本文關(guān)鍵詞：基于圓片封裝的硅微諧振式加速度計(jì)溫度特性與補(bǔ)償算法研究

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【摘要】：硅微諧振式加速度計(jì)是一種通過檢測(cè)諧振梁頻率的變化來敏感運(yùn)動(dòng)載體加速度信息的慣性器件,其敏感結(jié)構(gòu)采用MEMS體硅工藝制備。它具有體積小、功耗低、易數(shù)字化、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn),被視為傳統(tǒng)慣導(dǎo)級(jí)擺式積分陀螺加速度計(jì)的替代者,將支撐下一代導(dǎo)航系統(tǒng)的研究與發(fā)展。溫度誤差是制約硅微諧振式加速度計(jì)測(cè)量精度的重要因素。本文圍繞加速度計(jì)溫度特性分析及實(shí)驗(yàn)、圓片級(jí)封裝真空腔內(nèi)溫度測(cè)量方法、加速度計(jì)溫度補(bǔ)償算法等展開研究,以提高加速度計(jì)的穩(wěn)定性。首先,介紹了硅微諧振式加速度計(jì)的工作原理、封裝技術(shù)及測(cè)控電路。從材料特性、殘余應(yīng)力和加工誤差這三個(gè)方面分析了溫度誤差機(jī)理,給出諧振器固有頻率溫度靈敏度和加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)溫度靈敏度的理論值為-36～-12Hz/℃ 和498～1570ppm/℃。并在建立加速度計(jì)溫度傳遞模型的基礎(chǔ)上,分析了真空腔內(nèi)的溫度測(cè)量誤差。其次,設(shè)計(jì)并進(jìn)行了加速度計(jì)全溫范圍內(nèi)的定點(diǎn)恒溫實(shí)驗(yàn)和斜坡升降溫實(shí)驗(yàn),分析溫度特性曲線可知,諧振器固有頻率和加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)溫度靈敏度與理論推導(dǎo)一致,分別為-31.23--15.48 Hz/℃和703.726～1286.632 ppm/℃,在斜坡升降溫實(shí)驗(yàn)中,諧振器固有頻率相對(duì)于外置鉑電阻所測(cè)溫度會(huì)產(chǎn)生溫度滯回,最大滯回誤差達(dá)283.75Hz。第三,針對(duì)圓片封裝真空腔內(nèi)外溫度差異,提出了基于外置鉑電阻、差動(dòng)諧振器以及諧振器品質(zhì)因數(shù)的三種腔內(nèi)溫度測(cè)量方法。對(duì)比三種方法可知,差動(dòng)諧振器相互測(cè)溫方法的動(dòng)態(tài)測(cè)溫精度最高。第四,研究基于鉑電阻及差動(dòng)諧振器的加速度計(jì)溫度補(bǔ)償算法,并通過FPGA進(jìn)行了實(shí)時(shí)驗(yàn)證。對(duì)比補(bǔ)償結(jié)果可知,差動(dòng)諧振器溫度自補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)補(bǔ)償效果較好,靜態(tài)補(bǔ)償效果略差于鉑電阻測(cè)溫方法,補(bǔ)償后零偏溫度靈敏度降至補(bǔ)償前的0.74%,標(biāo)度因數(shù)溫度靈敏度降至1.51%。最后,對(duì)溫度補(bǔ)償后的硅微諧振式加速度計(jì)進(jìn)行了整表性能測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,補(bǔ)償后加速度計(jì)1σ零偏穩(wěn)定性為11.54μg,零偏溫度靈敏度為0.05 mg/℃,標(biāo)度因數(shù)溫度靈敏度為933 ppm/℃,性能較補(bǔ)償前明顯提高。
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH824.4

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