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。     

硅微谐振式加速度计结构设计与仿真

硅微谐振式加速度计以易于检测的准数字信号作为输出,是微传感器的一个研究热点.提出一种基于一级微杠杆放大机构和DETF谐振器的硅微谐振式加速度计的结构设计,在分析工作机理以及误差来源的基础上阐述硅微谐振式加速度计的设计要点;结合现有加工工艺水平完成整体结构设计;运用MATLAB分析结构参数对性能的影响并对参数进行优化设计;运用ANSYS对加速度计整体结构进行仿真验证.所设计加速度计的谐振频率约29 kHz,标度因数为95 Hz/g,量程为±50g,其差分输出频率的线性度为0.099%.经研究表明,在加速度计的结构设计中,量程范围要与谐振嚣原理性误差协调考虑;谐振器振幅不宜过大;在现有加工工艺条件下,谐振器振梁的宽度产生的加工误差最大,对谐振器的性能影响最大.     

蝶翼式MEMS加速度计温度稳定性提升方法

环境温度变化造成的热应力是影响MEMS加速度计性能的关键因素。为了提升MEMS加速度计温度稳定性,以蝶翼式MEMS加速度计为研究对象,分别在敏感芯片上设计应力释放结构和敏感芯片与陶瓷基底之间设计应力隔离结构。利用有限元分析工具COMSOL对有无应力释放和隔离结构的情况进行了对比仿真,结果表明敏感单元上的敏感梁应用应力释放结构只有原结构最大应力水平的0.3%,封装时采用应力隔离结构间接连接比原直接连接方式最大应力下降一个数量级。采用微机械加工技术和微电子工艺技术结合的MEMS加工工艺实现含应力隔离结构的加速度计原理样机制作。对样机进行温度测试,试验结果表明有应力释放与隔离结构在-40°C～60°C区间的漂移量比无应力释放与隔离结构提升约3.5倍,验证了应力释放与隔离结构对温度稳定性提升的有效性,研究结果可以为加速度计在高性能、恶劣环境下的应用提供参考。     

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。     

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.     

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。     

一种电容式微加速度计标度因数温漂抑制方法

电容式硅微机械加速度计作为一种惯性传感器件广泛运用于导航系统,但其温度特性较差,制约其综合性能的提高。为进一步提高闭环电容式微机械加速度计的标度因数稳定性,针对标度因数的温度漂移问题,提出了一种标度因数温漂抑制方法。通过调节预载电压来抑制标度因数温度漂移,根据测温电路输出对预载电压进行调节。实验结果表明,在-30℃~60℃的温度范围内,加速度计的标度因数温度系数由补偿前的213.7′10~(-6)/℃降低至42.7′10~(-6)/℃。所提出的抑制方法使标度因数温度性能得以显著提高。     

石英振梁加速度计静态输入输出特性

通过平衡方程建立了一种石英振梁加速度计敏感元件的静力学模型,分别利用梁弯曲振动微分方程和有限元分析方法获得了敏感元件的输入加速度与输出频率之间的精确关系,从而从理论上获得了敏感元件的静态输入输出特性。通过离心试验对所设计的加速度计进行了标定,并与理论计算结果进行比对,最终认为理论计算能够准确的反映出石英振梁加速度计的静态输入输出特性。同时,该计算方法可以为其他包含振梁的传感器的设计提供依据。最后,提出了实测结果与理论计算存在偏差的原因:标度因数的偏差来源于振梁厚度的加工误差,非线性度的偏差来源于装配角度偏差以及外界温度变化引起的频率漂移等因素。     

硅微谐振加速度计交流检测信号解耦技术

硅微谐振加速度计以高精度的频率信号输出及潜在的敏感结构与处理电路实现一次集成的优势,成为硅微传感器研制的热点之一。针对交流检测信号耦合效应对硅微谐振加速度计性能的重要影响,在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从结构和电路两方面研究了交流检测信号耦合效应的来源,分析了耦合效应对检测电路和闭环控制精度的影响。采用双质量块结构方案和电路优化设计所研制的硅微谐振加速度计,基频为15 kHz,标度因数为36 Hz/g,量程为±30 g。试验证明耦合效应对仪表性能的影响降低到0.3 mg以内。     

硅微静电加速度计的支承刚度特性

静电加速度计通过降低带宽和量程在空间微重力环境下可以实现极高的分辨率。设计了一种采用玻璃-硅-玻璃"三明治"结构、平行六面体状检验质量、体硅加工工艺的三轴硅微静电加速度计,推导并讨论了静电支承回路的典型刚度特性与控制参数之间的关系式。采用基于DSP的数字控制器,实现了敏感质量的六自由度稳定支承,在大气环境下测试了静电支承回路的主要性能。分析与测试结果表明,在支承系统频带内,支承刚度特性与控制器参数及气膜阻尼系数密切相关;同时,改变预载电压可以在较大范围内在线调整加速度计的量程和支承刚度等指标。