硅微加速度計溫度特性分析

《硅微加速度計溫度特性分析》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《硅微加速度計溫度特性分析（4頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、硅微加速度計溫度特性分析 硅微加速度計溫度特性分析 2016/01/22 《傳感器與微系統(tǒng)雜志》2016年第一期 摘要: 環(huán)境溫度對硅微加速度計的檢測精度具有較大影響，并最終影響導航系統(tǒng)的精度。因此，準確標定環(huán)境溫度對微加速度計使用性能的影響，并建立溫度補償模型，對于實際工程應用至關重要。在－20～60℃溫度區(qū)間，通過實驗得到微加速度計的零偏與標度因數(shù)，并采用線性擬合與Lorentz曲線擬合構建了溫度補償模型，后者使測量結(jié)果的穩(wěn)定性精度提高了1個數(shù)量級，具有較

2、好的實際應用價值。 關鍵詞: 硅微加速度計;溫度影響分析;Lorentz曲線;零偏;標度因數(shù) 加速度計是慣性導航系統(tǒng)主要元件之一［1，2］，基于微機械工藝的硅微加速度計具有體積小、功耗低、靈敏度高、結(jié)構簡單等優(yōu)點［3，4］，已廣泛應用于民用車輛導航和穩(wěn)瞄系統(tǒng)中。硅微加速度計一般由硅材料經(jīng)光刻和刻蝕工藝制造而成，由于硅材料是一種熱敏材料，應用環(huán)境溫度變化和硅微加速計長時間工作自身發(fā)熱現(xiàn)象都會對加速計零偏和標度因數(shù)產(chǎn)生較大影響。當環(huán)境溫度在－20～+60℃變化時其漂移誤差將達到210－4gn，甚至更大［5］。一種常用的解決方案是給加速度計增加溫度控制系統(tǒng)，使其工作在一個相對恒定的

3、溫度環(huán)境中，以抵抗外界溫度變化帶來的影響，但缺點是溫度穩(wěn)定時間長、功耗大，不能滿足快速啟動、低功耗的應用需求。目前較為有效的方法是通過實驗數(shù)據(jù)分析，建立溫度與零偏、標度因數(shù)的數(shù)學模型，并進行溫度誤差補償，以提高MEMS加速計的應用精度，滿足軍用戰(zhàn)術級需求。關于微加速度計溫度特性的研究，國內(nèi)外已經(jīng)進行大量深入的研究:文獻［6］石英加速度計的表芯溫度變化和表芯力矩器力矩系數(shù)的溫度系數(shù)決定著加速度計溫度誤差的大小，但并未在誤差來源和補償方法上作具體闡述;文獻［7～9］的分析表明:零偏和標度因數(shù)與環(huán)境溫度的相關性是最明顯的，因此，可以認為環(huán)境溫度對零偏和標度因數(shù)的影響是加速度計溫度誤差中的主導因素。本

4、文依托重點實驗室自動化加速度計線性測試系統(tǒng)試驗設備，通過加速度計測試系統(tǒng)，在溫度區(qū)間為－20～60℃的條件下研究環(huán)境溫度對硅微加速計零偏和標度因數(shù)的影響，建立硅微加速計溫度誤差模型，并對加速度計輸出進行補償。通過模型補償效果對比，提出并采用基于Lorentz曲線擬合的溫度誤差補償方法，相比線性擬合和其他曲線擬合，補償效果明顯。 1硅微加速度計溫度誤差機理分析 當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，熱敏材料硅不僅會發(fā)生尺寸的變化，同時發(fā)生變化的還有材料的彈性模量、熱膨脹系數(shù)、內(nèi)應力等;其中主要影響因子為材料彈性模量和尺寸的改變。尺寸大小的變化對硅微加速度計輸出影響很小，忽略不計，材料彈性模量的變化對

5、硅微加速度計性能有較大影響。系統(tǒng)剛度隨著材料彈性模量的變化而發(fā)生變化，材料彈性模量隨溫度變化近似呈線性關系。 2硅微加速度計溫度誤差建模原理 本文主要從零偏和標度因數(shù)溫度建模的方法著手，設計一種適合于工程應用的加速度計溫度誤差建模和補償方法。忽略其它因素，認為加速度計的零偏和標度因數(shù)僅受環(huán)境溫度的影響，則其模型可表示為如下函數(shù)關系［10］。在硅微加速度計溫度誤差機理分析的基礎上，通過數(shù)據(jù)分析建立硅微加速度計輸出誤差和溫度的數(shù)學關系模型。本文主要通過數(shù)據(jù)分析與曲線擬合的方式進行數(shù)學建模，然后通過模型補償效果對比，采用最優(yōu)溫度誤差補償模型。 3硅微加速度計溫度試驗 1)零偏

6、溫度試驗將硅微加速度計固定在溫控加速度測試臺上，在溫度范圍－20～60℃，按照應用需要，以10℃/h的速率進行升溫和降溫操作，并在每個溫度點保溫1h，然后在每個溫點進行零偏數(shù)據(jù)采集。每次試驗共測試20只硅微加速度計。溫度范圍內(nèi)重復10次溫度試驗。2)標度因數(shù)溫度試驗將硅微加速度計靜止固定在溫控加速計測試臺上，在溫度范圍－20～60℃，按照應用需要，以10℃/h的速率進行升溫和降溫操作，并在每個溫度點保溫1h。然后在每個溫度點進行靜態(tài)多點(四位置)試驗數(shù)據(jù)采集，并計算出標度因數(shù)。每次試驗共測試20只硅微加速度計，溫度范圍內(nèi)重復10次溫度試驗。 4零偏溫度數(shù)據(jù)分析與補償 20只加速度計

7、試驗數(shù)據(jù)變化趨勢一致，以其中一只為例對原始數(shù)據(jù)進行分析。如圖1所示為硅微加速度計的零偏溫度數(shù)據(jù)曲線。按照升溫的順序?qū)γ總€溫度點所采集的的硅微加速度計零偏數(shù)據(jù)求均值，建立對應關系表，如表1所示。通過原始零偏數(shù)據(jù)、線性補償后零偏和Lorentz曲線補償后的零偏溫度誤差對比可知，Lorentz曲線擬合補償效果較好，殘差較小，并通過試驗驗證了該擬合模型的正確性，零偏溫度誤差得到較好的抑制。 5溫度標度因數(shù)誤差分析與補償 基于硅工藝設計的硅微加速度計的溫度變化會導致標度因子不穩(wěn)定，進一步影響硅微加速度計的輸出，降低慣性導航應用精度。因此，在試驗數(shù)據(jù)基礎上，通過溫度標度因數(shù)誤差分析建立正確的數(shù)

8、學模型，并對硅微加速度計標度因數(shù)進行補償顯得尤為重要。首先對靜態(tài)多點試驗數(shù)據(jù)進行整理，通過計算建立溫度標度因數(shù)數(shù)據(jù)表格，如表2所示。由數(shù)據(jù)表計算可得，補償前硅微加速度計全溫標度因數(shù)誤差。通過對溫度標度因數(shù)試驗數(shù)據(jù)分析，分別利用線性擬合補償?shù)姆椒ê蚅orentz曲線擬合的方法對硅微加速度計標度因數(shù)進行補償。擬合曲線如圖4所示，根據(jù)式(3)和式(4)建立線性誤差模型和Lorentz曲線擬合誤差模型如式(12)和式(13)所示。通過計算可得，Lorentz曲線擬合誤差模型要優(yōu)于線性擬合誤差模型，且該擬合方法相比與其他擬合方法更具有針對性。 綜合溫度對零偏和標度因數(shù)的影響，分析可得:溫度補償前，

9、溫度范圍內(nèi)加速度計零偏溫度誤差為14mgn，溫度標度因數(shù)誤差為7110－6/℃，補償后該零偏溫度誤差降為1．3mgn，溫度標度因數(shù)誤差降為1010－6/℃，補償效果明顯?？傊?，補償后硅微加速度計的溫度靈敏度有所改善，溫度范圍內(nèi)的精度提高1個數(shù)量級。6結(jié)束語本文通過加速度計測試系統(tǒng)溫度試驗，并結(jié)合硅微加速度計零偏、標度因數(shù)與溫度之間關系，提出最優(yōu)線性擬合的方法—Lorentz曲線擬合，對硅微加速度計進行溫度誤差建模，并進行溫度誤差補償，減小了溫度對硅微加速度計的影響，并通過試驗驗證了該模型的正確性與可實用性。該補償方法可用于其他項目硅微傳感器誤差的標定，有效地縮短時間和節(jié)約補償成本。 參考

10、文獻: ［1］高社生，桑春萌，李偉．改進的粒子濾波在列車組合定位系統(tǒng)中的應用［J］．中國慣性技術學報，2009，17(6):701－705． ［2］ChenZ，HaykinS．Bayesianfiltering:FromKalmanfilterstoparti-clefilters，andbeyond［Ｒ］．Hamilton，Canada:McMasterUniver-sity，2003． ［3］HuQifang，GaoChengchen，HaoYilong，etal．Lowcross-axissen-sitivitymicro-gravitymicro-electro-me

11、chanicalsystemsandwichcapacitanceaccelerometer［J］．Micro＆NanoLetters，2011，6(7):510－514． ［4］XiaoFei，CheLufeng，F(xiàn)anKebin，etal．Anewsymmetricalbeam-massstructureforaccelerometersbyanisotropicetchingwithoutconvexcornercompensation［C］∥Proceedingsof3rdIEEEInt’lConfonNano/MicroEngineeredandMolecularSystems

12、，Sanya，2008:1059－1062． ［5］任春華，潘英俊，李俊峰，等．基于神經(jīng)網(wǎng)絡的石英加速度計的二維時、溫漂移補償［J］．中國慣性技術學報，2007，15(3):366－369． ［6］王洋，商順昌．石英撓性加速度計的溫場分析［J］．傳感器技術，1996，25(3):8－14． ［7］GuoＲunqiu，ZhangXiaodong，WangCheng．Studyoftheidentifi-cationforthestatictemperaturemodelandthemethodforcom-pensatingtemperatureoftheacceleromet

13、er［J］．JournalofXidianUniversity，2007，34(3):934－938． ［8］WangShujuan，HuangXianlin，LiuShengcai．Identificationfortemperaturemodelofaccelerometer［J］．JournalofChineseIner-tialTechnology，1997，5(1):31－36． ［9］TittertonDH，WestonJL．Strapdowninertialnavigationtechnolo-gy［M］．2nded．Lexington:CopublishedbytheAmericanInstituteofAeronauticsandAstronauticsandtheInstitutionofElectricalEngineers，2004． ［10］張宇飛，屈建龍，宋超，等．石英撓性加速度計溫度建模和補償［J］．中國慣性技術學報，2009，17(3):1－3。