CN115575668B - 一种硅微谐振式加速度计温度误差抑制电极及其抑制方法 - Google Patents

一种硅微谐振式加速度计温度误差抑制电极及其抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅微谐振式加速度计温度误差抑制电极及其抑制方法，具体步骤包括：首先在无加速度载荷下进行全温测试，记录谐振频率和温度的数据并建立谐振器输出频率随温度变化的模型；然后根据谐振器输出频率随温度变化的模型，通过谐振器力频函数计算得出谐振器所受轴向力随温度变化的模型；再根据谐振器所受轴向力随温度变化的模型，结合温度误差抑制电极参数，得出温度误差抑制电极的固定梳齿上所需施加的电压随温度变化的模型；通过温度传感器实时测量的敏感结构温度，控制电路根据此温度值输出相应的电压，利用机电结合的办法，实时且精准地进行温度误差抑制。

Description

一种硅微谐振式加速度计温度误差抑制电极及其抑制方法
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)和微惯性技术领域，涉及硅微谐振式加速度计，具体涉及一种硅微谐振式加速度计温度误差抑制电极及其抑制方法。
背景技术
硅微谐振式加速度是一种典型的MEMS惯性器件，其利用谐振器的力频特性将外部加速度信号转化为频率变化的信号进行输出，具有输出为准数字信号、灵敏度高、动态范围宽、抗干扰能力强等优点，可以向更高精度微机电加速度计发展。但是由于硅微谐振式加速度计的检测机理是基于谐振器的力频特性，谐振器对于应力十分敏感，因而温度对其性能的影响较大：一方面硅材料的杨氏模量具有温度系数会导致谐振频率的漂移；另一方面在键合和粘胶的过程中硅、玻璃、陶瓷基底的热胀系数不同引入的应力会随温度变化也会造成敏感结构谐振频率的改变。通常为了解决硅微谐振式加速度计温度稳定性问题，在设计敏感结构时就采用两个在敏感轴方向对称布置的谐振器进行差分，降低温度引起的共模误差，同时放大因加速度产生的频率变化。但是受微加工和封装工艺的影响导致两个谐振器并不能完全对称，两者频率温度系数不等，输出频差还是会随温度产生漂移。
目前，为了抑制硅微谐振式加速度计温度误差，有通过理论计算设计应力补偿结构的方法，但是加工完成后结构尺寸固定，无法调整进而无法弥补加工误差导致的不对称性。还有通过外部温度传感器测量表头温度，在软件算法或硬件电路中进行温度补偿，但由于热传导使得温度传感器测量的温度值与加速度计实际温度之间有一定滞后性，会引起补偿误差。
发明内容
本发明正是针对现有问题，通过在谐振器与锚区连接端上施加轴向力，该轴向力与因温度产生的热应力方向相反，补偿掉因温度而产生的误差，具体步骤包括：首先在无加速度载荷下进行全温测试，记录谐振频率和温度的数据并建立谐振器输出频率随温度变化的模型；然后根据谐振器输出频率随温度变化的模型，通过谐振器力频函数计算得出谐振器所受轴向力随温度变化的模型；再根据谐振器所受轴向力随温度变化的模型，结合温度误差抑制电极参数，得出温度误差抑制电极的固定梳齿上所需施加的电压随温度变化的模型；通过温度传感器实时测量的敏感结构温度，控制电路根据此温度值输出相应的电压，利用机电结合的办法，实时且精准地进行温度误差抑制。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种硅微谐振式加速度计温度误差抑制电极，包括至少两组反向布置的梳齿电极对，
所述梳齿电极对包括可动梳齿、固定梳齿A和固定梳齿B；
所述可动梳齿位于谐振器与锚区的连接端部，可动梳齿分别与固定梳齿A、固定梳齿B呈不等间距设置；
当所述固定梳齿A和固定梳齿B与可动梳齿之前产生静电力时，可分别向谐振器与锚区连接端施加拉压应力，该拉压应力与热应力方向相反。
为了实现上述目的，本发明还采取的技术方案是：一种硅微谐振式加速度计温度误差抑制方法，该方法包括以下步骤：
S1、数据获取：在无加速度输入的情况下，对硅微谐振式加速度计谐振器的输出频率进行测量，记录频率-温度数据，温度范围包括但不限于-40～60℃；
S2、频率-温度模型建立：根据步骤S1获得的频率-温度数据，建立谐振器输出频率随温度变化的模型，记为f(T)，所述数学模型的建立方法包括但不限于数据拟合和神经网络训练；
S3、轴向力-温度模型计算：根据步骤S2建立的谐振器输出频率随温度变化的模型，通过谐振器力频函数计算得出谐振器所受轴向力随温度变化的模型F(T)，所述谐振器力频函数具体为：
Figure BDA0003879555440000021
其中，L为谐振梁长度，E为硅材料杨氏模量，h为结构层厚度，w为谐振梁宽度，f0为谐振器基频，计算方式为：
Figure BDA0003879555440000031
式中，Al为谐振梁的表面积，Af为集中质量的表面积，ρ为硅材料密度，则所述轴向力-温度模型F(T)具体为：
Figure BDA0003879555440000032
S4、电压-温度模型获得：根据步骤S3获得的谐振器所受轴向力随温度变化的模型，温度误差抑制电极产生的静电力与此随温度变化的轴向力方向相反，根据温度误差抑制电极的布置方式，其产生的静电力具体为：
Figure BDA0003879555440000033
其中，N为电极对数量，ε0为相对介电常数，S为极板之间正对面积，则所述电
V(T)温度误差抑制电极的固定梳齿上所需施加的电压随温度变化的模型具体为：
Figure BDA0003879555440000034
S5、温度误差抑制实施：根据步骤S4得出的温度误差抑制电极上所需施加的电压随温度变化的模型，结合与敏感结构封装在同一封装管壳内的温度传感器实时测量的温度，控制电路输出电压施加在温度误差抑制电极上，实现温度误差抑制。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、通过多次测量全温范围内且无加速度输入的情况下谐振器实际输出频率，进而得出所需补偿的轴向力随温度变化的关系，相比理论计算进而进行应力补偿更精准，且能弥补微加工误差的影响。
2、直接在谐振器与锚区连接端施加用于补偿的轴向力，该轴向力仅与温度有关，在抑制温度误差的同时不改变加速度计动态性能；并且，该轴向力是沿谐振梁长度方向，不受谐振器在谐振梁宽度方向振动的影响。
3、温度传感器与敏感结构封装在同一封装管壳内，温度测量实时性较好。
附图说明
图1为本发明的一种硅微谐振式加速度计温度误差抑制方法的方法流程图；
图2为本发明带有温度误差抑制电极的谐振器结构示意图；
图3为本发明实施例3温度误差抑制电极上施加的电压与对应谐振频率变化量曲线图。
附图标记分别为：
1、谐振器；101、惯性力输入端；102、谐振器与锚区连接端；103、可动梳齿；
2、固定梳齿A；
3、固定梳齿B；
4、锚区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
一种硅微谐振式加速度计温度误差抑制电极，可以运用于谐振器上，如图2所示，包括至少两组反向布置的梳齿电极对，所述梳齿电极对包括可动梳齿103、固定梳齿A1和固定梳齿B 2；
所述可动梳齿103位于谐振器与锚区4的连接端部102，可动梳齿103与固定梳齿A1采用不等间距设置，间距分别为g1、g2；可动梳齿103与固定梳齿B2也采用不等间距布置，但间距相反，分别为g2、g1；
通过在谐振器与锚区连接端102上施加轴向力，该轴向力与因温度产生的热应力方向相反，补偿掉因温度而产生的误差。因为是直接在谐振器与锚区连接端施加用于补偿的轴向力，该轴向力仅与温度有关，在抑制温度误差的同时不改变加速度计动态性能；并且，该轴向力是沿谐振梁长度方向，不受谐振器在谐振梁宽度方向振动的影响，实时且精准地进行温度误差抑制。
实施例2
一种硅微谐振式加速度计温度误差抑制方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤S1：在-40～60℃全温范围内且无加速度输入的情况下，对硅微谐振式加速度计谐振器输出频率进行多次测量，此时谐振器输出频率仅与温度有关，记录频率-温度数据；
步骤S2：根据步骤S1所采集到的大量频率-温度数据建立谐振器输出频率随温度变化的数学模型，记为f(T)，建立数学模型的方法包括但不限于数据拟合、神经网络训练等。
步骤S3：根据步骤S2建立的谐振器输出频率随温度变化的模型，通过谐振器力频函数计算得出谐振器所受轴向力随温度变化的模型F(T)，所述谐振器力频函数具体为：
Figure BDA0003879555440000051
其中，L为谐振梁长度，E为硅材料杨氏模量，h为结构层厚度，w为谐振梁宽度，f0为谐振器基频，计算方式为：
Figure BDA0003879555440000052
式中，Al为谐振梁的表面积，Af为集中质量的表面积，ρ为硅材料密度，则所述轴向力-温度模型F(T)具体为：
Figure BDA0003879555440000053
步骤S4：根据步骤S3获得的谐振器所受轴向力随温度变化的模型，温度误差抑制电极产生的静电力与此随温度变化的轴向力方向相反，根据温度误差抑制电极的布置方式，其产生的静电力具体为：
Figure BDA0003879555440000061
其中，N为电极对数量，ε0为相对介电常数，S为极板之间正对面积，则所述电
V(T)温度误差抑制电极的固定梳齿上所需施加的电压随温度变化的模型具体为：
Figure BDA0003879555440000062
温度误差抑制电极包括至少两组反向布置的梳齿电极对，可分别施加拉应力和压应力于谐振器与锚区连接端，用于补偿锚区键合处热膨胀系数不匹配传递到谐振器上的压应力和拉应力。至少两组反向布置的梳齿电极对包括谐振器与锚区连接端上的可动梳齿，固定梳齿A和固定梳齿B。可动梳齿与固定梳齿A采用不等间距布置，间距分别为g1、g2，可动梳齿与固定梳齿B同样采用不等间距布置，但间距相反，分别为g2、g1。
步骤S5：根据步骤S4所得出的温度误差抑制电极上所需施加的电压随温度变化的数学模型V(T)，结合温度传感器实时测量的敏感结构温度值T，控制电路输出电压施加在温度误差抑制电极上,从而实现温度误差抑制。
所述步骤中，温度传感器与敏感结构封装在同一封装管壳内，避免因热传导导致的温度测量滞后性。
本实施例中，控制电路中可包括单片机、DSP、ARM或FPGA等具有数据处理功能的芯片。
上述方法通过在谐振器与锚区连接端上施加轴向力，该轴向力与因温度产生的热应力方向相反，补偿掉因温度而产生的误差，利用机电结合的办法，实时且精准地进行温度误差抑制。
实施例3
以基频为51140Hz的谐振器为例，通过模拟施加温度场进行热应力仿真，以-40℃为温度起始值，其在60℃时频率漂移为+10.4Hz。取g1、g2分别为10μm、2μm，温度误差抑制电极的固定梳齿A和固定梳齿B与可动梳齿重叠部分面积为500*60μm2，电极对数为20，则不同电压下谐振频率变化量与电压关系曲线如图3所示。图3中可看出，在温度误差抑制电极施加的电压为15.8V时，频率变化量为-10.4Hz,即温度误差抑制电极产生的静电力作用在谐振器上可以与因温度变化产生的热应力相反，能精准补偿掉因温度变化导致的谐振频率漂移。
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种硅微谐振式加速度计温度误差抑制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、数据获取：在无加速度输入的情况下，对硅微谐振式加速度计谐振器的输出频率进行测量，记录频率-温度数据；
S2、频率-温度模型建立：根据步骤S1获得的频率-温度数据，建立谐振器输出频率随温度变化的模型，记为f(T)，所述模型的建立方法包括数据拟合和神经网络训练；
S3、轴向力-温度模型计算：根据步骤S2建立的谐振器输出频率随温度变化的模型，通过谐振器力频函数计算得出谐振器所受轴向力随温度变化的模型F(T)，所述谐振器力频函数具体为：
Figure QLYQS_1
其中，L为谐振梁长度，E为硅材料杨氏模量，h为结构层厚度，w为谐振梁宽度，f0为谐振器基频，所述谐振器基频f0的计算方式为：
Figure QLYQS_2
其中，Al为谐振梁的表面积，Af为集中质量的表面积，ρ为硅材料密度，则所述轴向力-温度模型F(T)具体为：
Figure QLYQS_3
S4、电压-温度模型获得：根据步骤S3获得的谐振器所受轴向力随温度变化的模型，温度误差抑制电极产生的静电力与此随温度变化的轴向力方向相反，温度误差抑制电极产生的静电力具体为：
Figure QLYQS_4
其中，N为电极对数量，ε0为相对介电常数，g1、g2分别为可动梳齿与固定梳齿之间的不等间距，S为极板之间正对面积，则所述温度误差抑制电极的固定梳齿
上所需施加的电压随温度变化的模型具体为V(T)：
Figure QLYQS_5
S5、温度误差抑制实施：根据步骤S4得出的温度误差抑制电极上所需施加的电压随温度变化的模型，结合敏感结构实时温度，控制电路输出电压施加在温度误差抑制电极上，实现温度误差抑制。
2.如权利要求1所述的一种硅微谐振式加速度计温度误差抑制方法，其特征在于：所述温度误差抑制电极包括至少两组反向布置的梳齿电极对，
所述梳齿电极对包括可动梳齿、固定梳齿A和固定梳齿B；
所述可动梳齿位于谐振器与锚区的连接端部，可动梳齿与固定梳齿A采用不等间距设置，间距分别为g1、g2；可动梳齿与固定梳齿B也采用不等间距布置，但间距相反，分别为g2、g1；
当固定梳齿A和固定梳齿B与可动梳齿之前产生静电力时，可分别向谐振器与锚区连接端施加拉压应力，该拉压应力与热应力方向相反。
3.如权利要求2所述的一种硅微谐振式加速度计温度误差抑制方法，其特征在于：所述步骤S1数据获取时，温度范围为-40～60℃。
4.如权利要求1所述的一种硅微谐振式加速度计温度误差抑制方法，其特征在于：所述步骤S5中敏感结构实时温度通过与敏感结构封装在同一封装管壳内的温度传感器进行测量。
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