[發明專利]一種MEMS器件原位實時測試塢及失效故障溯源方法

有效

• 申請號: 202011046401.2
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112130021B
• 公開（公告）日: 2023-10-10
• 發明（設計）人: 張鐘方
• 申請（專利權）人: 山西羽炎星微納物聯科技有限公司
• 主分類號: G01R31/00
• 分類號: G01R31/00;G01D21/02
• 代理公司: 太原新航路知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14112
• 代理人: 王勇

1.一種MEMS器件原位實時測試塢，其特征在于：包括測試座板(1)、電池(2)、電源管理芯片(3)、MEMS器件(4)、傳感器陣列、模數轉換器(6)、微處理器(7)、存儲器(8)、無線發射器(9)、無線接收器(10)、上位機(11)；

所述傳感器陣列包括溫濕度傳感器(501)、氣壓傳感器(502)、磁場傳感器(503)、高度傳感器(504)、振動傳感器(505)、頻率傳感器(506)、電壓采集器(507)、電流采集器(508)、功率采集器(509)；

電池(2)、電源管理芯片(3)、MEMS器件(4)、溫濕度傳感器(501)、氣壓傳感器(502)、磁場傳感器(503)、高度傳感器(504)、振動傳感器(505)、頻率傳感器(506)、電壓采集器(507)、電流采集器(508)、功率采集器(509)、模數轉換器(6)、微處理器(7)、存儲器(8)、無線發射器(9)均固定于測試座板(1)的上表面；

電池(2)的輸出端與電源管理芯片(3)的輸入端連接；電源管理芯片(3)的輸出端分別與MEMS器件(4)的供電端、溫濕度傳感器(501)的供電端、氣壓傳感器(502)的供電端、磁場傳感器(503)的供電端、高度傳感器(504)的供電端、振動傳感器(505)的供電端、頻率傳感器(506)的供電端、電壓采集器(507)的供電端、電流采集器(508)的供電端、功率采集器(509)的供電端、模數轉換器(6)的供電端、微處理器(7)的供電端、存儲器(8)的供電端、無線發射器(9)的供電端連接；

MEMS器件(4)的輸出端與微處理器(7)的輸入端連接；

頻率傳感器(506)的輸入端與MEMS器件(4)的頻率輸出端連接；電壓采集器(507)的輸入端、電流采集器(508)的輸入端、功率采集器(509)的輸入端均與MEMS器件(4)的供電端連接；

溫濕度傳感器(501)的輸出端、氣壓傳感器(502)的輸出端、磁場傳感器(503)的輸出端、高度傳感器(504)的輸出端、振動傳感器(505)的輸出端、頻率傳感器(506)的輸出端、電壓采集器(507)的輸出端、電流采集器(508)的輸出端、功率采集器(509)的輸出端均通過模數轉換器(6)與微處理器(7)的輸入端連接；

微處理器(7)的輸出端分別與存儲器(8)的輸入端、無線發射器(9)的輸入端連接；

無線發射器(9)的輸出端與無線接收器(10)的輸入端無線連接；

無線接收器(10)的輸出端與上位機(11)的輸入端連接。

2.根據權利要求1所述的一種MEMS器件原位實時測試塢，其特征在于：所述電池(2)為鋰離子電池；所述電源管理芯片(3)為TPS65148RHBR電源管理芯片；所述溫濕度傳感器(501)為MEMS溫濕度傳感器；所述氣壓傳感器(502)為MEMS氣壓傳感器；所述磁場傳感器(503)為MEMS磁場傳感器；所述高度傳感器(504)為MEMS高度傳感器；所述振動傳感器(505)為MEMS振動傳感器；所述頻率傳感器(506)為MEMS頻率傳感器；所述電壓采集器(507)為MDSE105電壓采集器；所述電流采集器(508)為MDSE105電流采集器；所述功率采集器(509)為MDSE103功率采集器；所述模數轉換器(6)為MAX1167模數轉換器；所述微處理器(7)為MSP430G2553微處理器；所述存儲器(8)為SATA硬盤；所述無線發射器(9)為JF24D-TX無線發射器；所述無線接收器(10)為JF24D-RX無線接收器；所述上位機(11)為PC機。

3.根據權利要求1或2所述的一種MEMS器件原位實時測試塢，其特征在于：所述MEMS器件(4)為MEMS陀螺儀；所述MEMS器件(4)的頻率輸出端為MEMS陀螺儀的驅動模態頻率輸出端。

4.根據權利要求1或2所述的一種MEMS器件原位實時測試塢，其特征在于：所述MEMS器件(4)為MEMS諧振式加速度計；所述MEMS器件(4)的頻率輸出端為MEMS諧振式加速度計的諧振頻率輸出端。

5.一種MEMS器件失效故障溯源方法，該方法是基于如權利要求1所述的一種MEMS器件原位實時測試塢實現的，其特征在于：該方法是采用如下步驟實現的：

啟動MEMS器件(4)，MEMS器件(4)開始工作，并將其輸出數據實時發送至微處理器(7)；

與此同時，傳感器陣列實時采集各種環境應力數據，采集結果經模數轉換器(6)進行模數轉換后實時發送至微處理器(7)；具體過程如下：

a.溫濕度傳感器(501)實時采集工作環境的溫濕度數據，采集結果經模數轉換器(6)進行模數轉換后實時發送至微處理器(7)；

b.氣壓傳感器(502)實時采集工作環境的氣壓數據，采集結果經模數轉換器(6)進行模數轉換后實時發送至微處理器(7)；

c.磁場傳感器(503)實時采集工作環境的磁場強度數據，采集結果經模數轉換器(6)進行模數轉換后實時發送至微處理器(7)；

d.高度傳感器(504)實時采集測試塢的高度數據，采集結果經模數轉換器(6)進行模數轉換后實時發送至微處理器(7)；

e.振動傳感器(505)實時采集測試塢的振動數據，采集結果經模數轉換器(6)進行模數轉換后實時發送至微處理器(7)；

f.頻率傳感器(506)實時采集MEMS器件(4)的頻率數據，采集結果經模數轉換器(6)進行模數轉換后實時發送至微處理器(7)；

g.電壓采集器(507)實時采集MEMS器件(4)的供電電壓數據，采集結果經模數轉換器(6)進行模數轉換后實時發送至微處理器(7)；

h.電流采集器(508)實時采集MEMS器件(4)的供電電流數據，采集結果經模數轉換器(6)進行模數轉換后實時發送至微處理器(7)；

i.功率采集器(509)實時采集MEMS器件(4)的供電功率數據，采集結果經模數轉換器(6)進行模數轉換后實時發送至微處理器(7)；

微處理器(7)一方面將MEMS器件(4)的輸出數據和各種環境應力數據實時發送至存儲器(8)進行存儲，另一方面將MEMS器件(4)的輸出數據和各種環境應力數據依次經無線發射器(9)、無線接收器(10)實時發送至上位機(11)進行顯示，由此進行MEMS器件(4)的原位實時測試；

在測試過程中，微處理器(7)實時計算MEMS器件(4)的輸出數據在相鄰兩個時段內的平均值之差ΔP，并實時判斷計算結果是否大于設定閾值；具體計算公式如下：

ΔP＝P_i+1-P_i；

式中：P_i+1表示MEMS器件(4)的輸出數據在第i+1個時段內的平均值；P_i表示MEMS器件(4)的輸出數據在第i個時段內的平均值；p_ij表示MEMS器件(4)的輸出數據在第i個時段內第j個采樣時刻的值；n表示每個時段所包含的采樣時刻個數；

若MEMS器件(4)的輸出數據在相鄰兩個時段內的平均值之差ΔP大于設定閾值，則微處理器(7)判定MEMS器件(4)發生了失效故障；此時，微處理器(7)實時計算每種環境應力數據在相鄰兩個時段內的平均值之差ΔQ，并實時判斷計算結果是否大于設定閾值；具體計算公式如下：

ΔQ＝Q_i+1-Q_i；

式中：Q_i+1表示某種環境應力數據在第i+1個時段內的平均值；Q_i表示某種環境應力數據在第i個時段內的平均值；q_ij表示某種環境應力數據在第i個時段內第j個采樣時刻的值；n表示每個時段所包含的采樣時刻個數；

若某種環境應力數據在相鄰兩個時段內的平均值之差ΔQ大于設定閾值，則微處理器(7)判定該種環境應力數據引發了失效故障，并將判定結果依次經無線發射器(9)、無線接收器(10)實時發送至上位機(11)進行顯示，由此原位實時地獲知引發失效故障的環境應力類型。