[發明專利]基于片式集成高精度測溫結構的硅振梁加速度計

有效

• 申請號: 201310398892.0
• 申請日: 2013-09-04
• 公開（公告）號: CN103439529A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 夏國民;裘安萍;施芹;張晶;蘇巖;丁衡高
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01P15/08
• 分類號: G01P15/08;G01P15/125
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

技術領域

本發明屬于微機電系統MEMS中的微慣性傳感器技術領域，特別是一種基于片式集成高精度測溫結構的硅振梁加速度計。

背景技術

硅微加速度計是典型的MEMS慣性傳感器，其研究始于20世紀70年代初，現有電容式、壓電式、壓阻式、熱對流、隧道電流式和諧振式等多種形式。硅微諧振梁加速度計的獨特特點是其輸出信號是頻率信號，它的準數字量輸出可直接用于復雜的數字電路，具有很高的抗干擾能力和穩定性，而且免去了其它類型加速度計在信號傳遞方面的諸多不便，直接與數字處理器相連。目前美國Draper實驗室對諧振式加速度計的研究處于國際領先地位，研究開發的微機械加速度計主要應用于戰略導彈，零偏穩定性和標度因數穩定性分別達到5μg和3ppm。因此硅微諧振式加速度計具有良好的發展前景。硅振梁加速度計結構一般由諧振梁和敏感質量塊組成，敏感質量塊將加速度轉換為慣性力，慣性力作用于諧振梁的軸向，使諧振梁的頻率發生變化，通過測試諧振頻率推算出被測加速度。

中國專利1（裘安萍，施芹，蘇巖.硅微諧振式加速度計，南京理工大學，申請號：2008100255749）公開了一種硅振梁加速度計結構，該結構機械結構由質量塊、諧振器和杠桿放大機構等組成，兩個諧振器位于質量塊中間，相鄰對稱布置，質量塊由位于其四角的折疊梁支撐，提高了結構的穩定性和抗沖擊能力。但是由于加工誤差使得兩個諧振器的諧振頻率并不完全相等，作用在兩個諧振器上的熱應力也不相同，則無法通過差分檢測的方式消除熱應力的影響；而且該結構的兩個諧振器直接與固定基座相連，加工殘余應力和熱應力對諧振頻率的影響很大；在全溫范圍內的溫度實驗發現，加速度計頻率的溫度系數高達160Hz/℃，標度因數的溫度系數為0.67%/℃；此外在測試過程中發現該加速度計存在較大的電耦合，當兩個諧振器的諧振頻率相近時，會產生鄰頻干擾，從而無法識別所作用的加速度信號。

中國專利2（裘安萍，施芹，蘇巖.硅微諧振式加速度計，南京理工大學，專利號：201010293127.9）公開了一種硅振梁加速度計的新結構，該結構由上下兩層構成，上層為制作在單晶硅片上的加速度計機械結構，下層為制作在玻璃襯底上的信號引線，機械結構由質量塊、外框架、諧振器、導向機構和杠桿放大機構等組成，質量塊位于結構中間，通過四根軸對稱多折梁與外框架相連，提高了加速度計結構的穩定性和抗沖擊能力，并在一定程度上提高了加速度計的靈敏度。兩個完全相同的諧振器在質量塊上下對稱布置，大大減小電耦合，且兩根諧振梁的中間相連，降低了高階模態的干擾。諧振器、杠桿、導向機構和質量塊都通過外框架與固定基座相連，減小了加工殘余應力和工作環境溫度變化產生的熱應力對結構振動頻率的影響。在全溫范圍內的溫度實驗發現，該加速度計頻率的溫度系數從原來結構的160Hz/℃降至24～25Hz/℃，降低了84.4%；由于加工誤差以及殘余應力分布不均勻，兩個諧振器的溫度系數差為3～5Hz/℃，性能試驗表明該加速度計的零偏穩定性優于50μg，標度因數穩定性優于100ppm。由此可見，減小溫度誤差是提高諧振式加速度計精度的關鍵。減小溫度誤差的方法有結構合理設計、優化工藝和溫度補償，其中溫度補償精度受到測溫精度的影響。目前，測溫方法通常采用加速度計內部的鉑電阻或外部的溫度測量，這兩種方法受溫度梯度和溫度延時的影響，且測溫精度不高，從而溫度補償精度不高，無法滿足高精度諧振式加速度計的要求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種實時性好、溫度系數低的基于片式集成高精度測溫結構的硅振梁加速度計，該硅振梁加速度計靈敏度高、穩定性好、抗沖擊能力強且易于實現高精度測量。