涉及微电子机械系统技术领域，尤其涉及一种MEMS加速度计敏感结构辐射效应在线测试装置及方法。

背景技术

随着微电子机械系统(MEMS)技术的不断成熟，以及电子学系统发展对器件小型化的要求，MEMS加速度计已成为惯性器件小型化的主要方向之一。当MEMS 加速度计在空间恶劣辐射环境(如航空航天、武器装备等工程应用环境)工作时，常导致加速度计性能劣化、甚至故障(失效)，目前对MEMS加速度计辐射效应研究是对MEMS加速度计上的检测电路与敏感结构的协同效应研究，无法确定加电工作态MEMS加速度计敏感结构受到辐射后是否受到影响，以及是否可以正常使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术无法检测加电工作态敏感结构受到辐射后的影响以及是否可以正常使用。本发明提供了一种MEMS加速度计敏感结构辐射效应在线测试装置和方法，以实现对敏感结构进行辐射效应测试，确定 MEMS加速度计敏感结构在辐射情况下是否受到影响，以及是否可以正常使用。

本发明通过下述技术方案实现：

一种MEMS加速度计敏感结构辐射效应在线测试装置，包括测试电脑、电压信号检测装置、直流电源、PCB板、屏蔽体和辐射源；其中，所述PCB板上设置有MEMS加速度计，所述MEMS加速度计包括检测电路和敏感结构；

所述测试电脑、所述电压信号检测装置和所述直流电源设置在测试间，所述辐射源、所述屏蔽体和所述PCB板设置在辐射间；

所述测试电脑与所述电压信号检测装置连接，所述电压信号检测装置与所述MEMS加速度计连接，所述直流电源对所述MEMS加速度计上的检测电路和敏感结构供电；所述辐射源发射射线，所述检测电路外设置有屏蔽体，用于屏蔽所述辐射源发射的射线。

进一步地，所述屏蔽体的厚度根据所述辐射源的射线能量确定。

进一步地，所述屏蔽体的材料采用高原子序数材料。

进一步地，所述屏蔽体的形状根据所述辐射源对检测电路的辐射范围设置。

进一步地，所述PCB板上两侧等间距安装有多个等高支柱。

进一步地，所述辐射源为光子类辐射源。

进一步地，所述检测电路和所述敏感结构按照预设距离设置在所述PCB板上。

进一步地，通过梯度设置所述检测电路和所述敏感结构之间的距离，选取抗干扰效果最好的距离作为预设距离。

一种MEMS加速度计敏感结构辐射效应在线测试方法，包括：

通过蒙特卡罗仿真软件对辐射源的粒子输运过程进行仿真，获取屏蔽效能大于预设值的屏蔽体厚度作为有效屏蔽体厚度，基于所述有效屏蔽体厚度选取对应的屏蔽体；

启动直流电源对所述检测电路和所述敏感结构供电，所述检测电路对所述敏感结构进行检测，以获取第一零位输出电压数据；

所述测试电脑获取测试指令，并基于所述测试指令启动所述电压信号检测装置，按照预设检测频率检测并记录所述检测电路输出的所述第一零位输出电压数据；

基于基准数据提取条件，从所述第一零位输出电压数据中选择基准数据，计算所述基准数据的平均值作为基准零位输出电压，计算所述基准数据的标准差作为基准零偏稳定性数据；

在辐射源开启时，所述检测电路对所述敏感结构进行检测，以获取第二零位输出电压数据；

所述电压信号检测装置按照预设检测频率检测并记录所述检测电路输出的所述第二零位输出电压数据；

基于待计算数据提取条件，从所述第二零位输出电压数据中选择待计算数据，并计算所述待计算数据的平均值作为待计算零位输出电压，计算所述待计算数据的标准差作为待计算零偏稳定性数据；

将所述待计算零位输出电压与所述基准零位输出电压进行比较，所述待计算零偏稳定性数据与所述基准零偏稳定性数据进行比较，获取测试结果。

进一步地，所述将所述待计算零位输出电压与所述基准零位输出电压进行比较，所述待计算零偏稳定性数据与所述基准零偏稳定性数据进行比较，获取测试结果，包括：

当所述待计算零位输出电压与所述基准零位输出电压的差值在第一预设误差范围内，且所述待计算零偏稳定性数据与所述基准零偏稳定性数据的差值在第二预设误差范围内，则测试结果为可以正常使用；

当所述待计算零位输出电压与所述基准零位输出电压的差值不在第一预设误差范围内，或所述待计算零偏稳定性数据与所述基准零偏稳定性数据的差值不在第二预设误差范围内，则测试结果为无法正常使用。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、通过检测电路对敏感结构进行检测，并经电压信号检测装置发送给测试电脑，以确定MEMS加速度计的敏感结构是否受辐射影响以及影响程度，从而确定MEMS加速度计的敏感结构是否可以正常使用。

2、通过将MEMS加速度计的敏感结构和检测电路设置在PCB板上，用PCB 板上的埋线传输微弱电信号，从而降低信号传输过程中受到的干扰。

3、通过固定PCB板，以保证PCB板上的MEMS加速度计的稳定性，避免由于外界因素导致MEMS加速度计出现倾斜、移位等情况，提高数据采集的可靠性。

4、将测试电脑、电压信号检测装置和直流电源设置在测试间，辐射源、屏蔽体和PCB板设置在辐射间，以避免辐射源对测试电脑、电压信号检测装置和直流电源的辐射损伤，保护实验设备，提高测试结果的可靠性。

5、在对MEMS加速度计的敏感结构进行辐射效应测试时，MEMS加速度计的检测电路不可避免地会受到辐射，因此，将敏感结构与检测电路分立集成在PCB 板上，以对检测电路设置屏蔽体屏蔽辐射，避免检测电路受辐照退化对敏感结构辐射效应测试结果产生干扰，以提高测试准确性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明一种MEMS加速度计敏感结构辐射效应在线测试装置的结构示意图。

图2 图1中检测电路的一具体原理框图。

图3为本发明一种MEMS加速度计敏感结构辐射效应在线测试方法的流程图。

图4为本发明一实施例中不同厚度的Pb屏蔽体对钴源的屏蔽效能的曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，本发明提供一种MEMS加速度计敏感结构辐射效应在线测试装置，包括测试电脑、电压信号检测装置、直流电源、PCB板、屏蔽体和辐射源；其中，PCB板上设置有MEMS加速度计，MEMS加速度计包括检测电路和敏感结构。

其中，敏感结构指MEMS加速度计的敏感表头。

具体地，如图2所示，本实施例中的检测电路包括C-V转换电荷放大器、整流器、低通滤波器和增益放大器。其工作原理是通过C-V转换电荷放大器将接收到由敏感结构输出的加速度转换为相应的电压信号，并将此电压信号经过一定频率的载波信号进行调制，然后通过整流器和低通滤波器对调制后的电压信号进行整流解调，滤除载波信号，最后通过增益放大器按照预设放大倍数对滤除载波信号的电压信号进行放大，并通过电压输出端输出。

敏感结构由敏感电容1、敏感电容2、补偿电容1和补偿电容2组成。其中，敏感电容1和敏感电容2串联后，敏感电容1与补偿电容1的一端连接、敏感电容2与补偿电容2的一端连接，补偿电容1的另一端与补偿电容2的另一端连接后分别与输出电容CF的一端和C-V转换电荷放大器的阴极输入端连接，输出电容CF的另一端分别与C-V转换电荷放大器的输出端和整流器连接，整流器与低通滤波器连接，低通滤波器分别与增益调整结构的一端和增益放大器的阴极输入端连接，增益调整结构的另一端与增益放大器的输出端连接，增益放大器的输出端连接输出电压端；C-V转换电荷放大器的阳极输入端、整流器、低通滤波器和增益放大器的阳极输入端连接至敏感结构1和敏感结构2之间。

本实施例中的电压信号检测装置指用于检测电压信号的装置，包括但不限于数字万用表和多通道数据采集器。

具体地，将检测电路和敏感结构固定设置在PCB板上，可以完成检测电路对敏感结构进行检测，降低信号传输过程中受到的干扰，也保证了MEMS加速度计信号采集的稳定性，此外，本实施例中的PCB板采用硬质PCB板，便于固定，固定方式包括但不限于通过绝缘胶带固定。通过将PCB板固定，可以避免实验过程中由于外界因素导致MEMS加速度计出现倾斜、移位等情况的发生，提高数据采集的可靠性。

测试电脑、电压信号检测装置和直流电源设置在测试间，辐射源、屏蔽体和PCB板设置在辐射间。

辐射源测试电脑与电压信号检测装置连接，电压信号检测装置与MEMS加速度计连接，直流电源对MEMS加速度计上的检测电路和敏感结构供电；辐射源发射射线，检测电路外设置有屏蔽体，用于屏蔽辐射源发射的射线。

具体地，将测试电脑、电压信号检测装置和直流电源设置在测试间，辐射源、屏蔽体和PCB板设置在辐射间，以避免辐射源对测试电脑、电压信号检测装置和直流电源的辐射损伤。

进一步地，屏蔽体的厚度根据辐射源的射线能量确定。当辐射源为钴源时，屏蔽体的厚度不小于6cm；当辐射源为铯源时，屏蔽体的厚度不小于3cm。(常规的也得需要计算下，很快的，一两天就可以。)

具体地，本实施例中屏蔽体的厚度是根据测试电脑进行辐射环境蒙特卡罗仿真，获取屏蔽效能和屏蔽体厚度关系曲线图后，选取满足屏蔽效能满足要求的屏蔽体的厚度。

进一步地，屏蔽体的材料采用高原子序数材料。

进一步地，辐射源为光子类辐射源。

进一步地，屏蔽体的形状根据辐射源对检测电路的辐射范围设置。

具体地，屏蔽体的材料与辐射源的类型有关，一般地，不同辐射源对应不同材料的屏蔽体。本实施例中以辐射源为钴源、屏蔽体的材料为铅为例进行说明：由于钴源发射的γ射线沿直线传输，因此，根据辐射源对检测电路的辐射范围在检测电路的周围设置屏蔽体，以防止辐射源对检测电路的辐射损伤。

进一步地，PCB板上两侧等间距安装有多个等高支柱。

具体地，为了降低PCB板对信号传输的干扰，本实施例在PCB板两侧等间距安装多个等高支柱，用以增强PCB板埋线传输信号的稳定性。

进一步地，检测电路和敏感结构按照预设距离设置在PCB板上。

具体地，检测电路和敏感结构的预设距离可以根据实际情况确定，本实施例中的预设距离在10cm-50cm范围内。

进一步地，通过梯度设置检测电路和敏感结构之间的距离，选取抗干扰效果最好的距离作为预设距离。如按照10cm、30cm和50cm的梯度设置检测电路和敏感结构之间的距离，通过测试得知，当检测电路和敏感结构之间的距离为 30cm时，抗干扰效果最好，则30cm可认定为预设距离。

将检测电路和敏感结构分开设置，方便在检测电路周围设置屏蔽体，防止辐射源辐射对检测电路的影响，保证检测电路检测结果的准确性。

本发明提供的一种MEMS加速度计敏感结构辐射效应在线测试装置，通过检测电路对敏感结构进行检测，并经电压信号检测装置发送给测试电脑，以通过零位输出数据和零偏稳定性数据确定MEMS加速度计的敏感结构是否受辐射影响以及影响程度，从而确定MEMS加速度计的敏感结构是否可以正常使用；通过将 MEMS加速度计的敏感结构和检测电路设置在PCB板上，用PCB板上的埋线传输微弱电信号，从而降低信号传输过程中受到的干扰。此外，采用硬质PCB板，便于固定，也可以避免实验过程中由于外界因素导致MEMS加速度计出现倾斜、移位等情况的发生，提高数据采集的可靠性；将测试电脑、电压信号检测装置和直流电源设置在测试间，辐射源、屏蔽体和PCB板设置在辐射间，以避免辐射源对测试电脑、电压信号检测装置和直流电源的辐射损伤，保护实验设备，提高测试结果的可靠性；在对敏感结构进行辐射效应测试时，MEMS加速度计的上检测电路不可避免地会受到辐射，因此，在检测电路外设置屏蔽体，以避免检测电路的辐照退化对敏感结构辐射效应测试结果产生的干扰，以提高测试准确性。

实施例2

如图3所示，本实施例与实施例1区别在于提供一种MEMS加速度计敏感结构辐射效应在线测试方法，包括：

S10：通过蒙特卡罗仿真软件对辐射源的粒子输运过程进行仿真，获取屏蔽效能大于预设值的屏蔽体厚度作为有效屏蔽体厚度，基于有效屏蔽体厚度选取对应的屏蔽体。

具体地，通过蒙特卡罗仿真软件对辐射源的粒子运动过程进行仿真，获取屏蔽效能和屏蔽体厚度的关系曲线图，然后通过该关系曲线图选取屏蔽效能大于预设值的屏蔽体厚度作为有效屏蔽体厚度，并基于有效屏蔽体厚度选取对应的屏蔽体。其中，该预设值指预先设置的满足屏蔽要求的值。

本实施例中的蒙特卡罗仿真软件包括但不限于MCNP和Geant4。

进一步地，如图4所示，为不同厚度的Pb屏蔽体对钴源的屏蔽效能的曲线图，其中，横坐标为不同厚度的Pb屏蔽体，纵坐标为不同厚度的Pb屏蔽体对应的屏蔽效能。预设值设为95％，则选取屏蔽效能大于95％的屏蔽体厚度作为有效屏蔽体厚度。

S20：启动直流电源对检测电路和敏感结构供电，检测电路对敏感结构进行检测，以获取第一零位输出电压数据。

其中，第一零位输出电压数据指在常态工作条件下(辐射源辐照前)测得零位输出电压数据。

S30：测试电脑获取测试指令，并基于测试指令启动电压信号检测装置，按照预设检测频率检测并记录检测电路输出的第一零位输出电压数据。

具体地，测试电脑获取测试指令，并基于测试指令启动电压信号检测装置，按照预设检测频率(例如0.5s/检测一次)检测并记录检测电路输出的第一零位输出电压数据。

S40：基于基准数据提取条件，从第一零位输出电压数据中选择基准数据，计算基准数据的平均值作为基准零位输出电压，计算基准数据的标准差作为基准零偏稳定性数据。

其中，基准数据提取条件指用于从第一零位输出电压数据中选择基准数据的条件。基准数据指常态工作条件下(即辐射前)的零位输出电压数据，本实施例中的基准数据提取条件具体为MEMS加速度计在加电工作达到性能稳定后 (如一分钟性能稳定后)，预设基准时长(如3min)或预设基准数据点个数(如 300个)对应的时长。

具体地，在获取零位输出电压数据后，根据上述基准数据条件从零位输出电压数据中选择基准数据，并计算其平均值作为基准零位输出电压，计算其标准差作为基准零偏稳定性数据，获取基准数据可判断常态情况下(即辐设前) 测试系统功能是否正常。

S50：在辐射源开启时，检测电路对敏感结构进行检测，以获取第二零位输出电压数据。

其中，第二零位输出电压数据指在辐射时测得零位输出电压数据。

S60：基于待计算数据提取条件，从第二零位输出电压数据中选择待计算数据，并计算待计算数据的平均值作为待计算零位输出电压，计算待计算数据的标准差作为待计算零偏稳定性数据。

其中，待计算数据提取条件指用于从零位输出电压数据中选择待计算数据的条件。待计算数据指辐射达到一定的时长或达到一定的辐照剂量后，选取目标辐照时刻前后一段时间的零位输出电压数据，其中，目标辐照时刻指辐射达到一定的时长或达到一定的辐照剂量时对应的时刻。

本实施例中的待计算数据提取条件包括两种：一、在短时间辐照剂量误差对敏感电参数结果影响不大的条件下，在目标辐照时刻

具体地，在得到零位输出电压数据后，基于上述待计算数据提取条件，从零位输出电压数据中选择待计算数据，并计算待计算数据的平均值作为待计算零位输出电压，计算待计算数据的标准差作为待计算零偏稳定性数据。

S70：将待计算零位输出电压与基准零位输出电压进行比较，待计算零偏稳定性数据与基准零偏稳定性数据进行比较，获取测试结果。

上述MEMS加速度计敏感结构辐射效应在线测试方法通过检测电路对敏感结构进行检测，并经电压信号检测装置发送给测试电脑，以通过零位输出数据和零偏稳定性数据确定MEMS加速度计的敏感结构是否受辐射影响以及影响程度，以确定敏感结构是否可以正常使用。

当待计算零位输出电压与基准零位输出电压的差值在第一预设误差范围内，且待计算零偏稳定性数据与基准零偏稳定性数据的差值在第二预设误差范围内，则测试结果为可以正常使用；当待计算零位输出电压与基准零位输出电压的差值不在第一预设误差范围内，或待计算零偏稳定性数据与基准零偏稳定性数据的差值不在第二预设误差范围内，则测试结果为无法正常使用。

其中，第一预设误差范围指判断待计算零位输出电压与基准零位输出电压的差值是否满足要求的值。第二预设误差范围指判断待计算零偏稳定性数据与基准零偏稳定性数据的差值。第一预设误差范围和第二预设误差范围的具体设定值可根据实际情况具体设置，在此不做限定。

以上所述具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。