硅微谐振式加速度计的温度效应及补偿

　　基于双端固定音叉( double ended turning forks，DETF) 结构[1]的硅微谐振式加速度计是微传感器的研究热点之一，是一种将加速度信号转化为谐振器谐振频率的 MEMS 微惯性器件，主要用于导弹制导和潜艇导航等准确性和稳定性要求较高的系统中. 硅微谐振式加速度计通过检测谐振频率的变化得到检测信号，其结构大多采用差分形式，具有体积小、重量轻、成本低、易加工、大量程、精度高、稳定性好等优点. 目前Draper 实验室研制了硅微谐振式加速度计，其实验室测试的零偏稳定性和标度因数稳定性可达 1 μg 和10- 6量级[2]. 国内多所高校及研究机构都对谐振式加速度计进行了研究，并取得了很大进展.

　　温度误差是影响谐振式微加速度计性能的关键性误差源，主要来源于结构、材料、电路以及外界干扰. 其中表头的结构和材料引起的误差起主导作用. 温度变化会引起谐振器弹性模量的改变，也会引起谐振器几何尺寸的改变，从而影响硅微谐振式加速度计的性能.本加速度计采用 DDSOG( deep dry silicon on glass) 工艺，加工过程中会产生残余热应力，且温度对谐振器的残余应力会产生影响. 因此，对其温度特性进行理论分析、仿真实验以及相应的温度补偿，对提高其精确度和稳定性、拓展其应用领域和适用范围有重要的现实意义. 本文对硅微谐振式加速度计进行了零偏和标度因数的温度实验，从表头结构出发，对硅微谐振式加速度计的温度影响机理进行了研究，并提出了相应的温度补偿措施，为后续性能的改善指明了方向.

　　1 硅微谐振式加速度计温度实验

　　1. 1 理论与仿真参数

　　硅微谐振式加速度计主要由 DETF、梳齿结构、力放大机构( 微杠杆结构)[3-5]、质量块和支撑结构等部分组成，其结构示意如图 1 所示. 质量块在加速度作用下产生惯性力( ma) ，该作用力经微杠杆结构[4]放大 n倍后传递到 DETF 谐振器上，使得 DETF 谐振梁的频率发生变化，通过检测谐振频率变化量即可得到加速度值. 为降低干扰，提高测量精度，谐振器结构采用两个对称分布的 DETF 结构，当有加速度输入时，一个受张力，一个受压力，它们的谐振频率分别增加和减小.经过信号差分处理，可得到它们的差动频率，在一定输入加速度范围内，其值与输入加速度值成正比关系. 在不考虑残余应力的理想情况下，理论计算得到的谐振器工作模态频率( 无载荷) 为 28 537 Hz; 图 2( a) 所示为 FEA 仿真得到的无载荷作用下的谐振器振动情况，其谐振频率为 28 499 Hz. 在 1g 加速度载荷作用下，理论计算得到的标度因数为 100 Hz/g; 图 2( b) 所示为FEA 仿真得到的不同加速度作用下的谐振器频率，计算其标度因数为 95 Hz/g，与理论值吻合.