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摘 要

硅微谐振式加速度计的基本特征是输出准数字信号的频率信号，这种频率信号易于检测、抗干扰能力强，在信号的传输和处理过程中不易出现误差。硅微谐振式加速度计是一种具有潜在高性能的MEMS速度计，同时它拥有一般微惯性器件的优点，使其成为MEMS加速度计的重要发展方向之一。温度是影响硅微谐振式加速度计性能的重要因素，本文主要针对硅微谐振式加速度计的温度特性展开研究，完成的主要工作如下：

（1）基本的工作原理研究。阐述硅微谐振式加速度计的工作原理，对谐振器的驱动和频率检测的方法做简单介绍，然后对其加工的具体流程进行简单介绍。

（2）测温电路设计。对测温电路需要用到的运放和测温电阻器件进行对比选择，采用恒流和差分放大电路设计测温电路。

（3）温度特性研究。就温度影响硅微谐振式加速度计性能的机理进行研究，分析零偏和标度因数与温度的关系。对样机进行全温实验和常温实验，根据全温测试数据进行拟合建模，并将补偿模型运用于温变范围小的常温数据中。比较分析温度补偿前后加速度计样机的性能，结果表明：一阶、二阶、三阶拟合模型都能有效改善加速度计的全温性能和常温性能，阶数越高，补偿结果越好。可见温度补偿有效改善了硅微谐振式加速度计样机的整体性能。

关键词：硅微谐振式加速度计；测温电路；铂电阻；温度补偿；

Research on temperature characteristics of silicon micro resonant accelerometer

Abstract

The silicon micro resonant accelerometer has basic characteristic which is the frequency signal of the output quasi digital signal, which is easy to detect and has strong anti-interference ability, and it is not easy to have errors in the transmission and processing of the signal. Silicon micro resonant accelerometer is a high precision sensor equipment, excellent operating performance with the advantages of micro inertia device allows it to play an important role in the development of high precision micro mechanical accelerometer. Temperature is an important factor affecting the performance of silicon micro resonant accelerometer, this paper mainly focuses on the temperature characteristics of silicon micro resonant accelerometer, the main work is as follows:

(1) The basic principle of, this paper discusses the working principle of silicon micro resonant accelerometer. The resonator of the driving and frequency detection method do simple introduction, and then introduces the specific process of the processing.

(2) Design of temperature measuring circuit. Temperature measurement circuit is the need to use operational amplifier and a resistance temperature detector device were compared and selected. Using the constant current and differential amplifier circuit, the design of temperature measurement circuit.

(3) Study on temperature characteristics. The effect of temperature on the performance of silicon micro resonant accelerometer is studied, and the relationship between the zero bias and the scale factor and the temperature is analyzed. The prototype was carried out by the whole temperature experiment and the room temperature experiment, and the model was fitted by the whole temperature test data, and the compensation model was applied to the temperature variation range of the temperature data. Comparative analysis before and after temperature compensation for accelerometer prototype performance. The results show that the first-order, second-order and third-order fitting model can effectively improve the accelerometer temperature performance and temperature performance, the higher order, the compensation results better. Visible temperature compensation can effectively improve the overall performance of silicon micro resonant accelerometer.

Key words: silicon micro resonant accelerometer; temperature measurement circuit; platinum resistance; temperature compensation;

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文的研究目的和主要研究内容 3

第二章 硅微谐振式加速度计工作原理 5

2.1 硅微谐振式加速度计工作原理 5

2.1.1 硅微谐振式加速度计原理简介 5

2.1.2 谐振器驱动和频率检测方法 5

2.2 SOA 加工工艺 6

2.3 本章小结 7

第三章 测温电路设计 8

3.1 器件选择 8

3.1.1 运算放大器选择 8

3.1.2 测温器件选择 8

3.2 测温电路的设计 9

3.2.1 恒流源设计 9

3.2.2 差分放大电路设计 10

3.2.3 滤波和输出采集电路 11

3.3 电路板制作 11

3.4 本章小结 12

第四章 硅微谐振式加速度计的温度特性研究 13

4.1 温度影响机理 13

4.1.1 材料特性的影响 13

4.1.2 残余应力的影响 14

4.2 温度补偿方案比较 14

4.2.1 控制加速度计工作环境温度 14

4.2.2 建立加速度计温度模型 14

4.2.3 加速度计的热设计 14

4.2.4 设计加速度计温度补偿结构 15

4.3 温度实验 15

4.3.1 全温零偏测试 16

4.3.2 全温标度因数测试 16

4.3.3 常温零偏稳定性测试 16

4.3.4 常温标度因数稳定性测试 16

4.4 温度补偿研究 17

4.4.1 零偏补偿方案 17

4.4.2 标度因数拟合 19

4.5 本章小结 20

总结 21

致谢 22

参考文献 23

附录1 25

1. 绪论
2. 引言

硅微谐振式加速度计（SOA）做为微机械加速度计的研究热门之一，它不仅具有MEMS器件成本低、功耗低、体积小等优点，而且输出信号为准数字信号的频率信号。其具有强抗干扰能力、高稳定性和高分辨率的特点，在航空航天、军事、工业上都有着广泛应用前景^[1]。硅微谐振式加速度计输出的是与加速度相关的频率，能有效减少环境噪声的影响。目前，硅微谐振式加速度计深受多个研究机构的重视并在研究上取得了巨大的进展，主要的研究机构遍布全球，例如Draper实验室、首尔大学、法国国家航天航空中心和国内的诸多大学和研究所等。

硅等半导体材料对温度比较敏感，由于材料热膨胀系数的不同，会在加工和使用过程的过程中引入应力，这些应力影响整表性能。再者，温度变化会导致硅的材料参数会发生改变，从另一个方面也会带来误差。总的来说，温度误差是硅微谐振式加速度计的主要误差源之一，提高硅微谐振式加速度计的温度适应性有助于提高加速度计的整体性能。

1. 国内外研究现状

微机械加速度计出现在1977年，国外的研究机构主要有Stanford University、加州大学伯克利分校和 Draper 实验室等^[2]，硅微谐振式加速度计是微机械加速度计热门发展方向之一，在国内外均有研究的机构。

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