硅微谐振式加速度计的实现及性能测试VIP专享VIP免费

第18卷第l2期2010年12月光学精密工程OpticsandPrecisionEngineeringVol|18NO．12Dec．2O1O文章编号1004—924X(2010)12-2583—07硅微谐振式加速度计的实现及性能测试石然，裘安萍，苏岩(南京理工大学MEMS惯性技术研究中心，江苏南京210094)摘要：为了提高硅微谐振式加速度计性能，从一种基于DDSOG(DeepDrySilicononGlass)工艺的硅微谐振式加速度计样机人手，介绍了加速度计的结构、加工方法和接口电路。该谐振式加速度计结构包括敏感质量块、谐振器和微杠杆3部分，采用差动结构来减小共模误差的影响。接口电路中采用了自动增益控制电路来稳定谐振器的振幅，成功实现了谐振器的闭环自激振荡和频率检测。分析了谐振式加速度计频率输出与加速度输人的关系，测试了硅微谐振式加速度计样机性能，结果为量程±50g，标度因数143Hz／g，零偏稳定性1．2mg，零偏重复性0．88mg，阈值170g。文章最后提出，DDSOG工艺中采用的玻璃材料和硅材料温度系数不同，影响了加速度计的温度特性，因此需要进步一改进加工工艺。关键词：硅微谐振式加速度计；谐振器；差动结构；DDS()G中图分类号：TH824．4文献标识码：Adoi：10．3788／OPE．20101812．2583ImplementationandexperimentsofmicromechanicaldifferentialsiliconresonantaccelerometerSHIRan，QIUAn—ping，SUYan(MEMSInertialTechnologyResearchCenter，NanjingUniversityofScienceandTechnology，Nanjing210094，China)Abstract：ToimprovetheperformanceofMEMSaccelerometers，amicromechanicalSiliconResonantAccelerometer(SRA)prototypefabricatedbyDeepDrySilicononGlass(DDSOG)processwasintro—duced，andsomeexperimentsfortheaccelerometerwereperformed．Thestructure，processingmeth—odsandtheinterfacecircuitofSRAwerediscribedindetail．TheSRAadoptedthedifferentialstrue—turecomposedoftWOidenticalresonatorstoeliminatecommonmodeerrors，andusedthemicrolevermechanismtomagnifythescalefactor．AninterfacecircuitusingtheAutomaticGainControl(AGC)circuitwasdesignedtomaintaintheoscillatorstability，whichcoulddrivetheresonatortoachieveself_oscil1ationandtodetectthefrequencyoutput．TherelationbetweeninputaccelerationandSRAfrequencyoutputwasresearchedandtheperformanceparametersoftheprototyperesonantacceleram—eterweretested．Thetestresultsshowtheseperformanceparameterstobethesensitivityin143Hz／g，inputrangein±50g，biasstabilityin1．2mg，biasrepeatabilityin0．88mgandthethresholdin170／xg．Moreover，itisfoundthatthetemperaturecoefficientofglasssubstrateislargerthanthatof收稿日期：201O03—12；修订日期：2010—0528．基金项目：国家部委基金资助项目(No．9140A09022309BQ0221)光学精密工程第18卷thesiliconstructureintheDDSOGprocess，whichaffectsthebiastemperaturesensitivityofresona—tors．Therefore，itpointsoutthattheprocessingmethodshouldbeimprovedfurther．Keywords：SiliconResonantAccelerometer(SRA)；resonator；differential；DeepDrySilicononGlass(DDSOG)l引言硅微谐振式加速度计是以微机械加工工艺为基础制作的MEMS惯性器件，它通过检测谐振器谐振频率的变化来敏感加速度的大小。相对于传统加速度计，硅微谐振式加速度计具有量程范围大，分辨率高、稳定性好、体积小、质量轻等特点。由于其输出为频率信号，便于检测和数字化系统集成，应用较为广泛，因此很多研究机构都在积极开展这项技术的研究。目前，关目在谐振式加速度计方面处于领先地位。据报道，Draper实验室研发的谐振式加速度计性能已达到战略级，零偏稳定性和标度因数稳定性分别为5g和3×10[】。Honeywell公司的SA500谐振式加速度计零偏稳定性和分辨率为4mg和50g。韩国首尔大学研制的基于混合微加_T技术的硅微谐振式加速度计零偏稳定性也已经达到5．2肚gj。国内很多机构也正致力于这方面的研究，并取得了一定的成果。本文详细阐述了作者研发的一种基于DDS()G(DeepDrySilicononGlass)...