用于运动姿势捕捉的可穿戴MEMS微型化加速度计研制

张 晟，龚涛波，王鲁康，刘 元，赵玉龙，王 鹏

(1.西安交通大学体育中心，陕西 西安 710049; 2.西安交通大学机械工程学院，陕西 西安 710049;3.陕西理工大学机械工程学院，陕西 汉中 723000)

0 引 言

在体育教学和运动训练中，对人体运动姿势的准确捕捉和分析，有利于准确地判断运动姿势，并对运动动作有针对性地进行校正，进一步提高运动员的成绩、减轻身体损害。目前人体运动姿势捕捉技术主要基于视觉图像[1]、肌电信号[2]和可穿戴惯性传感器[3-7]3种方式。其中基于可穿戴惯性传感器的人体姿势捕捉技术具有直接、可靠、适用性强的优点。在国外已有如图1所示的可穿戴惯性传感器的产品，但其存在体积较大、穿戴麻烦的缺点。国内的研究中，黄元植[4]将加速度传感器固定于人体运动部位，实现了对人体5种常见运动姿势的测量，但其使用的加速度传感器的灵敏度不够高，对于细微的动作无法识别。刘兰财[5]等人给运动员穿戴加速度计来测量运动员的运动姿势，进而识别比赛中运动损伤的高风险事件，但其采用的加速度计频率采样范围有待提高，对于更加快速变化的动作的捕捉受限。在人体姿势捕捉过程中还要求加速度计具有体积小、功耗低、易穿戴的特点。因此，研究具有高灵敏度和高频响的MEMS加速度计对于人体姿势捕捉具有重要意义。

图1 国外用于人体姿势捕捉的产品

MEMS加速度计具有微型化、成本低、功耗低的特点，适用于人体姿势捕捉领域[6-7]。但是MEMS加速度计的灵敏度与固有频率之间存在相互制约的问题。加速度计的固有频率主要取决于敏感结构的等效刚度和等效质量，刚度越大则加速度计具有越高的固有频率。然而加速度计的灵敏度却与刚度成反比。因此加速度计的固有频率越大，则其灵敏度会越小。汪延成[8]等人提出了一种具有孔缝-微悬臂梁结构的加速度传感器，该传感器在传统悬臂梁-质量块结构中引入了3个应力集中孔缝，压敏电阻区域布置在应力集中孔缝的两侧。该结构提升了传感器的灵敏度，其单位电压下灵敏度达到5.189 mV/(g·V)，但是其测量频率最大约为400 Hz。Sankar[9]等人采用将梁结构置于检测质量块的四角位置以增大结构的刚度，该加速度传感器测量频率高达2.89 kHz，但是单位电压下测量灵敏度仅为122 μV/(g·V)。本文在之前的研究[10]基础上研制了一种孔缝复合八梁结构的高频响高灵敏度压阻式MEMS加速度计。在传统的八梁结构基础上，将其中四根梁的长度和宽度减小，形成了具有小梁和大梁的复合八梁结构。并且在敏感梁上引入应力集中孔，使加速度计在提升灵敏度的同时具有足够的固有频率。本文对该加速度计进行了结构设计、仿真分析，完成了加速度计的制造和封装，并对其进行了性能测试。研制的MEMS压阻式加速度计的性能指标为：加速度量程为0～30 g；固有频率大于10 kHz；单位电压下测量灵敏度高于0.2 mV/(g·V)；总准确度优于0.5%FS。

1 加速度计测量原理与结构

1.1 人体运动姿势捕捉原理

人体在进行体育运动过程中，身体各部位会随着运动产生相应的物理信号，其中包括加速度信号。如图2所示，将加速度计穿戴在人体的不同部位，例如手腕、胸、手臂、脚踝等，实时获取人体在运动过程中不同部位产生的加速度信号，通过采集卡将信号采集到上位机，然后在上位机上分析和处理，就能实现对人体的运动姿势的捕捉。

图2 人体运动姿势捕捉原理图

1.2 加速度计测量原理

本文研制的加速度计测量原理是基于硅的压阻效应，结构主要有敏感元件、转换元件、测量电路组成，其中敏感元件包括敏感梁、支撑梁和质量块，转换元件为布置于敏感梁大应力区域的敏感电阻。加速度计的工作原理如图3所示，将加速度计穿戴在人体的运动部位，人体在运动过程中运动部位会产生加速度；当有加速度信号输入时，加速度计的质量块会出现相应的惯性力，在该力作用下敏感梁会产生应变，从而导致敏感梁上的敏感电阻阻值发生变化；敏感电阻阻值产生的变化，通过惠斯通电桥转换成与加速度值成比例的电压值，从而完成对加速度信号的测量[11-12]。

图3 加速度计的工作原理图

1.3 加速度计的结构设计

选择单晶硅作为加速度计的敏感材料。单晶硅为具有压阻效应的半导体，可以通过掺杂的方式形成压阻效应更为显著的敏感转换元件，能够提高加速度计的灵敏度。而且单晶硅具有强烈的各向异性，可以进行三维结构的加工，其机电热性能优越，加工工艺成熟。

在八梁结构的基础上[13]，将八梁结构中的4根梁作为敏感梁，其余4根梁作为支撑梁。将敏感梁的长度和宽度减小，厚度不变，并在梁上引入应力集中孔，得到如图4所示的加速度计芯片结构图。质量块通过宽大的支撑梁和短小的敏感梁共同支撑：支撑梁沿着质量块一组对边布置，且位于质量块的四角位置；敏感梁沿着质量块的另一组对边对称排布，且每根敏感梁均布置有敏感电阻，敏感电阻环绕应力集中孔进行布置。4个敏感电阻由金属引线连接形成一个惠斯通全桥电路。该结构在一定程度上缓解了固有频率与测量灵敏度之间的制约关系。加速度计芯片的质量块的尺寸为3 000 μm×2 500 μm×380 μm，支撑梁的尺寸为 400 μm×120 μm×22 μm，敏感梁的尺寸为 250 μm×110 μm×22 μm，应力集中孔的尺寸为 87 μm×55 μm×22 μm[10]。

图4 加速度计芯片结构示意图

1.4 仿真分析

基于设计加速度计的芯片参数，采用Ansys workbench软件进行了仿真分析。采用模态分析来对设计的加速度计结构的固有频率进行分析。表1给出了加速度计芯片模态分析得到的前四阶固有频率。加速度计芯片结构的一阶振型如图5所示，通过仿真分析得到加速度计芯片结构的一阶固有频率为13.59 kHz，满足设计要求。

表1 加速度计芯片模态分析前四阶固有频率

图5 加速度芯片结构模态分析一阶振型

2 加速度计的制作和封装

2.1 加速度计的制作

加速度计的制作流程如图6所示，加工所用的硅片为 n型，（100）晶面，直径 100 mm（4英寸）的双面抛光单晶硅片，厚度为380 μm；键合玻璃为Pyrex 7740玻璃。加速度计芯片主要工艺流程如下：

图6 加速度计芯片工艺流程图

1）硅片热氧化。通过热氧化提高后续压阻离子注入的均匀性，同时得到厚度为500 Å二氧化硅层可以保护硅片表面。

2）制作敏感电阻p-。光刻硅片正面，对敏感电阻区域开窗，进行硼离子注入，形成敏感电阻，然后进行高温退火。最终敏感电阻表面浓度约为5×1018/cm3，方块电阻约为215 Ω/sq。每根电阻条宽度均为10 μm。

3）制作欧姆接触区p+。欧姆接触区是用来减小敏感电阻与金属导线之间的连接电阻，防止器件失效。首先光刻出欧姆接触区，然后进行硼离子注入。之后再次将硅片置于氧化炉中，进行双面高温氧化形成氧化保护层。

4）背腔干法刻蚀。采用深层反应离子刻蚀方法对背腔进行刻蚀。

5）腐蚀玻璃。在Pyrex 7740玻璃上腐蚀凹槽的方式来为加速度计提供阻尼间隙，玻璃的腐蚀深度为 22 μm。

6）阳极键合。在350 ℃下，将硅片和Pyrex 7740玻璃片进行键合。

7）制作引线过孔、溅射金属引线和制作焊盘。光刻除去引线孔区域SiO2，刻蚀引线孔。清洗、烘干硅片之后进行金属溅射。采用Ti作为金属引线的接触金属；选取Pt作为金属引线的阻挡层金属；选取Au作为金属引线的顶层金属。

8）划片。沿预先加工的划片槽对硅晶圆进行划片，形成单个硅芯片。

如图7所示，图7（a）为加工完成的芯片实物照片，图7（b）为划片之后的芯片照片。

图7 加工完成的加速度计芯片

2.2 加速度计的封装

加速度计的封装方案如图8所示，外壳的材料为尼龙材料，该材料具有质量轻、强度高、韧性好的特点，而且尺寸稳定性好、机械性能好、有弹性并且阻燃绝缘，具有很好的抗冲击性和化学稳定性。PCB板能为加速度计提供可靠的电气链接。加速度计芯片、PCB板与外壳相互粘接成为一体结构，这样既可以有效保护弹性敏感元件，使整体结构能够承受冲击，又能真实反映外界振动。封装的主要步骤如下：1）清洗加速度计芯片；2）将加速度计芯片用MBond610胶粘贴于PCB板上；3）引线键合；引线焊丝采用金丝，通过超声波焊接技术将金丝分别与加速度计芯片和PCB板上的焊盘连接；4）采用MBond610胶将PCB板粘贴在外壳底部，外接的导线与PCB板上的焊盘焊接，通过外壳引出。

图8 加速度计芯片封装示意图

3 加速度计测试方法

3.1 加速度计静态性能测试方法

采用离心机测试法对加速度计的静态性能进行测试。本文采用的离心机系统是由苏州东菱振动试验仪器有限公司研发的SY30-3离心式恒加速度试验机，试验机分为控制器和工作转台两部分。SY30-3离心式恒加速度试验机的主要结构包括测速系统、电动机、减速机、工作转盘和导电滑环，可用加速度范围为0～200 g，最小加速度间隔为3 g。如图9所示为加速度计静态性能测试系统。实验时，由控制器产生控制信号，驱动转台旋转，从而产生加速度信号。系统中加速度计由直流电源（ITECH IT6322，台湾）供电，激励电压为8 V；加速度计的输出由台式万用表（FLUKE 8845A，美国）检测。实验的加速度测试范围为0～30 g。实验时，加速度输入由0 g开始，加速度过渡时间20 s，稳定时间15 s，直到加速度为30 g，之后逐步减小转速。为了充分消除实验中存在的各种随机误差，进行了3次逐步提高转速和逐步减小转速过程，每次采用的参数条件均一致。对测试得到的数据进行分析和计算，可以得出加速度计的测量灵敏度、线性度、重复性、迟滞等参数。

图9 加速度计静态性能测试系统

3.2 加速度计动态性能测试方法

加速度计的动态特性是指受到动态加速度下的响应特性。在人体运动姿势捕捉过程中，由于人体是在不断运动的，产生的加速度信号是动态信号，这时就需要设计的加速度计不仅能精确地测量信号幅值的大小，而且要对大范围的频率变化具有良好的响应。

采用简谐激励法测量加速度计的固有频率，通过施加扫频简谐信号激振加速度计，引起共振，从而得到加速度计的固有频率。实验采用北京波普科技公司生产的WS-5926C传感器标定系统，该系统主要包括激振器、功率放大器、标定控制器、信号调理电路及计算机，其测试原理是通过计算机系统向标定仪发出一个扫频正弦信号，控制仪产生响应的扫频信号，并通过功率放大器放大后驱动激振器工作，从而产生动态的振动信号。实验时，标准加速度计与被测加速度计固定于激振器顶端，同时受到扫频正弦加速度信号作用。本文将被测加速度计的输出与标准加速度计的输出之比作为考量加速度计固有频率的参数，当外界加速度信号的频率与加速度计的固有频率相等时，加速度计本身会发生共振，此时其输出会变大，从而导致输出比值的剧增。图10为简谐激励法测试系统。

图10 简谐激励法测试系统图

实验时，需要将标准加速度计和被测加速度计上下固定于激振器顶端。因此设计了固定被测加速度计的夹具，标准加速度计通过螺纹连接至激振器，被测加速度计通过螺栓固定于上下夹板中间[14]。激励信号固定幅值为2.5 V，频率变化范围为0～16 kHz。

4 测试结果与讨论

加速度计在8 V电源输入下的输出电压与输入加速度信号关系如图11所示。计算得到，加速度计单位电压下灵敏度达到了0.21 mV/(g·V)。图12为加速度计的扫频实验结果图，从图中可以看出，加速度计的扫频曲线的峰值出现在14.22 kHz，即加速度计的固有频率为14.22 kHz，表明加速度计在0～14.22 kHz内的输入频率下都能有较好的响应特性且不被破坏。加速度计各项性能指标如表2所示，证明了孔缝复合八梁结构能够有效缓解固有频率与测量灵敏度之间的制约关系。

表2 加速度计性能指标

图11 8V电压输入下加速度计的输入输出曲线

图12 加速度计的扫频实验结果图

目前，MEMS压阻式加速度传感器的研究十分广泛，国内外众多科研机构都开展了相关研究工作，相继出现了多种加速度传感器样机。结合目前国内外的研究成果和部分成熟产品，与本文研制的加速度计的综合性能进行了比较。如表3所示，本文研制的加速度计在综合性能上具有明显优势，既具有较高的灵敏度又具有足够高的固有频率。

表3 加速度计性能指标比较

5 结束语

将加速度计用于体育教学和运动训练中对人体姿势进行捕捉，有助于提升体育锻炼成绩，提高体育教学质量。为了实现对多种快速变化的运动姿势的捕捉，要求加速度计具备高灵敏度和高频响的特性。本文研制了一种基于MEMS技术的孔缝复合八梁结构微型化加速度计，在传统八梁结构上引入应力集中孔，有效地缓解了固有频率与测量灵敏度之间的制约关系。完成了加速度计芯片的设计、加工和封装，并对其静态性能和动态性能进行了测试。测试结果表明，该加速度计单位电压下灵敏度达到了 0.21 mV/(g·V)，固有频率高达 14.22 kHz，实现了高灵敏度和高频响的特性。该加速度计体积小、功耗低，适合穿戴于人体上进行姿势捕捉。