提高硅微振梁加速度计温度环境适应性的理论与方法研究

Silicon vibrating beam accelerometer (SVBA) is a kind of high precision accelerometer fabricated by MEMS technology. At present, its noise level has achieved several μg under laboratory conditions, but when the environmental temperature change, the SVBA output signal drift could be found and the output precision magnitude could reduce 3-4 orders. The problem of temperature environment adaptability has become the key issue of limiting the application of the SVBA. To break through the problem, this project puts forward two key points: ① Precise measurement of relative temperature variation on the structure of chip; ② Full understanding of the inherent law of temperature environment influence on performance of SVBA. First, study the inherent law between temperature and SVBA performance, establish a quantitative and accurate theoretical model; then make the following research including resonator-based temperature measurement method and MEMS chip temperature gradient measurement method; at last study the real time temperature compensation method and realize the real-time & on-line temperature compensation. Finally, this project could form a complete set of theories and methods, and be expected to improve the temperature environment adaptability of SVBA greatly, and then make the performance of SVBA in variable-temperature environment equals to room-temperature.

硅微振梁加速度计是一种采用MEMS工艺制造的高精度加速度计。目前在实验室条件下它的噪声水平已经达到μg的量级，但是当温度环境变化时加速度计会产生输出漂移现象，导致的精度下降可达3～4个数量级。硅微振梁加速度计的温度环境适应性问题成为制约其应用的关键问题。本项目提出两个关键点来实现对该问题的突破：①结构芯片处温度相对变化量的精确测量；②温度环境对硅微振梁加速度计性能影响内在规律的充分认识。首先研究基于谐振器的温度测量方法和MEMS芯片上温度梯度的测量方法，实现对加速度计振梁处温度的精确实时测量；然后研究温度因素与振梁加速度计性能的内在规律，建立定量化、精确化的理论模型；最后研究实时温度补偿方法，实现“测温-补偿”过程的在线与实时处理。本项目最终形成一套完整的理论与方法，预计可以大幅提高硅微振梁加速度计的温度环境适应性，使其在变温环境下性能与常温性能相当。

硅微振梁加速度计是一种采用MEMS工艺制造的高精度加速度计，目前在实验室条件下它的噪声可以达到μg量级，温度变化导致的漂移会使得偏值精度下降3~4个数量级，温度误差严重制约了加速度计的性能，限制了应用，成为一个需要深入研究的关键问题。本项目以国内SOI高深宽比刻蚀工艺和圆片级真空封装技术为基础，采用能量耗散概念，设计了标度因数200Hz/g的硅微振梁加速度计结构和独立双端固支谐振器作为测温单元，采用陶瓷封装和贴片胶技术对MEMS进行了封装，设计了CMOS专用测控电路芯片，形成了一套完整的样机。研究了双端固支谐振器、加速度计谐振器，谐振器品质因数、铂电阻四种温度测量方法，从多个角度进行了比较。研究了谐振器固有频率与标度因数的温度误差来源和影响因素，包括硅材料杨氏模量，热膨胀系数，工艺应力，封装应力和PCB应力，从量化的角度明确了它们对谐振器温度系数的影响。给出了所研制加速度计在常温、定点恒温、斜坡升降温等典型温度环境下的温度测试数据。最后提出了低温度敏感度结构设计技术、封装管壳设计技术、超低功耗振荡电路设计技术和温度补偿技术。通过本项目的研究，确定了工艺误差、加工与封装应力是加速度计谐振器频率温度系数和加速度计整表温度误差的主要来源。从理论和实验层面，研究和验证了双端固支谐振器作为片上应力测量传感器的可行性和精度，为测量与抑制应力提供了方法。通过本项目给出的降低温度误差设计原则，可以有效的帮助设计低温度误差硅微振梁加速度计。