CN113932830B - 一种基于热传导分析的mems器件温漂误差精密测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于热传导分析的MEMS器件温漂误差精密测量方法，属于微传感器件领域。本发明解决了现有基于热传导分析的MEMS器件温漂误差测量准确性差的问题，本发明采用温度检测系统对MEMS器件的温度进行采集，并将所述温度检测系统和MEMS器件均放置在高低温箱内，通过控制高低温箱的温度变化，获取MEMS器件伴随温度变化的输出数据，将MEMS器件输出的数据分别与不同温度下器件的标准数据值进行比较，获取温漂误差。本发明适用于MEMS器件温漂误差精密测量。

Description

一种基于热传导分析的MEMS器件温漂误差精密测量方法

技术领域

本发明属于微传感器件领域。

背景技术

火星和月球是当前深空开发的主要目标星球，无人探测车可为成功登陆火星和月球提供前期考察资料。由于受到当前运载火箭推力技术的制约与限制，运载火箭所装载的探测设备需具有小体积、低功耗、适应全天候工作的技术特点。为保证任务执行的精准性和实时性，无人探测车需搭载小型化精密设备执行探测任务，MEMS器件是最佳选择，例如，MEM加速度计、MEMS陀螺仪、MEMS磁力计、MEMS气压计、MEMS温度计等。MEMS器件以具有温度依赖性的硅基材料为基础加工而成，考虑到太空环境温度约为-180℃～130℃，环境温度变化导致硅基材料物理特性改变，进而激励MEMS器件温漂误差产生并降低其输出精度。例如，以输出灵敏度为±0.00875°/s的某型MEMS陀螺仪为例，若环境温度改变10℃，其输出温漂误差约为0.7°/s。该温漂误差会激励导航系统产生随时间累积的导航误差，并对载体安全稳定运行造成潜在隐患。因此，MEMS器件温漂误差严重制约了MEMS器件在全领域、全天候、全气候条件下的应用和推广，如何有效补偿MEMS器件温漂误差，并且有效解耦MEMS器件对环境温度的依赖性是目前有效提升MEMS器件的环境适应性及其精准性的关键问题。

提升MEMS器件温漂误差补偿的精准性取决于三个因素，一是要确立激励温漂误差的环境温度相关量，为模型建立提供参考；二是要准确复现环境温度相关量与温漂误差之间的复杂非线性关系，避免局部最小值对全局最优结果的而影响；三是要准确考核温漂误差，为准确辨识补偿模型参数提供基础。由此可知，准确考核温漂误差是精准补偿MEMS器件温漂误差的基础，MEMS器件温漂误差测试越准确，MEMS器件温漂误差补偿精准性越高。然而，传统的MEMS器件温漂误差测试方法没有深入分析MEMS器件热传导过程，过分依赖于人为经验展开测试，进而导致MEMS器件温漂误差测试存在误差测试精准性差、测试控制实时性低的问题，也为精准测量MEMS器件误差埋下了严重隐患。因此，如何精准测量MEMS器件温漂误差是有效解耦硅基材料的温度依赖性，准确估计并消除温漂误差以提升输出精度，提升MEMS陀螺仪的环境适应性的基础。

发明内容

本发明目的是为了解决现有基于热传导分析的MEMS器件温漂误差测量准确性差的问题，提出了一种基于热传导分析的MEMS器件温漂误差精密测试方法。

本发明所述一种基于热传导分析的MEMS器件温漂误差精密测试方法，该方法中，采用温度检测系统对MEMS器件的温度进行采集，并将所述温度检测系统和MEMS器件均放置在高低温箱内，通过控制高低温箱的温度变化，获取MEMS器件伴随温度变化输出的数据，将MEMS器件输出的数据分别与不同温度条件下器件的标准数据值进行比较，获取MEMS器件的温漂误差。

进一步地，本发明中，MEMS器件设置在金属壳体内，且所述MEMS器件与金属壳体内壁紧密贴合，温度检测系统还贴在金属壳体的外侧，所述金属壳体设置在高低温箱内。

进一步地，本发明中，通过控制高低温箱的温度变化，获取MEMS器件伴随温度变化输出的数据的具体过程为：

步骤一、控制高低温箱，将高低温箱内环境温度降低至-40℃，至MEMS器件和测温系统实测数据均稳定时，记录MEMS器件表面温度和MEMS器件数据输出；

步骤二、控制高低温箱使高低温箱内部环境温度从-40℃以步进的方式逐渐上升至85℃，每步升温ΔT，每步升温时间为t_p，记录每步升温稳定后MEMS器件表面温度和MEMS器件输出数据，获得n组数据，每组数据均包括所述MEMS器件表面温度数据和MEMS器件输出数据，其中，n为正整数，t_p和ΔT均为正数。

进一步地，本发明中，获取温漂误差的具体过程为：将n组数据分别与器件对应表面温度下的标准输出数据作差比较，获得的差值即为对应温度下MEMS器件的温漂误差。

进一步地，本发明中，步骤二中所述的每步升温ΔT满足：

其中，ΔE_S为MEMS器件目标信息敏感度，且MEMS器件温漂误差ΔE≤ΔE_S，ΔE为计算获得的MEMS器件温漂误差近似值；

计算MEMS器件温漂误差近似值ΔE公式为：

ΔE＝αΔT+βΔT 公式二

式中，ΔT＝T-T₀，α为技术指标零率温度变化系数，β为技术指标灵敏度温度变化系数。若MEMS器件温漂误差近似值ΔE大于MEMS器件目标信息敏感度ΔE_S，无法精准测得MEMS器件目标信息。

进一步地，本发明中，步骤二中所述的每步升温时间t_p的获得方法为：

计算热导率k：

式中，Q为传导热量，t_s为传导热量所需时间，L为传导热量经过长度，A为传导热量投射正对面积，ΔT为温升梯度；

根据比热容公式，确定金属壳体内部均被均匀加热所需的传导热量：

Q＝CmΔT 公式四

式中，C为当前试验环境空气比热容，m为密闭状态下高低温箱内部当前试验环境空气总质量；

进而获得热导率k：

利用公式五构建空间环境热传导时间评估方程，推导出热量均匀传导虚拟空间所需时间：

式中，ρ为当前试验环境空气平均密度；v是高低温箱的容积，v＝L*A，基于公式六计算得出热量从内壁传导至转台中心区域均匀传导所需要时间；温度升降实验的每次温度控制变化时间t_p满足：

t_s≤t_p 公式七。

本发明中基于热传导分析全面分析MEMS器件温度漂移误差激励过程，并基于此构建MEMS器件温度漂移误差精密测试方法，采用高低温箱进行温度控制，将MEMS器件先安装在金属壳体内，温度检测系统设置在壳体外，保证高低温箱内的环境温度完全传导至MEMS器件；为精确获得MEMS器件温漂误差，采用精密测温系统，温度传感器紧密地安装在MEMS器件的表面。精密测温系统的测量精度应比环境温度变化精度高2倍以上，其测量频率应高于MEMS器件的输出频率，且本发明所述方法旨在规划温度升降实验的温升梯度，确保精准激励MEMS器件温漂误差最小值，构建MEMS器件温漂误差估计方程，并由此精确反演在不影响MEMS器件精准性基础上MEMS器件温漂误差最大值对应的温升梯度,精准控制温升间隔以精准、完全、可靠激励MEMS器件温漂误差，保证了温漂误差测量的准确性。

附图说明

图1是高低温箱内部结构主视图；

图2是高低温箱内部结构侧视图；

图3是高低温箱内部结构俯视图；

图4是温漂误差测量过程中，高低温箱温度控制曲线图；

图5(1)是静基座条件下I3G4250D所处环境温度变化图；

图5(2)是静基座条件下I3G4250D实测数据图；

图6是考核测试温漂误差补偿前后MEMS陀螺仪输出对比图；

图7(1)是利用传统方法和本发明方法测量获得温漂误差数据第一次进行补偿仿真MEMS器件X周输出曲线对比图；

图7(2)是利用传统方法和本发明方法测量获得温漂误差数据第一次进行补偿仿真MEMS器件Y轴输出曲线对比图；

图7(3)是利用传统方法和本发明方法测量获得温漂误差数据第一次进行补偿仿真MEMS器件Z轴输出曲线对比图；

图7(4)是利用传统方法和本发明方法测量获得温漂误差数据第二次进行补偿仿真MEMS器件X轴输出曲线对比图；

图7(5)是利用传统方法和本发明方法测量获得温漂误差数据第二次进行补偿仿真MEMS器件Y轴输出曲线对比图；

图7(6)是利用传统方法和本发明方法测量获得温漂误差数据第二次进行补偿仿真MEMS器件Z轴输出曲线对比图；

图7(7)是利用传统方法和本发明方法测量获得温漂误差数据第三次进行补偿仿真MEMS器件X轴输出曲线对比图；

图7(8)是利用传统方法和本发明方法测量获得温漂误差数据第三次进行补偿仿真MEMS器件Y轴输出曲线对比图；

图7(9)是利用传统方法和本发明方法测量获得温漂误差数据第三次进行补偿仿真MEMS器件Z轴输出曲线对比图；

图7(10)是利用传统方法和本发明方法测量获得温漂误差数据第四次进行补偿仿真MEMS器件X轴输出曲线对比图；

图7(11)是利用传统方法和本发明方法测量获得温漂误差数据第四次进行补偿仿真MEMS器件Y轴输出曲线对比图；

图7(12)是利用传统方法和本发明方法测量获得温漂误差数据第四次进行补偿仿真MEMS器件Z轴输出曲线对比图；

图7(13)是利用传统方法和本发明方法测量获得温漂误差数据第五次进行补偿仿真MEMS器件X轴输出曲线对比图；

图7(14)是利用传统方法和本发明方法测量获得温漂误差数据第五次进行补偿仿真MEMS器件Y轴输出曲线对比图；

图7(15)是利用传统方法和本发明方法测量获得温漂误差数据第五次进行补偿仿真MEMS器件Z轴输出曲线对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于热传导分析的MEMS器件温漂误差精密测量方法，该方法中，采用温度检测系统对MEMS器件的温度进行采集，并将所述温度检测系统和MEMS器件均放置在高低温箱内，通过控制高低温箱的温度变化，获取MEMS器件伴随温度变化输出的数据，将MEMS器件输出的数据分别与不同温度条件下器件的标准数据值进行比较，获取MEMS器件的温漂误差。

本实施方式中，MEMS器件温漂误差测试采用具有密闭保温设计的高低温箱，MEMS器件通过导热硅脂紧密贴装于金属外壳增加热量交换面积以提升热传导实时性，组装好的MEMS器件模块紧密贴装在高低温箱内部安装基座上完成温漂误差考核测试。同时，精密测温系统的测温传感器紧贴到MEMS器件模块的金属壳表面。

本发明中基于热传导分析方法全面分析MEMS器件温度漂移误差激励过程，并基于此构建了MEMS器件温度漂移误差精密测试方法，克服了传统的MEMS器件温漂误差测试方法过分依赖于人为经验制定测试方案，进而导致MEMS器件温漂误差测试精准性和实时性降低的问题，能够更加精准地、实时地测试MEMS器件温漂误差，也为MEMS器件温度漂移误差精密测试方法的制定提供了完整的理论分析基础和完备的参考依据。

进一步地，本实施方式中，MEMS器件设置在金属壳体内，且所述MEMS器件与金属壳体内壁紧密贴合，温度检测系统还贴在金属壳体的外侧，所述金属壳体设置在高低温箱内。

本实施方式中，为了有效控制温度梯度效应以提升测试的实时性，MEMS器件通过导热硅脂紧密贴装于金属外壳，同时精密测温系统的测温传感器也通过导热硅脂黏贴到MEMS器件模块，进而增加模块导热能力，从而保证温控箱内部环境温度与其内部结构温度基本一致，尽量减小热量传导延迟效应，为精准获取环境温度相关量，MEMS器件采取导热措施，保证高低温箱内的环境温度完全传导至MEMS器件；为精确获得MEMS器件温漂误差，采用精密测温系统，温度传感器紧密地安装在MEMS器件的表面。精密测温系统的测量精度应比环境温度变化精度高2倍以上，其测量频率应高于MEMS器件的输出频率，通常情况下，选用测温精度为±0.01℃、控温精度为±0.03℃、测温频率为1Hz的精密测温系统。

进一步地，本实施方式中，通过控制高低温箱的温度变化，获取MEMS器件伴随温度变化输出的数据的具体过程为：

步骤一、控制高低温箱，将高低温箱内环境温度降低至-40℃，至MEMS器件和测温系统实测数据均稳定时，记录MEMS器件表面温度和MEMS器件数据输出；

步骤二、控制高低温箱使高低温箱内部环境温度从-40℃以步进的方式逐渐上升至85℃，每步升温ΔT，每步升温时间为t_p，记录每步升温稳定后MEMS器件表面温度和MEMS器件输出数据，获得n组数据，每组数据均包括所述MEMS器件表面温度数据和MEMS器件输出数据，其中，n为正整数，t_p和ΔT均为正数。

本实施方式中，制高低温箱将环境温度按照温升梯度ΔT和温度控制变化时间t_p升高至85℃，并维持MEMS器件和测温系统实测数据稳定1h。

进一步地，本实施方式中，获取温漂误差的具体过程为：将n组数据分别与器件对应表面温度下的标准输出数据作差比较，获得的差值即为对应温度下MEMS器件的温漂误差。

本实时方式获取通常获取多组数据进行测量为保证测量的通用性，避免单次数据存在特殊性。

进一步地，本实施方式中，步骤二中所述的每步升温ΔT满足：

其中，ΔE_S为MEMS器件目标信息敏感度，且MEMS器件温漂误差ΔE≤ΔE_S，ΔE为计算获得的MEMS器件温漂误差近似值；

计算MEMS器件温漂误差近似值ΔE公式为：

ΔE＝αΔT+βΔT 公式二

式中，ΔT＝T-T₀，α为技术指标零率温度变化系数，β为技术指标灵敏度温度变化系数，若MEMS器件温漂误差近似值ΔE大于MEMS器件目标信息敏感度ΔE_S，无法精准测得MEMS器件目标信息。

本实施方式中，令MEMS器件的敏感度最小值为ΔE_S，若温漂误差ΔE淹没MEMS陀螺仪的敏感度ΔE_S，则无法精准测得MEMS器件的目标信息。因此，MEMS器件的温漂误差ΔE应小于等于MEMS器件的敏感度ΔE_S才能保证MEMS器件的目标信息和温漂误差被精准测量，此即ΔE≤ΔE_S。

本实施方式中，MEMS器件温漂误差ΔE_MEMS由零偏误差、趋势项误差和随机误差构成，可表示为：

ΔE_MEMS＝E_bias+E_trend+E_random

式中，E_bias为零偏误差，表现为载体旋转角速度实测值与其理论值的固定偏差；E_trend为趋势项误差，表现为随环境温度变化而呈现线性或非线性变化的偏差；E_random为随机误差，表现为一系列有关因素微小的随机波动而形成的具有相互抵偿性的误差。

E_bias和E_trend为MEMS器件温漂误差ΔE_MEMS的主要组成，消除E_bias和E_trend是消除MEMS器件温漂误差最为重要的手段。基于MEMS器件的温漂误差特性参数(零率温度变化系数和灵敏度温度变化系数)，构建MEMS器件温漂误差估计方程(1)，基于MEMS器件的技术手册，获取零率温度变化系数和灵敏度温度变化系数近似求取温漂误差ΔE，所述ΔE近似等于E_bias和E_trend的和。

进一步地，本实施方式中，步骤二中所述的每步升温时间t_p的获得方法为：

计算热导率k：

式中，Q为传导热量，t_s为传导热量所需时间，L为传导热量经过长度，A为传导热量投射正对面积，ΔT为温升梯度；

根据比热容公式，确定金属壳体内部均被均匀加热所需的传导热量：

Q＝CmΔT 公式四

式中，C为当前试验环境空气比热容，m为密闭状态下高低温箱内部当前试验环境空气总质量；

进而获得热导率k：

利用公式五构建空间环境热传导时间评估方程，推导出热量均匀传导虚拟空间所需时间：

式中，ρ为当前试验环境空气平均密度；v是高低温箱的容积，v＝L*A，基于公式六计算得出热量从内壁传导至转台中心区域均匀传导所需要时间；温度升降实验的每次温度控制变化时间t_p满足：

t_s≤t_p 公式七。

本实施方式中，基于热传导理论可知，热量传导需要时间从点A传导至点B。假设点A的温度序列为T_A＝[T′,T″]，经过时间序列t＝[t₁,t₂]，点B的温度值为T_B＝[T′,T″]。当t₁＜t＜t₂，T′＜T_B＜T″，若此时T_A＝T″，则点B的环境温度最终应变为T″，然而，T_B＝T″过程并未稳定建立。

假如上述过程应用于温漂误差测量中，则温漂误差并未精确考核。因此，合理安排温度控制序列，保证热量完全传导、稳定均衡一致是温漂误差精确考核的重要保障。

MEMS陀螺仪需安装在集成精密转台的高低温箱内部完成温漂误差测量，目前，主流的高低温箱均采用前侧开门、左右两侧布置温度控制单元(TemperatrueControl Unit，TCU)的结构设计，精密转台处于高低温箱正中央位置，全箱采用密闭保温设计。

如图1至3所示，人为将高低温箱内部空间划分为物理特性完全相同的两个虚拟空间(1#VR和2#VR)，TCU通过箱体内壁对其行温度控制。由于虚拟空间为L×L₁×L₂的立方体(L、L₁、L₂分别代表高低温箱的长宽高)，热量从L₁×L₂侧面经路径L均匀传导至1#VR和2#VR连接处，离内壁越远的空间导热时间越长，虚拟空间连接处为环境温度最后稳定区域。

本发明中，高低温箱能够很好地构建温度变化环境，为MEMS器件提供温漂误差激励条件。具有密闭保温设计的高低温箱能够确保测试的高效性，并且尽量隔绝外部干扰因素以确保测试结果的可信度。MEMS器件需要安装在集成安装基座的高低温箱内部完成温漂误差考核测试。目前，主流的高低温箱均采用前侧开门、左右两侧布置温度控制单元的结构设计，精密转台处于高低温箱正中央位置，全箱采用密闭保温设计。图2给出了MEMS器件安装于高低温箱内部示意图。

MEMS器件通过导热硅脂紧密贴装于金属外壳增加热量交换面积以提升热传导实时性，组装好的MEMS器件模块紧密贴装在高低温箱内部安装基座上完成温漂误差考核测试。同时，精密测温系统的测温传感器紧贴到MEMS器件模块的金属壳表面。

为了更加准确获取到环境温度相关量，采用精密测温设备测量MEMS陀螺仪表面温度。精密测温设备的测温精度应高于环境温度变化间隔的2倍以上，测温频率应高于MEMS陀螺仪输出频率，预留温漂误差考核测试余量以保证测试结果的准确性。

具体实施例：

为说明本方法测量MEMS器件温漂误差的精密性，以ST公司的MEMS陀螺仪I3G4250D为例，随机设定x轴、y轴、z轴的参考角速度为

分别采用传统方法和本发明所述方法测量MEMS陀螺仪温漂误差，基于温度相关量和温漂误差构建温漂误差补偿模型，通过分析温漂误差补偿效果对传统方法和本发明所述的方法的精准性进行对比验证。

根据I3G4250D的手册可知，ΔE_S＝8.75mdps/digit，α＝±0.03dps/℃，工作温度范围为-40℃～85℃，经过量纲换算后β参数为：

基于公式三可得：

为保证准确考核温漂误差并兼顾简化实验步骤考虑，令ΔT＝0.1℃。利用型号为SET-Z-021UF高低温箱考核MEMS陀螺仪I3G4250D，其C＝1.005kJ/(kg×K)，k＝0.0267W/m℃，L＝0.6m，ρ＝1.293kg/m³，此时：

t_s＝17.5209s 公式十

由此可知，经过17.5209s后，TCU的温控间隔变化量0.1℃保持均匀稳定传导至精密转台中心区域。基于简化控制流程考虑，令t_p＝20s。因此，任选I3G4250D做5组温漂误差测量结果，采用测温精度±0.03℃、测温频率10Hz的精密测温系统实时监控环境温度。温漂误差测量具体步骤如下：

(1)将MEMS陀螺仪通过导热硅脂紧密贴装于金属外壳，并将该模块安装于转台，精密测温系统的测温传感器紧贴到金属壳表面测量T_t ¹，测试PC实时接收MEMS陀螺仪的输出信号

确保工作状态就绪。

(2)启动转台，令其以目标转速旋转ω_s，记录MEMS陀螺仪数据输出

(3)环境温度降低至-40℃，待MEMS陀螺仪和测温系统实测数据均稳定时，开始记录MEMS陀螺仪表面温度T_t ¹和MEMS陀螺仪数据输出

(4)将环境温度以升温速率18℃/h升高至85℃，并维持MEMS陀螺仪和测温系统实测数据稳定1h，同时记录下升温过程中实测数据。

(5)重复步骤(2)至步骤(5)5次，分别将所采集的测试数据作为目标测试数据分别与不同温度下的标准输出数据进行比较，获得多组温度漂移造成的误差数据。

图3给出了温漂误差测量过程中，调节温度变化过程图。为便于测试MEMS陀螺仪，令其工作于静基座状态，即ω_s＝0。图4给出了此时I3G4250D的实测数据。

利用下述方法对本发明所述测量方法获得的温漂误差数据的准确性进行验证，

具体步骤如下：

采用MEMS器件温漂误差补偿模型对本发明所述方法和传统方法测量获得的MEMS器件温漂误差精度进行验证，MEMS器件温漂误差补偿模型采用MATALB对同一RBF神经网络进行参数训练获得：

所述MEMS器件温漂误差估计模型的参数辨识过程为：

(1)任取n组数据中其中一组温度实验数据为训练样本集，另取一组温度实验数据为验证样本集。

(2)将训练样本集中MEMS器件的实际输出减去参考输出，得到MEMS器件温漂误差样本集。从训练样本集中的MEMS器件的参考温度中减去MEMS器件的参考温度，得到MEMS器件的环境温度变化量样本集ΔT，将MEMS器件的环境温度样本集ΔT自乘得到变化量平方项样本集ΔT²。

(3)以ΔT和ΔT²为RBF神经网络的输入，以MEMS器件温漂误差为RBF神经网络的输出，训练RBF神经网络直到RBF神经网络的输出和相应的MEMS器件温漂误差之间的差异满足设计要求。

(4)MEMS器件的相应输出减去RBF神经网络的输出，由此得到MEMS器件温漂误差补偿后的结果。

基于以上所有步骤，利用图5(1)和图5(2)所示的实验数据训练如下式所述的数据训练RBF神经网络，并准确识别RBF神经网络结构及其参数。图6给出了MEMS器件输出及其补偿输出。

ΔE_MEMS＝ANN_RBF(ΔT,ΔT²)

本发明所述方法能够准确估计MEMS器件温漂误差，根据所述估计误差，采用上述MEMS器件温漂误差补偿模型实现对本发明所述测量方法测量温漂误差的准确性进行了验证。

由图7(1)-图7(15)所示，图中，三种线型的曲线分别代表采用未经温漂误差补偿数据作为MEMS器件温漂误差补偿模型输入获得的输出曲线、采用传统方法测量获得温漂误差数据经MEMS器件温漂误差补偿模型补偿后输出的曲线和采用本发明所述方法获得温漂误差数据经MEMS器件温漂误差补偿模型步长后的输出的曲线，经由基于本发明所述方法获得的温漂误差的MEMS器件温漂误差补偿模型，MEMS陀螺仪更加稳定可靠地输出载体姿态信息，MEMS陀螺仪温度依赖性得到一定程度的解耦，并可以保持长时间稳定、精准输出。由表1、表2、表3、表4、表5所示，经由本发明所述方法获得的温漂误差数据结合MEMS器件温漂误差补偿模型补偿后，MEMS陀螺仪的MSD明显小于经由基于传统方法测试温漂误差的温漂误差补偿模型补偿后的MEMS陀螺仪的MSD，其MSD(均方差)提升了10％左右。因此，本发明所述方法能够更加准确地测量出MEMS器件的温漂误差。

表1性能考试实验1测试数据均方差

表2性能考试实验2测试数据均方差

表3性能考试实验3测试数据均方差

表4性能考试实验4测试数据均方差

表5性能考试实验5测试数据均方差

采用上述方法实现误差准确补偿的同时，验证了本发明所述方法中测量温漂误差的准确性，明显优于现有方法。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (3)

1.一种基于热传导分析的MEMS器件温漂误差精密测量方法，其特征在于，该方法中，采用温度检测系统对MEMS器件的温度进行采集，并将所述温度检测系统和MEMS器件均放置在高低温箱内，通过控制高低温箱的温度变化，获取MEMS器件伴随温度变化输出的数据，将MEMS器件输出的数据分别与不同温度条件下器件的标准数据值进行比较，获取MEMS器件的温漂误差；

通过控制高低温箱的温度变化，获取MEMS器件伴随温度变化输出的数据的具体过程为：

步骤一、控制高低温箱，将高低温箱内环境温度降低至-40℃，至MEMS器件和测温系统实测数据均稳定时，记录MEMS器件表面温度和MEMS器件数据输出；

步骤二、控制高低温箱使高低温箱内部环境温度从-40℃以步进的方式逐渐上升至85℃，每步升温ΔT，每步升温时间为t_p，记录每步升温稳定后MEMS器件表面温度和MEMS器件输出数据，获得n组数据，每组数据均包括所述MEMS器件表面温度数据和MEMS器件输出数据，其中，n为正整数，t_p和ΔT均为正数；

步骤二中所述的每步升温ΔT满足：

其中，ΔE_S为MEMS器件目标信息敏感度，且MEMS器件温漂误差近似值ΔE≤ΔE_S，ΔE为计算获得的MEMS器件温漂误差近似值；

计算MEMS器件温漂误差近似值ΔE公式为：

ΔE＝αΔT+βΔT 公式二

式中，ΔT＝T-T₀，α为技术指标零率温度变化系数，β为技术指标灵敏度温度变化系数；

步骤二中所述的每步升温时间t_p的获得方法为：

计算热导率k：

式中，Q为传导热量，t_s为传导热量所需时间，L为传导热量经过长度，A为传导热量投射正对面积；

根据比热容公式，确定金属壳体内部均被均匀加热所需的传导热量：

Q＝CmΔT 公式四

式中，C为当前试验环境空气比热容，m为密闭状态下高低温箱内部当前试验环境空气总质量；

进而获得热导率k：

利用公式五构建空间环境热传导时间评估方程，推导出热量均匀传导虚拟空间所需时间：

式中，ρ为当前试验环境空气平均密度；v是高低温箱的容积，v＝L*A，基于公式六计算得出热量从内壁传导至转台中心区域均匀传导所需要时间；温度升降实验的每次温度控制变化时间t_p满足：

t_s≤t_p 公式七。

2.根据权利要求1所述的一种基于热传导分析的MEMS器件温漂误差精密测量方法，其特征在于，MEMS器件设置在金属壳体内，且所述MEMS器件与金属壳体内壁紧密贴合，温度检测系统还贴在金属壳体的外侧，所述金属壳体设置在高低温箱内。

3.根据权利要求1所述的一种基于热传导分析的MEMS器件温漂误差精密测量方法，其特征在于，获取温漂误差的具体过程为：将n组数据分别与器件对应表面温度下的标准输出数据作差比较，获得的差值即为对应温度下MEMS器件的温漂误差。

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