1 北京信息科技大学 传感器重点实验室，北京100101
2 北京信息科技大学 自动化学院，北京100101
温度影响加速度计的性能，误差来源主要由石英材料及封装工艺产生的热应力引起。针对加速度计温度漂移现象，该文介绍了集成式石英谐振加速度计低温漂结构设计和补偿方法。首先通过对称的差分结构消除一阶温度系数，并进行工艺优化，降低封装工艺对谐振器产生的热应力；其次采用随机森林拟合算法建立温度模型来补偿加速度计的温漂。在-20~80 ℃温度范围内对加速度计样机进行温漂测试，结果表明，工艺优化及补偿后的样机偏置稳定性提高了一个数量级。
谐振式加速度计 差频 温度补偿 低温漂 随机森林 resonant accelerometer difference frequency temperature compensation low temperature drift random forest
北京大学 微电子研究所 微米/纳米加工技术国家级重点实验室, 北京 100871
硅微谐振式加速度计的非线性振动可以导致振动幅度噪声耦合到频率输出进而恶化器件的噪声性能, 因此有必要对谐振式加速度计的非线性振动特性进行评估及优化, 拓展线性振动范围。本文针对所设计的基于梳齿结构与振动梁复合的硅微谐振式加速度计进行了仿真与实验分析。首先对加速度计结构使用COMSOL仿真软件进行了非线性仿真分析, 该方法通过在谐振梁的振动方向上施加一个静力, 得到力与位移之间的关系, 计算出非线性三次项系数k3, eff和线性系数keff的比值约为2.13×1010 m-2。然后, 对双端固支音叉(DETF)进行扫频测试, 得出DETF的非线性振动频响曲线。根据Duffing方程对实验数据进行拟合, 得出器件两个DETF的非线性三次项系数k3, eff和线性系数keff的比值分别为2.24×1010 m-2和2.19×1010 m-2。仿真值与测试值的误差分别为5.2%和2.8%。实验结果与仿真值吻合得较好, 印证了仿真方法的有效性和测试数据的可靠性。最后, 对所设计的谐振加速度计进行非线性分析, 当振幅小于35.4 nm时, DETF工作在线性区, 可为后续谐振式加计的控制电路设计提供参考。
硅微谐振式加速度计 非线性振动 复合结构 仿真分析 silicon micro-resonant accelerometer nonlinear vibration composite structure simulation analysis
南京理工大学 MEMS惯性技术研究中心, 南京 210094
设计了一款由微机电系统和专用集成电路构成的小型化硅微谐振式加速度计。该加速度计采用80 μm厚SOI工艺加工微机电系统(MEMS)结构, 采取真空封装技术降低结构噪声。首先, 采用振荡信号作为自动增益控制电路中斩波器的控制信号, 降低了闪变噪声且不会引入额外的功耗。其次, 使用线性区工作的乘法器取代传统的吉尔伯特单元, 通过大幅降低系统总体供电电压来降低功耗。最后, 采用复位计数器进行频率数字转换, 在所关心的带宽内抑制量化噪声。实验显示: 该加速度计在达到±30 g线性量程的前提下, 实现了2.5 μg/√Hz的分辨率和1 μg的零偏不稳定度。此外, 为了减小电路自身发热引起的温度漂移, 该样机的功耗被控制在3.5 mW以内, 系统集成后的尺寸约为45 mm×30 mm×20 mm。基于所述技术, 系统在体积、功耗和性能方面均有较大的提升。
硅微谐振式加速度计 专用集成电路 SOI工艺 真空封装 小型化 低功耗 Silicon Resonant Accelerometer(SRA) Application Specified Integrated Circuit (ASIC) SOI process vacuum packaging miniaturization low power
南京理工大学 MEMS惯性技术研究中心, 江苏 南京 210094
将遗传算法与低频模型相结合, 提出了一种快捷的驱动电路设计方法, 用于提高低功耗硅微谐振式加速度计模拟驱动电路的瞬态性能, 并缩短设计周期。该方法通过对闭环驱动电路模型进行高低频解耦, 提取闭环驱动电路的低频模型; 将提取的低频模型与遗传算法相结合, 给出完整的优化方法, 得到了满足各项实际约束的最优电路参数。针对某型硅微谐振式加速度计, 建立了SIMULINK低频仿真模型, 根据实际情况制定了约束条件。应用该方法求出了系统启动速度最快的PI控制器的参数, 并对其进行了实验验证。起振实验结果表明, 采用优化参数可使超调量小于50%, 相位误差小于5°, 1%调节时间从优化前的0.42 s减少到优化后的0.19 s, 实验与仿真误差小于5%。得到的结果证明提出的方法正确有效, 具有可实施性。
硅微谐振式加速度计 闭环驱动 遗传算法 非线性系统 silicon resonant accelerometer closed loop driving genetic algorithm nonlinear system
南京理工大学 MEMS惯性技术研究中心，江苏 南京 210094
从基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手，阐述了加速度计中微杠杆结构对惯性力的放大作用，证明了标度因数与系统放大倍数n为正比关系，并以加速度计样机中的单级微杠杆为例，建立了加速度计的理论模型。推导了微杠杆的放大倍数A和轴向刚度K的计算公式，以此为基础导出了加速度计系统放大倍数n的计算方法。依据公式计算得到加速度计样机的系统放大倍数n的理论值为21.820，并用有限元方法对理论值进行了仿真验算，得出n的仿真值为19。最后对加速度样机进行了实际测试，测得加速度计的标度因数为127.33 Hz/g，系统放大倍数n为25.466。对所得结果的比较表明，系统放大倍数的理论值与仿真值及实验值的误差分别为14.8%和14.3%,误差在可接受范围内。
硅微谐振式加速度计 微杠杆 放大倍数 silicon resonant accelerometer microlever amplification factor
南京理工大学 MEMS惯性技术研究中心，江苏 南京 210094
为了提高硅微谐振式加速度计性能，从一种基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手，介绍了加速度计的结构、加工方法和接口电路。该谐振式加速度计结构包括敏感质量块、谐振器和微杠杆3部分，采用差动结构来减小共模误差的影响。接口电路中采用了自动增益控制电路来稳定谐振器的振幅，成功实现了谐振器的闭环自激振荡和频率检测。分析了谐振式加速度计频率输出与加速度输入的关系,测试了硅微谐振式加速度计样机性能，结果为量程±50 g，标度因数143 Hz/g，零偏稳定性1.2 mg，零偏重复性0.88 mg，阈值170 μg。文章最后提出，DDSOG工艺中采用的玻璃材料和硅材料温度系数不同，影响了加速度计的温度特性，因此需要进步一改进加工工艺。
硅微谐振式加速度计 谐振器 差动结构 Silicon Resonant Accelerometer(SRA) resonator differential DDSOG Deep Dry Silicon on Glass(DDSOG) 光学 精密工程
2010, 18(12): 2583
