基于芯片级温控的硅微陀螺仪温度误差校正理论与试验研究

如何降低甚至消除硅微陀螺仪工作中热量累积及环境温度变化对硅微陀螺仪性能的影响，使之能进入工程应用，是当前微惯性测量技术领域研究的热点和难点之一。考虑到硅微陀螺仪低成本、小体积、集成化生产要求，通过改进微陀螺芯片的结构和工艺或通过硬件电路和软件算法进行误差补偿，很难明显降低或消除微硅陀螺仪温度误差。本课题采用芯片级温控技术来校正微陀螺仪温度误差，它利用集成在芯片上的微型控温器对陀螺敏感结构芯片进行恒温控制，具有响应时间短、灵敏度高、温度惯性小、功耗低、重复性和温度均匀性好，且易于集成。该课题基于对微陀螺敏感结构芯片的温度误差分析、建模和试验，研究芯片级温控中控温温度、精度、均匀性和时常数等对陀螺仪温度性能指标影响机理；研究微型控温器形状、阵列及布置方式对实现微观尺度大面积均温特性影响机理；研究集成芯片的结构设计和加工工艺；研究芯片级温控电路和补偿算法。

研究了陀螺的谐振频率、阻尼系数、品质因数、驱动振幅和检测振幅与温度的理论关系，并进行微陀螺温度特性的仿真分析和温度性能试验，为后续芯片温控陀螺设计奠定理论基础。引入传导、对流和辐射三种热传输理论模型，建立了单质量芯片级温控陀螺的热传导模型，分析结果表明在0.084W功耗时，单质量芯片级温控陀螺可以达到60℃；进行温度均匀性仿真，仿真结果表明双质量芯片级温控陀螺的在电压6V加热时温度在41℃左右，结构最大温差为0.57℃，达到了温度均匀性控制的要求。根据微陀螺的具体形状和特性，以及芯片级温控要求，提出两种芯片级温控陀螺方案，通过方案比较，选定了基于SOG工艺的封闭薄膜型芯片级温控设计方案，综合考虑功耗、响应时间和温度均匀性，设计单质量和双质量温控陀螺的结构、尺寸和加工工艺，同时对芯片级温控进行了热力学理论分析和仿真验证。建立了芯片级温控的加热电压—测温系统模型，对芯片级温控系统进行了设计和仿真，分别对基于集成温度传感器检测和基于微陀螺驱动模态频率控制的温控系统进行了设计和仿真；设计实现了模拟硬件电路设计和基于FPGA的芯片级温控温补数字控制电路。对芯片级温控陀螺进行了测试，测试结果表明在0-40oC变温条件下，双质量芯片级温控的频率控制精度达到了8.27×10-4Hz，实现了微陀螺结构0.0084oC的芯片级温度控制精度；在芯片级温控温补条件下，双质量芯片温控陀螺样机的标度因数温度系数的减小了136.7倍，而零偏温度系数减小60.2倍，极大的提高了微陀螺样机的温度性能，证明芯片级温控温补技术是可行的。