輸出特性量測

4.3.1 加速度計實量測展示

下方幾張圖為實際上電來展示開發的加速度計， 圖 49 (a)為橫向(X 向)左右來回的 運動，圖 49(b)則為縱向(Y 向)前後來回的運動，由示波器可看到兩方向波形對應的情 形。其中感測軸訊號會明顯較大，而由於人手的運動方向並非完全帄行加速度計方向及 原本加速度計的耦合影響，所以非感測軸也會有些許的訊號反應。圖 50 則展示了此加 速度計的一種運用情境──傾斜感測，即當加速度計有一傾斜角時，相對應軸的訊號會 因為重力加速度的變化而發生改變，圖 50(a)為左右傾斜，圖 50(b) 則為前後傾斜。

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(a) (b)

圖 49 (a)橫向左右來回的運動，(b)縱向前後來回的運動

(a) (b) 圖 50 (a)左右傾斜，(b)前後傾斜

4.3.2 靈敏度與非線性度

如圖 51，雙軸加速度計在受到外界給予 23Hz，+/-1G 加速度時的輸出，為一正弦 波符合預期，靈敏度 X 軸為 318(mV/G)、Y 軸為 312(mV/G)，約可達 Reference 加速度 計的 3 倍(Reference 約 100mV/G)如圖 52、圖 53；在+/-5G 的量測範圍內，X 軸、Y 軸 非線性度表現極佳。

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圖 51 (a) X 軸 與 (b)Y 軸 輸出 ( Shaker +/- 1G @ 23Hz)

圖 52 X 軸 靈敏度 318 mV/G ( 0 ~ 5G @ 23Hz)

圖 53 靈敏度 312 mV/G( 0 ~ 5G @ 23Hz)

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4.3.3 動態範圍

動態範圍泛指此加速度計可量測的最大範圍，如前圖 52 圖 53 雙軸靈敏度數據可 看出，最大範圍到+/-5G 都可維持完全線性，已超過規格要求的+/-3G；另外載台提供到 5G 以上加速度時則會因訊號線的晃動產生波形異常，如圖 54，故目前的量測帄台會造 成 High G 的非線性表現，此非加速度計本身產生，須由量測帄台端加以改進。

圖 54 訊號線的擾動影響震動帄台

4.3.4 耦合度

避免他軸的耦合為雙軸加速度計中重要的課題，故希望各軸耦合度可以做到±1%以 內，如圖 55 圖 56，此加速度計的 Y 對 X 耦合度(Y to X cross Sensitivity)為 14.5%，X 對 Y 耦合度(X to Y cross Sensitivity)為 14.9%，目前階段所量測到較高的耦合度除了雜 訊的影響外，大部分來自於 COB 板對準的精度，如圖 57，COB 板的 XY 軸對實際的 量測軸旋轉偏移 3°，就已可造成加速度計天生具有 5.2%的耦合度(不論 X 對 Y 或 Y 對 X)，隨著對準旋轉角度的增大亦會使耦合度大大增加如表 5。

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圖 55 Y 對 X 耦合度 14.5 % (Y 方向震動@23Hz)

圖 56 X 對 Y 耦合度 14.9 % (X 方向震動@23Hz)

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圖 57 COB 板示意圖

表 5 偏轉角度與耦合度關係表 Alignment

Rotation

3° 6° 9° 12° 15°

Cross Sensitivity 5.24% 10.5% 15.8% 21.3% 26.8%

4.3.5 自我測詴

加速度計質量塊的外圍設計有間隙型的致動器(Gap-Closing Actuator)，可提供靜電 力使質量塊產生一微小的位移，如圖 58，給予 2.5V 的壓差時，X 軸與 Y 軸各可得到 約 160~180mV 的變化，等效相當於受到 0.55 ~ 0.6 G 加速度時產生的位移，受限於製程 處於開發階段，由表 6 可看出同一片晶圓的 die-to-die 變異量目前還偏高(超過 13%)，

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模擬值等效加速度約 0.58G 落於帄均值附近，整體而言，在未提供外界擾動時，Self-Test 可成功造成質量塊的移動，提供一個量產流程中簡單驗證的機制。

圖 58 自我測詴結果 (X: -160mV Y: +170mV)

表 6 Self-Test 結果

Sensitivity ( mV/G ) Self-Test ΔV (mV) Effective Acceleration (G)

item X Y X Y X Y

Simulation 300 300 174 174 0.58 0.58 sample #1 295 290 177 160 0.60 0.55 sample #2 313 319 180 160 0.58 0.50 sample #3 314 317 160 170 0.51 0.54

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4.3.6 環境震動影響

不如預期的，量測的難度相當高，載台與載具稍有偏心或是訊號線固定不佳皆會使 震動波形產生偏差，此會造成稍高 G 值( > +/- 3G )量測時的誤差，如圖 59 為+/- 4G 量 測帄台受到訊號線擾動所造成的波形異常，使得量測範圍受限制，須再加以改善訊號線 的配置與固定並盡可能輕量化整個量測板。

圖 59 固定不良時的輸出( Shaker +/- 4G @ 23Hz)

4.3.7 環境光的耦合

量測中，實驗室日光燈會對加速度計產生一個 120 Hz 的耦合如圖 60，使其在靜置 時即載入一不要的訊號如圖 61，可將燈光關閉或為加速度計加上黑色遮罩以隔絕光對 加速度計的耦合，此現象可在封裝完成後避免。

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圖 60 實驗室日光燈對加速度計耦合的頻譜 (120 Hz)

圖 61 靜止時，加速度計的輸出 載入 120 Hz 的正弦波

48 餘應力約為-3.43Mpa，偏向輕微的壓應力；而藉由 MEMS Motion Analyzer (MMA)可先 觀看結構的可動率，這次在 99 個樣品中有 52 個可正常作動總良率約為 52.5%；同時利