一种高灵敏度低噪声硅微谐振式加速度计

MEMS加速度计经过近四十年的发展,是目前产业化最为成功、应用最为广泛的MEMS器件之一。以硅微机械谐振器作为敏感元件的谐振式MEMS加速度计因具有检测精度高、线性度好、量程大、抗环境噪声能力强等优点,成为新一代高性能MEMS加速度计的重要发展方向。针对微小型无人平台的长时惯性导航、姿态测量等需求,设计了一种具有增敏结构的硅微谐振式加速度计,通过改进微杠杆转轴与惯性质量块支撑梁的几何形状并利用有限元仿真方法进行参数优化,在不增加芯片面积的前提下有效提升了器件灵敏度。器件设计量程±50 g,采用集成圆片级真空封装的SOI-MEMS工艺制造并配套设计了基于0.35 mm工艺的接口ASIC电路用于实现加速度计的闭环工作。所研制的原理样机测试表明,加速度计敏感谐振器品质因数为29300,灵敏度630.81 Hz/g,噪声≤1.7μg/■,零偏不稳定性(Allan方差)≤2.3μg。     

大量程闭环MEMS加速度计非线性分析与优化法

为研究大量程翘翘板摆式闭环MEMS加速度计系统的输出非线性,分别从质量块受力不平衡所产生的平动效应以及电路零位引起质量块闭环平衡位置偏差两个主要误差源入手,建立了两种误差引起加速度计非线性的数学模型,并采用ANSYS和Simulink软件对传感器结构及系统进行了仿真验证,确定了该模型的正确性及非线性的优化方法。最后,按照以上分析进行了样机制作和离心测试。试验结果表明,通过减小翘翘板摆式结构质量块的平动效应,可将±150g量程加速度计的非线性由5.4979′10-2减小至5.320′10~(-3),在此基础上通过减小质量块闭环平衡位置偏差,可进一步将加速度计的非线性减小至2.772′10~(-3)。     

一种采用圆片级真空封装的全硅MEMS三明治电容式加速度计

全硅MEMS加速度计具有温度特性好、封装体积小、成本低的优点,从而成为小型化GNC(制导、导航与控制)系统的关键器件。给出了一种具有三层硅结构的MEMS三明治加速度计的设计、加工以及圆片级真空封装方法,其中,中间硅摆片的3D结构通过双面KOH湿法腐蚀制造,腐蚀过程中使用台阶化的SiO_2作为硬掩模。硅盖板的加工主要通过KOH各向异性腐蚀和电感耦合等离子体垂直刻蚀完成。最后,上、下硅盖板通过基于Au-Si共晶反应的全硅键合技术从两侧与硅中间摆片进行键合,并实现圆片级真空封装。三明治加速度计的腔体内封装了压力为200 Pa的高纯氮气。测试结果表明,所述加速度计的闭环输出灵敏度为0.575 V/g,零位误差为0.43 g。加速度计的-3dB带宽为278.14Hz。加速度计1 h的输出稳定性为2.23×10-4 g(1σ)。加速度计在全温范围(-40℃~60℃)内的输出漂移为45.78 mg,最大温度滞环为3.725 mg。     

静电负刚度调谐加速度计的力平衡闭环检测控制方法

静电负刚度调谐加速度计(EFMA)在设计原理上具有兼顾电容式加速度计和谐振式加速度计相关优点的潜力。然而由于静电刚度对应的极板位移具有明显的非线性效应,使得EFMA在大量程应用中标度因数非线性较差,成为了当前制约EFMA量程提升的重要因素。基于EFMA频率输出的特点,推导了力平衡控制量并开展了力平衡控制环路的设计与研究;结合EFMA敏感器件完成实验室样机的调试与性能测试,对比了有、无力平衡闭环检测电路的量程与标度因数非线性,在保证EFMA零偏稳定性、标度因数稳定性不受影响的情况下将其标度因数从5 Hz/g提升到了24.5 Hz/g,量程从±1 g提升到了±25 g,结果验证了基于频率检测的力平衡闭环检测控制方法的可行性和优越性。     

基于电容检测接口ASIC的闭环微机械加速度计

对于采用微传感器和接口ASIC两芯片方案来实现的电容式微机械加速度计来说,寄生电容是影响其性能的重要因素之一。采用采样电荷结构,设计实现了电容检测接口ASIC电路,该电路具有对寄生电容不敏感的特点,并在0.35-μm CMOS标准工艺下流片实现。基于流片得到的电容检测ASIC样片,以梳齿式硅微传感器为敏感元件,采用滞后比例积分调节器,通过力平衡反馈方案设计实现了一种闭环微机械加速度计。实验结果表明:该闭环微加速度计的灵敏度为650 mV/g,噪声基底为23.17μg Hz。     

基于FPGA的高精度硅微谐振加速度计数据采集与参数补偿系统设计与实现

硅微谐振加速度计因具有小体积优势和高精度潜力,成为硅微惯性传感器研制的热点之一。频率信号的高精度采集和系统参数补偿是提高硅微谐振加速度计性能的重要手段之一。在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从双路差动频率信号的精确采集和系统误差参数补偿角度出发,分析了数据采集的原理,提出了一种高精度硅微谐振加速度计用数据采集与参数补偿方法。给出了设计思路和电路实现方法,讨论了误差来源与改进方法。所设计的数据采集系统针对中心频率18 k Hz.,标度因数400 Hz/g,量程±20g的加速度计,数据更新周期200 ms下频率分辨率为0.0005 Hz,等效加速度分辨率达到1.25μg。测试表明,补偿后的硅微谐振加速度计,在全温(-40~+70℃)内,K0温度系数从262μg/℃降低到29.9μg/℃,K1变化量从4.18%降低到2.04‰,全量程非线性从7.16‰降低到0.128‰,系统参数满足设计指标。     

高精度硅微谐振加速度计工程化设计与实现

硅微谐振加速度计因具有小体积优势和高精度潜力,成为硅微惯性传感器研制的热点之一。工程化设计是硅微谐振加速度计从原理样机向成熟产品转化过程中的关键步骤之一。在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从工程实用化设计角度出发,提出了一种高精度硅微谐振加速度计工程化设计方法。分别从系统设计、结构设计、控制电路设计和测试与补偿技术等方面进行了分析和对比,讨论了误差来源与改进方法。测试表明,设计的高精度硅微谐振加速度计质量块基频大于3 k Hz,谐振音叉中心频率约18 k Hz,标度因数大于100 Hz/g,量程±40 g,死区小于0.67 mg,带宽大于200 Hz,振动整流误差0.344 mg,零位一次通电稳定性优于50μg,测试结果基本满足工程化应用指标。     

一种谐振式微加速度计表芯非线性动力学分析及实验

在研制基于静电刚度谐振式微加速度计过程中,发现增大激励电压可以提高输出信噪比,但响应的振动幅度将不稳定,同时谐振频率也将会出现漂移。针对上述问题,建立了静电驱动微机械谐振系统等效行为模型,非线性动力学理论分析结果与实验现象一致,总结出需要从加速度计结构参数优化和减小激励电压两个方面来减小频率漂移和提高分辨率。将结构优化准则应用到制造的微加速度计上,实验结果表明:在5 V敏感电压下,闭环条件下单梁加速度计灵敏度为58 Hz/g,分辨率为3.5 mg。     

0.3 ng/Hz~(1/2)超高灵敏度MEMS加速度计研究进展

采用微纳加工工艺制备了硅基微机电(MEMS)超高灵敏度加速度计,并针对超高灵敏度MEMS加速度计进行了结构设计及仿真。通过独特自主的体硅一体化刻穿工艺加工出MEMS加速度计敏感结构,测得MEMS加速度计噪声谱密度在1 Hz处为0.3 ng/Hz~(1/2),46 h偏值稳定性为740 ng,量程1 mg,带宽10 Hz,抗随机振动可达8 g(RMS),抗冲击过载1000 g。相比于传统的高精度加速度计,本文提出的基于微纳加工工艺的硅基超高灵敏度MEMS加速度计体积小、重量轻、环境适应性强,具有可批量化生产和成本低的优势,有望用于对灵敏度有较高要求的微震测量、微重力环境应用、空间探测等领域。     

基于等效变预载法的静电加速度计闭环零点调节

闭环零点位置对差动电容式静电加速度计性能具有重要影响,闭环零点偏离机械零点会增大标度因子非线性。为精确调节闭环零点,提出了一种等效变预载闭环零点调节方法,能够在预载和反馈电压不对称情况下实现闭环零点位置的精确辨识和调节。利用静电加速度计原理样机测试了闭环零点调节前后的系统非线性特性,实验结果表明采用上述方法进行闭环零点调节后,表征标度因子非线性的二次项系数由-1.7×10-7降低为-3.3×10-8,验证了上述方法的有效性。     

硅微谐振加速度计高精度相位闭环控制系统设计与实现

硅微谐振加速度计因具有小体积优势和高精度潜力,成为硅微惯性传感器研制的热点之一。高精度相位闭环控制系统是决定硅微谐振加速度计精度水平的重要因素。在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从闭环控制系统设计的角度,分析了相位闭环控制回路的原理,提出了一种可以消除匀加速误差的高精度三阶无静差相位闭环控制方案。给出了设计思路,研究了环路性能测试方法,讨论了闭环系统相位误差的来源与抑制方法。所设计的闭环回路在0.1 Hz处静态增益为170 dB,启动时间小于20 ms,实测带宽为432 Hz,全温范围内相位闭环回路相差变化0.84°,系统参数满足设计指标。     

硅微谐振加速度计的温度特性

硅微谐振加速度计以其小体积、低成本和高精度的频率信号输出,成为硅微惯性传感器研制的热点之一.温度特性是影响硅微谐振加速度计精度水平的重要因素.在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从结构设计方法、工艺流程加工和闭环控制回路方面分析了温度对零位和标度因数的影响因素,同时给出了相应解决措施.研制的硅微谐振加速度计基频约为17 kHz,标度因数约220 Hz/g,在-40~+70℃范围内,谐振频率的温度系数为-71.5×10-6/℃,标度因数的温度系数为-610×10-6/℃,样机在常温下谐振频率的相对稳定性为0.313×10-6,1.5 h 零偏稳定性达到42.5μg.     

微机械静电伺服加速度计

本文详细介绍了微机械静电伺服加速度计的系统工作原理、结构和线路设计特点 ,并对其封装样品作了简要的叙述。给出了用于± 4g,线性度小于 2 % ,分辨率低于 5× 1 0 - 3g的微加速度计实验结果。     

硅微振梁式加速度计抗温漂的微结构及工艺设计

针对硅微振梁式加速度计输出频率随环境温度漂移的问题,提出了抗温漂的硅微结构设计方法及相关工艺,降低了环境温度对输出的影响,在室温条件即可达到一定精度。通过建立"硅-玻璃"和"玻璃-陶瓷"耦合模型,分析了造成硅微振梁式加速度计温度漂移的原因。然后提出了"抗温漂耦合设计"的微结构和"半粘结封装"的封装工艺,降低了耦合模型中的理论温漂。利用加工出的原理样机进行实验,结果显示,采用抗温漂结构设计及封装工艺的原理样机,输出频率的温漂系数为-3.5×10-6/℃,室温下零偏稳定性为72.0μg。实验验证了抗温漂理论的可行性,可以满足室温下高精度硅微振梁式加速度计的设计要求。     

一种基于双压电晶片的低噪声加速度计

针对航空矢量声纳浮标对低噪声、低成本、小体积惯性传感器的需求,研究了一种基于双压电晶片的双轴压差分式压电加速度计。首先从理论上分析了矢量水听器中加速度计的工作模式,基于压电加速度计自噪声模型,提出了利用双压电晶片与独立质量块结构实现低噪声加速度计的方法;通过有限元方法对加速度计的灵敏度和谐振频率开展优化设计,确定了加速度计各部件的结构参数;根据优化结果研制了一只加速度计样机及前置放大电路。样机测试结果表明,该压电加速度计整体尺寸为56 mm×56 mm×35 mm,一阶谐振频率约为7.4 kHz,两个轴向的灵敏度分别为1556 pC/g及1363 pC/g(100 Hz),横向灵敏度小于轴向灵敏度的2%。压电加速度计的自噪声为38 ng/Hz~(1/2)(1 kHz,等效噪声声压级为39 dB/Hz~(1/2)),低于零级海况下的海洋环境噪声。     

光纤捷联航姿基准系统的设计与实现

针对光纤陀螺仪及捷联系统的特点,研究并实现了一种基于光纤陀螺仪的捷联航姿基准系统。以PC/104作为导航计算机,采用I/F转换回路及计数线路构成加速度计的数字信号采集系统,采用智能多串口线路完成各模块之间的通讯任务,构成捷联式航姿基准系统原理样机。在此基础上,设计了系统的机械编排方案、传感器的误差补偿方案和闭环卡尔曼滤波器。样机的测试结果表明:样机满足系统设计要求,在温控环境中,其精度优于基于挠性陀螺仪的捷联航姿系统。     

一种基于外腔式法布里-珀罗干涉仪的光纤加速度计

研制了一种基于外腔式法布里-珀罗(F-P)干涉仪的光纤加速度计,理论分析了影响标度因数的结构参数,并利用有限元分析软件ANSYS对该结构进行仿真分析。F-P干涉仪由光纤端面和固定在弹性膜片上的反射镜组成,膜片上加工两圈花瓣状分布的弧形阵列。这种F-P干涉仪结构标度因数高、横向串扰小。经实验测定,该光纤加速度计标度因数为155.48 rad/g,与仿真分析结果基本吻合,交叉灵敏度仅为4.87×10~(-2) rad/g,分辨率为100mg,零位稳定性为125mg,提出了进一步提高性能的方法。     

硅微谐振式加速度计数据采集系统设计

硅微谐振式加速度计能将被测加速度直接转换为稳定性和可靠性都很高的频率信号,因此可以获得优良的性能.高分辨率频率信号的获取需较长的测量时间,而在导航和姿态控制等应用中,测量时间一般又限定在较短的10 ms内.针对10 ms内对中心谐振频率为20 kHz、标度因数为100 Hz/g、量程为±50g.分辨率为±1mg的硅微谐振式加速度计输出的差分频率信号进行测量的要求,讨论荻取加速度测量值的数据采集系统的设计方法.介绍采用基于高速锁相环倍频和CPLD计数的频率测量方案和数据采集系统主要包括的整形电路、倍频电路、计数电路、微控制器和串行通信电路的设计方法.测试表明,设计的系统经达到了设计目标.     

谐振式加速度计非线性振动的建模与优化

实验发现硅微谐振式加速度计非线性效应的弱化可以降低测量噪声,对非线性振动进行了推导与建模,利用扫频数据得到模型中的未知参数,并根据模型计算出使非线性效应消失所需的激励电压,给闭环工作点的设计提供了理论指导。实验结果表明:模型与实际系统在各激励电压幅值下均保持一致,非线性效应消失点和实验吻合。根据闭环工作点的设置进行了方案优化,最终在0.25 mV激励电压下的闭环实验中,实现了5.5×10~(-5) Hz的频率输出噪声,对应加速度噪声为1.7μg,与之前30μg的噪声水平相比改善了数十倍。     

基于闭环点位置控制的硅微梳齿式加速度计温漂抑制方法

环境温度的变化会造成硅微加速度计检测电路输出漂移,从而使加速度计敏感质量的闭环点位置产生漂移。通过分析闭环点位置对加速度计标度因素K1和零偏K0的影响,证明了闭环点位置漂移是造成零偏K0温漂的主要因素和标度因素K1温漂的次要因素。提出了加速度计闭环点位置控制方法,通过在环内加入控制电压可使闭环点始终工作于稳定位置。试验结果证明,该方法可显著降低零偏K0的温漂,闭环点始终位于零反馈位置时零偏K0的温漂系数可降低一个数量级,且温漂滞环可被压缩至±1 mV(±7.77 mg)以内。