基于圆片封装的硅微谐振式加速度计温度特性与补偿算法研究

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硅微谐振式加速度计是一种通过检测谐振梁频率的变化来敏感运动载体加速度信息的惯性器件,其敏感结构采用MEMS体硅工艺制备。它具有体积小、功耗低、易数字化、动态范围大等优点,被视为传统惯导级摆式积分陀螺加速度计的替代者,将支撑下一代导航系统的研究与发展。温度误差是制约硅微谐振式加速度计测量精度的重要因素。本文围绕加速度计温度特性分析及实验、圆片级封装真空腔内温度测量方法、加速度计温度补偿算法等展开研究,以提高加速度计的稳定性。首先,介绍了硅微谐振式加速度计的工作原理、封装技术及测控电路。从材料特性、残余应力和加工误差这三个方面分析了温度误差机理,给出谐振器固有频率温度灵敏度和加速度计标度因数温度灵敏度的理论值为-36~-12Hz/℃ 和498~1570ppm/℃。并在建立加速度计温度传递模型的基础上,分析了真空腔内的温度测量误差。其次,设计并进行了加速度计全温范围内的定点恒温实验和斜坡升降温实验,分析温度特性曲线可知,谐振器固有频率和加速度计标度因数温度灵敏度与理论推导一致,分别为-31.23--15.48 Hz/℃和703.726~1286.632 ppm/℃,在斜坡升降温实验中,谐振器固有频率相对于外置铂电阻所测温度会产生温度滞回,最大滞回误差达283.75Hz。第三,针对圆片封装真空腔内外温度差异,提出了基于外置铂电阻、差动谐振器以及谐振器品质因数的三种腔内温度测量方法。对比三种方法可知,差动谐振器相互测温方法的动态测温精度最高。第四,研究基于铂电阻及差动谐振器的加速度计温度补偿算法,并通过FPGA进行了实时验证。对比补偿结果可知,差动谐振器温度自补偿的动态补偿效果较好,静态补偿效果略差于铂电阻测温方法,补偿后零偏温度灵敏度降至补偿前的0.74%,标度因数温度灵敏度降至1.51%。最后,对温度补偿后的硅微谐振式加速度计进行了整表性能测试,测试结果表明,补偿后加速度计1σ零偏稳定性为11.54μg,零偏温度灵敏度为0.05 mg/℃,标度因数温度灵敏度为933 ppm/℃,性能较补偿前明显提高。
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