基于温敏结构的硅微谐振式加速度计温度补偿技术研究

摘要

硅微谐振式加速度计是一种具有潜在高性能的MEMS加速度计，在军用领域和民用领域都有广阔的应用前景，但是温度变化会严重影响硅微谐振式加速度计的性能，解决硅微谐振式加速度计温度适应性问题有助于该技术的实用化。
　　本文在硅微谐振式加速度计现有结构基础上设计基于温敏结构的温度补偿方法，主要内容有:
　　(1)从机械结构、闭环驱动电路和测频电路三个方面说明硅微谐振式加速度计的基本组成和工作原理。
　　(2)利用公式推导分析温度变化对力谐振器谐振频率、杠杆放大倍数、支撑梁弹性刚度、噪声和品质因数的影响机理。在温度对力谐振器谐振频率影响机理基础上得出温度与加速度计零偏的关系，在温度对杠杆放大倍数和支撑梁弹性刚度影响机理基础上得出温度与加速度计标度因数的关系。
　　(3)设计一种基于温度谐振器的芯片级温敏结构，确定温度谐振器的形式、基频、尺寸以及布局。利用Ansys软件对温度谐振器进行相关仿真分析，包括模态分析、静力分析、冲击响应分析和谐响应分析，验证温敏结构设计的可行性。
　　(4)对带温敏结构的加速度计样机进行不同环境的温度实验，包括全温实验、常温实验、恒温实验和变温实验。采用最小二乘法模型和神经网络模型对全温实验测试数据建立拟合模型，以拟合模型为基础对全温实验、常温实验和恒温实验的测试数据进行补偿，以零偏稳定性、标度因数稳定性和全温变化量为标准衡量补偿结果，结果表明最小二乘法模型和神经网络模型都能有效增强硅微谐振式加速度计的温度适应性，但最小二乘法模型比神经网络模型更为有效。对不同温变率下加速度计零偏输出值与温度谐振器测温值和铂电阻测温值进行相关性分析，温度谐振器测温值与加速度计零偏的相关性系数大于铂电阻测温值与加速度计测试数据相关性系数，表明温度谐振器比电路中的铂电阻更能精确反映加速度计封装管壳内的温度。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 硅微谐振式加速度计国内外研究现状

1．2．2 温度适应性问题国内外研究现状

1．3 论文组织结构

第二章 硅微谐振式加速度计的工作原理

2．1 硅微谐振式加速度计的基本组成

2．1．1 加速度计的力学模型

2．1．2 机械结构的基本组成

2．1．3 力谐振器的简化模型

2．2 闭环驱动电路的工作原理

2．2．1 闭环驱动电路的基本组成

2．2．2 静电驱动原理

2．2．3 检测模块的工作原理

2．2．4 驱动模块的工作原理

2．3 测频电路的工作原理

2．3．1 测频电路的基本组成

2．3．2 测频模块工作原理

2．4 本章小结

第三章 温度对硅微谐振式加速度计的影响机理研究

3．1 温度对零偏的影响

3．2 温度对标度因数的影响

3．3 温度对噪声的影响

3．4 温度对品质因数的影响

3．5 本章小结

第四章 硅微谐振式加速度计温敏结构设计

4．1 解决温度适应性问题方法讨论

4．2 温敏结构方案选择

4．3 温度谐振器基频选择

4．4 温敏结构尺寸确定

4．4．1 振梁尺寸

4．4．2 振梁间距

4．5 温度谐振器模态仿真

4．6 温度谐振器热仿真分析

4．7 加速度对温敏结构谐振频率的影响

4．8 温度谐振器静力仿真分析

4．9 温度谐振器瞬态冲击响应分析

4．9．1 温度谐振器x方向冲击响应分析

4．9．2 温度谐振器y方向冲击响应分析

4．9．3 温度谐振器z方向冲击响应分析

4．10 温度谐振器谐响应分析

4．11 温度谐振器布局方案

4．12 温度谐振器加工工艺简介

4．13 温度谐振器阻尼分析

4．14 本章小结

第五章 硅微谐振式加速度计温度实验及补偿模型研究

5．1 实验内容和实验设备

5．1．1 实验内容

5．1．2 实验设备

5．2 全温实验

5．3 常温实验

5．3．1 零偏稳定性

5．3．2 标度因数稳定性

5．4 恒温实验

5．4．1 零偏稳定性

5．4．2 标度因数稳定性

5．5 变温实验

5．6 最小二乘法模型

5．6．1 基本原理

5．6．2 数据处理

5．7 神经网络模型

5．7．1 基本原理

5．7．2 数据处理

5．8 最小二乘法模型和神经网络模型补偿结果对比

5．9 温度谐振器和铂电阻对比

5．10 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文工作总结

6．2 未来工作展望

致谢

参考文献

作者简介