高精度硅微谐振式加速度计

为满足国内对微小型惯性元件与系统的需求，迫切希望研发一种高精度的微型加速度计。硅微谐振式加速度计除了具有普通硅微传感器的优点外，还具有频率信号输出，易于与处理电路集成，抗干扰能力强、分辨率和测量精度高等优点。为此，本课题对高精度硅微谐振式加速度计的工作机理和结构优化设计、低应力加工工艺、高稳定性低相角噪声振荡回路和高分辨率低噪声频率测量模块、高真空高稳定低应力封装等关键技术进行深入研究，最终研制出具有一定性能的实验室原理样机。该项目的特色与创新之处：两谐振器静态固有频率设计有一定频差，克服了常规无频差设计所引起的测量精度和线性度下降的缺点；对微结构进行健壮性优化设计，在加工成本不变的条件下，尽可能地提高性能及其稳定性；针对谐振器闭环谐振控制回路这一非线性系统，采用平均分析方法来分析该回路，为结构和电路参数的优化设计和仿真提供理论依据。本项目的研究成功将能大大扩展微惯性传感器的应用领域。

为满足国内对微小型惯性元件与系统的需求，迫切希望研发一种高精度的微型加速度计。硅微谐振式加速度计除了具有普通硅微传感器的优点外，还具有频率信号输出、易于与处理电路集成、抗干扰能力强、分辨率和测量精度高等优点。项目围绕硅微谐振式加速度计的工作机理和结构优化设计、加工工艺、真空封装、驱动电路和频率测量方法展开了深入研究，取得的主要成果如下：（1）项目组结合多年的研究积累，自主研发设计了一体式差分、不等基频、分体式差分三种硅微谐振式加速度计结构，经过分析比较最终确定了分体式差分结构形式作为样机的结构。该结构采用完全对称分布的两个谐振器，构成差分结构，可以使加速度计的标度因数翻倍；两个谐振器各自拥有独立的质量块，通过隔离质量块来切断机械耦合的通道，克服了一体式差分结构所引起的零位附近测量精度和线性度下降的缺点；同时该结构也弥补了不等基频结构因两个谐振器尺寸不一致所导致的抑制温度等因数引起的共模误差效果下降的不足。（2）在此基础上，对硅微谐振式加速度计的结构进行了健壮性优化设计，改善了加工误差对谐振器对称性的影响。（3）对封装过程中的应力特性进行了详细研究，并提出了相应的应力减小措施。（4）完成了硅微谐振式加速度计测控电路技术研究，提出了基于锁相环和自动增益控制的硅微谐振式加速度计闭环驱动电路方案，采用平均分析方法来分析谐振器闭环谐振控制回路这一非线性系统，为结构和电路参数的优化设计和仿真提供了理论根据；对比分析了多种方波频率测量方法，结合硅微谐振式加速度计频率测量实际需求，采用了基于延时链的频率测量方法，并基于FPGA实现了该频率测量方法。（5）完成了硅微谐振式加速度计原理样机的组装、调试和系统性能试验，样机性能优于预期目标。说明本课题提出的研究思路和技术路线是可行的。