[实用新型]基于片式集成高精度测温结构的硅振梁加速度计

说明书

技术领域

本实用新型属于微机电系统MEMS中的微惯性传感器技术领域，特别是一种基于片式集成高精度测温结构的硅振梁加速度计。

背景技术

硅微加速度计是典型的MEMS惯性传感器，其研究始于20世纪70年代初，现有电容式、压电式、压阻式、热对流、隧道电流式和谐振式等多种形式。硅微谐振梁加速度计的独特特点是其输出信号是频率信号，它的准数字量输出可直接用于复杂的数字电路，具有很高的抗干扰能力和稳定性，而且免去了其它类型加速度计在信号传递方面的诸多不便，直接与数字处理器相连。目前美国Draper实验室对谐振式加速度计的研究处于国际领先地位，研究开发的微机械加速度计主要应用于战略导弹，零偏稳定性和标度因数稳定性分别达到5μg和3ppm。因此硅微谐振式加速度计具有良好的发展前景。硅振梁加速度计结构一般由谐振梁和敏感质量块组成，敏感质量块将加速度转换为惯性力，惯性力作用于谐振梁的轴向，使谐振梁的频率发生变化，通过测试谐振频率推算出被测加速度。

中国专利1（裘安萍，施芹，苏岩.硅微谐振式加速度计，南京理工大学，申请号：2008100255749）公开了一种硅振梁加速度计结构，该结构机械结构由质量块、谐振器和杠杆放大机构等组成，两个谐振器位于质量块中间，相邻对称布置，质量块由位于其四角的折叠梁支撑，提高了结构的稳定性和抗冲击能力。但是由于加工误差使得两个谐振器的谐振频率并不完全相等，作用在两个谐振器上的热应力也不相同，则无法通过差分检测的方式消除热应力的影响；而且该结构的两个谐振器直接与固定基座相连，加工残余应力和热应力对谐振频率的影响很大；在全温范围内的温度实验发现，加速度计频率的温度系数高达160Hz/℃，标度因数的温度系数为0.67%/℃；此外在测试过程中发现该加速度计存在较大的电耦合，当两个谐振器的谐振频率相近时，会产生邻频干扰，从而无法识别所作用的加速度信号。

中国专利2（裘安萍，施芹，苏岩.硅微谐振式加速度计，南京理工大学，专利号：201010293127.9）公开了一种硅振梁加速度计的新结构，该结构由上下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的加速度计机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线，机械结构由质量块、外框架、谐振器、导向机构和杠杆放大机构等组成，质量块位于结构中间，通过四根轴对称多折梁与外框架相连，提高了加速度计结构的稳定性和抗冲击能力，并在一定程度上提高了加速度计的灵敏度。两个完全相同的谐振器在质量块上下对称布置，大大减小电耦合，且两根谐振梁的中间相连，降低了高阶模态的干扰。谐振器、杠杆、导向机构和质量块都通过外框架与固定基座相连，减小了加工残余应力和工作环境温度变化产生的热应力对结构振动频率的影响。在全温范围内的温度实验发现，该加速度计频率的温度系数从原来结构的160Hz/℃降至24～25Hz/℃，降低了84.4%；由于加工误差以及残余应力分布不均匀，两个谐振器的温度系数差为3～5Hz/℃，性能试验表明该加速度计的零偏稳定性优于50μg，标度因数稳定性优于100ppm。由此可见，减小温度误差是提高谐振式加速度计精度的关键。减小温度误差的方法有结构合理设计、优化工艺和温度补偿，其中温度补偿精度受到测温精度的影响。目前，测温方法通常采用加速度计内部的铂电阻或外部的温度测量，这两种方法受温度梯度和温度延时的影响，且测温精度不高，从而温度补偿精度不高，无法满足高精度谐振式加速度计的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种实时性好、温度系数低的基于片式集成高精度测温结构的硅振梁加速度计，该硅振梁加速度计灵敏度高、稳定性好、抗冲击能力强且易于实现高精度测量。