本文關鍵詞：基于圓片封裝的硅微諧振式加速度計溫度特性與補償算法研究

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【摘要】：硅微諧振式加速度計是一種通過檢測諧振梁頻率的變化來敏感運動載體加速度信息的慣性器件,其敏感結構采用MEMS體硅工藝制備。它具有體積小、功耗低、易數字化、動態(tài)范圍大等優(yōu)點,被視為傳統(tǒng)慣導級擺式積分陀螺加速度計的替代者,將支撐下一代導航系統(tǒng)的研究與發(fā)展。溫度誤差是制約硅微諧振式加速度計測量精度的重要因素。本文圍繞加速度計溫度特性分析及實驗、圓片級封裝真空腔內溫度測量方法、加速度計溫度補償算法等展開研究,以提高加速度計的穩(wěn)定性。首先,介紹了硅微諧振式加速度計的工作原理、封裝技術及測控電路。從材料特性、殘余應力和加工誤差這三個方面分析了溫度誤差機理,給出諧振器固有頻率溫度靈敏度和加速度計標度因數溫度靈敏度的理論值為-36～-12Hz/℃ 和498～1570ppm/℃。并在建立加速度計溫度傳遞模型的基礎上,分析了真空腔內的溫度測量誤差。其次,設計并進行了加速度計全溫范圍內的定點恒溫實驗和斜坡升降溫實驗,分析溫度特性曲線可知,諧振器固有頻率和加速度計標度因數溫度靈敏度與理論推導一致,分別為-31.23--15.48 Hz/℃和703.726～1286.632 ppm/℃,在斜坡升降溫實驗中,諧振器固有頻率相對于外置鉑電阻所測溫度會產生溫度滯回,最大滯回誤差達283.75Hz。第三,針對圓片封裝真空腔內外溫度差異,提出了基于外置鉑電阻、差動諧振器以及諧振器品質因數的三種腔內溫度測量方法。對比三種方法可知,差動諧振器相互測溫方法的動態(tài)測溫精度最高。第四,研究基于鉑電阻及差動諧振器的加速度計溫度補償算法,并通過FPGA進行了實時驗證。對比補償結果可知,差動諧振器溫度自補償的動態(tài)補償效果較好,靜態(tài)補償效果略差于鉑電阻測溫方法,補償后零偏溫度靈敏度降至補償前的0.74%,標度因數溫度靈敏度降至1.51%。最后,對溫度補償后的硅微諧振式加速度計進行了整表性能測試,測試結果表明,補償后加速度計1σ零偏穩(wěn)定性為11.54μg,零偏溫度靈敏度為0.05 mg/℃,標度因數溫度靈敏度為933 ppm/℃,性能較補償前明顯提高。
【學位授予單位】：南京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH824.4

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