微加速度计温度特性及敏感元件自恒温方案

微加速度传感器是一种重要的力学量传感器,是最早受到研究的MEMS ( micro electro mechanical system)惯性传感器之一。随着对微加速度计原理研究的深入以及工艺实现的多样化,微加速度传感器的种类日渐繁多,各种应用于不同场合下的微加速度计层出不穷,对微加速度计的研究也越来越受到人们的重视[1]。

在微加速度计的使用过程中,环境参量影响着加速度计的使用精度和测试精度,如环境参量中的温度、磁场、压力、湿度、振动、噪声等,其中温度是最重要的误差源之一[2],也是目前其工程化的一个关键难题。本文在对加速度计闭环系统各个部分进行分析和实验的基础上,针对加速度计温漂的主要来源采用了局部温控和温度补偿相结合的方案[3-6]。

1　微加速度计各部分的温度特性

梳齿式微加速度计闭环系统主要由敏感元件、信号检测电路、校正环节和力矩器组成。系统的温漂来自几个方面: 1)梳齿式结构中等效电容差的温漂,用ΔX(T)表示; 2)电容检测电路的温漂,即载波、二极管解调电路以及差分放大器的温漂,用ΔVdc(T)表示; 3)校正网络的温漂,用ΔVo(T)表示,如图1所示。

1.1　敏感元件结构与温度特性分析

梳齿式微加速度计敏感元件的结构如图2所示。敏感元件是一个MEMS的双侧梳齿结构。这种敏感元件的敏感轴与基片平行,检测质量块形状为“H”形。“H”形的四根细梁将检测质量固定于基片上。检测质量可以自由地沿垂直于细梁的方向运动。因检测及加力电路的需要,在每两个相邻的动指之间有一个定齿。固定电极形状为“T”和“L”形。动齿由中央质量杆(齿枢)向外侧伸出,每个梳齿为可变电容的一个活动电极。固定齿与活动齿交错配置。

梳齿式微加速度计敏感元件的定齿和动齿形成差动电容对。当受到加速度作用时,敏感元件的支持框架从平衡位置发生移动,因此差动电容对中的一个电容值增大,另一电容值等量减小。通过电路感知差动电容量的变化就可以知道加速度的大小。

温度变化会引起物体的膨胀或者收缩。不同材料的膨胀系数并不相同。动齿的材料是硅,而定齿是硅材料键合在与硅的膨胀系数非常接近的玻璃基片上。这样动齿和定齿的膨胀系数不完全相同,就会产生动齿和定齿间距尺寸的变化,从而使得零位和标度因子随着温度改变而改变。

除此之外两侧悬臂梁的刚度不可能完全相等,这样就会造成动齿并不从中心位置开始变化,两侧的齿间隙变化将不对称,导致输出零位的漂移。敏感元件是一个微小的纯机械结构,因此不能直接观察温度变化时敏感元件的结构上的变化,只能通过后续电路加速度计的输出来判断敏感元件的温度特性。