检索结果-内蒙古大学图书馆

光学精密工程 2010年第12期18卷 2583-2589页

作者：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

为了提高硅微谐振式加速度计性能,从一种基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手,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... 详细信息

为了提高硅微谐振式加速度计性能,从一种基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手,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入的关系,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143 Hz/g,零偏稳定性1.2 mg,零偏重复性0.88 mg,阈值170μg。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 DDSOG

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硅微谐振式加速度计的谐振器非线性振动调节与抑制方法

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中国惯性技术学报 2021年第5期29卷 637-642页

作者：张晶朱欣华苏岩南京理工大学机械工程学院南京210094

在高精度微型惯性制导系统的应用中,基于MEMS工艺制造的硅微谐振式加速度计(SRA)由于其较大的线性量程和较低的控制环路噪声,更容易实现高精度,逐渐成为研究热点。研究发现,SRA高Q值设计的特点使得谐振器极易受到非线性振动的影响,进一... 详细信息

在高精度微型惯性制导系统的应用中,基于MEMS工艺制造的硅微谐振式加速度计(SRA)由于其较大的线性量程和较低的控制环路噪声,更容易实现高精度,逐渐成为研究热点。研究发现,SRA高Q值设计的特点使得谐振器极易受到非线性振动的影响,进一步产生幅频耦合效应导致SRA的幅度噪声耦合到频率输出噪声,恶化SRA的零偏不稳定性,因此在设计时应尽量避免谐振器非线性振动的干扰。分别从驱动力控制和谐振器的结构设计两个方面对谐振器非线性振动进行了理论分析,在此基础上提出特定Q值与结构下改变谐振器边界条件的方法,将非线性刚度降低为原来的41%,线性振动的最大振幅提升为原来的2.6倍。最后设计实验验证了谐振器的非线性刚度和幅频响应,理论模型与实验值误差小于15%。

关键词：硅微谐振式加速度计非线性振动非线性刚度幅频响应

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硅微谐振式加速度计驱动电路参数优化

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光学精密工程 2014年第6期22卷 1500-1506页

作者：赵健苏岩赵阳夏国明南京理工大学MEMS惯性技术研究中心江苏南京210094

将遗传算法与低频模型相结合,提出了一种快捷的驱动电路设计方法,用于提高低功耗硅微谐振式加速度计模拟驱动电路的瞬态性能,并缩短设计周期。该方法通过对闭环驱动电路模型进行高低频解耦,提取闭环驱动电路的低频模型;将提取的低频模... 详细信息

将遗传算法与低频模型相结合,提出了一种快捷的驱动电路设计方法,用于提高低功耗硅微谐振式加速度计模拟驱动电路的瞬态性能,并缩短设计周期。该方法通过对闭环驱动电路模型进行高低频解耦,提取闭环驱动电路的低频模型;将提取的低频模型与遗传算法相结合,给出完整的优化方法,得到了满足各项实际约束的最优电路参数。针对某型硅微谐振式加速度计,建立了SIMULINK低频仿真模型,根据实际情况制定了约束条件。应用该方法求出了系统启动速度最快的PI控制器的参数,并对其进行了实验验证。起振实验结果表明,采用优化参数可使超调量小于50%,相位误差小于5°,1%调节时间从优化前的0.42s减少到优化后的0.19s,实验与仿真误差小于5%。得到的结果证明提出的方法正确有效,具有可实施性。

关键词：硅微谐振式加速度计闭环驱动遗传算法非线性系统

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硅微谐振式加速度计2种谐振结构比较

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清华大学学报（自然科学版） 2010年第11期50卷 1825-1828页

作者：董景新曹宇万蔡辛胡淏清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室北京100084

硅微谐振式加速度计多采用双端固定音叉(DETF)作为谐振结构,而传统的单根振梁结构也具有其独特优势。该文通过理论分析、有限元仿真和实验验证,给出了2种谐振结构的比较结果:单根振梁结构的标度因数约为DETF的1.76倍;随着工作环境气压... 详细信息

硅微谐振式加速度计多采用双端固定音叉(DETF)作为谐振结构,而传统的单根振梁结构也具有其独特优势。该文通过理论分析、有限元仿真和实验验证,给出了2种谐振结构的比较结果:单根振梁结构的标度因数约为DETF的1.76倍;随着工作环境气压的增大,DETF结构的机械品质因数Q从单根振梁结构的1.95倍(气压为0.01 Pa)减小至1.12倍(气压为86.8 Pa)。此外,由于国内现有微加工工艺限制,加工得到的DETF结构2根振梁的谐振频率存在一定误差,给外围电路的设计造成了一定困难。

关键词：微机电系统硅微谐振式加速度计谐振结构双端固定音叉标度因数机械品质因数

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硅微谐振式加速度计的温度效应及补偿

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纳米技术与精密工程 2012年第3期10卷 215-219页

作者：裘安萍董金虎南京理工大学MEMS惯性技术研究中心南京210094

零偏和标度因数稳定性是衡量加速度计性能的两个重要参数.为了降低硅微谐振式加速度计的温度敏感性,对其温度影响机理进行了深入研究.通过温度实验发现,硅微谐振式加速度计的零偏和标度因数与设计理论参数有较大区别,且都具有较大的温... 详细信息

零偏和标度因数稳定性是衡量加速度计性能的两个重要参数.为了降低硅微谐振式加速度计的温度敏感性,对其温度影响机理进行了深入研究.通过温度实验发现,硅微谐振式加速度计的零偏和标度因数与设计理论参数有较大区别,且都具有较大的温度灵敏度,分别为0.72 g/℃和1.5℃-1.对弹性模量和谐振器应力与谐振器频率的关系进行了理论计算和FEA仿真验证,其中弹性模量引起的谐振频率-温度灵敏度为-0.7 Hz/℃,谐振器应力引起的谐振频率-温度灵敏度为180 Hz/℃.阐述了加工过程中键合应力产生的原因以及键合应力与谐振器残余应力的关系,发现谐振器应力是造成加速度计输出随温度漂移的主要因素.提出了一种隔离残余应力的隔离梁的设计方案,可使零偏温度灵敏度降至-35 Hz/℃,为温度补偿指明了方向.

关键词：硅微谐振式加速度计温度灵敏度残余应力温度补偿

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硅微谐振式加速度计关键技术研究

硅微谐振式加速度计关键技术研究

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作者：石然南京理工大学

学位级别：博士

硅微谐振式加速度计是基于MEMS（Micro Electric-Mechanical System）技术的一种微惯性器件，通过检测谐振器频率的变化来敏感加速度大小。它具有体积小、功耗低、集成度高、动态范围大等特点，具备在高精度导航领域替代传统的摆式积分... 详细信息

硅微谐振式加速度计是基于MEMS（Micro Electric-Mechanical System）技术的一种微惯性器件，通过检测谐振器频率的变化来敏感加速度大小。它具有体积小、功耗低、集成度高、动态范围大等特点，具备在高精度导航领域替代传统的摆式积分陀螺加速度计的潜力，自上世纪90年代以来一直处于快速发展中，是各国研究热点之一。\n 然而对比国内外研究现状可以发现，目前国内研制的硅微谐振式加速度计在稳定性指标上仍与国外领先水平存在一定差距。为此本文以课题组自主设计的硅微谐振式加速度计为研究对象，对其进行了重新设计及优化，以进一步改善性能、提升稳定性指标。\n 论文首先构建了硅微谐振式加速度计机械敏感结构的理论模型，分析了谐振器、微杠杆以及敏感质量块的工作机理，并结合结构参数推导出了加速度计的主要性能指标。其中，深入研究了微杠杆结构，构建了精度更高的微杠杆模型，并在模型中首次考虑了切向力的影响，将输入梁、支撑梁和输出结构的转角均划分为弯矩导致的转角和切向力导致的转角进行分析，提高了杠杆放大倍数的理论精度。\n 其次，构建了硅微谐振式加速度计振荡器系统的相位噪声模型，研究了相位噪声的主要成因，建立了加速度计关键参数与相位噪声的函数关系。重点分析了振荡器中的自动增益控制电路对低频段相位噪声（1/f3相位噪声与1/f5相位噪声）的影响，阐述了自动增益控制电路导致的1/f3相位噪声对加速度计分辨率性能的制约，并依据相位噪声的研究结论完成了振荡器的参数优化。最后通过实验对比验证了相位噪声模型的准确性，相对于前人的工作，本文中构建的相位噪声模型在低频段噪声的预测上更加准确。\n 第三，研究了适用于硅微谐振式加速度计的Σ△PLL高分辨率频率测量方法。该方法结构形式上类似于传统的PLL电路，但采用计数器替代了VCO，避免了VCO所带来的额外的相位噪声、非线性和温度敏感性。又因其传递函数是Σ△调制解调器结构形式，计数器带来的量化噪声被调制到高频区域，提高了带宽范围内的测频分辨率。实验结果表明Σ△PLL测频电路在100Hz带宽内的分辨率为11.5μg，和振荡器构成的加速度计整体系统在100Hz带宽内的分辨率为147.8μg。\n 第四，从材料力学、阻尼、加工及封装应力三个方面分析了温度误差对于硅微谐振式加速度计的影响，完成了温度误差的理论建模，在此基础上提出了一种新的温度自补偿方法。温度误差的理论建模表明，工艺过程引入的残余应力所产生的温度误差是限制硅微谐振式加速度计性能进一步提高的关键误差源。围绕残余应力所产生的温度误差，结合圆片级真空封装工艺过程，进行了圆片的应力模拟分析以及对加速度计的影响分析，并通过实验验证了分析的正确性。在深入分析现有温度误差补偿方法所存在问题和硅微谐振式加速度计自身特点的基础上，提出的新的温度自补偿方法无需温度传感器，而是利用加速度计的差动结构，从两个谐振器频率中直接解算出未受温度误差影响的输入加速度值，因此避免了温度传感器与谐振器的空间位置以及热惯性不同所引起的测温误差。实验证明该方法能够将零偏和标度因数的温度灵敏度降低到补偿前的1％左右。\n 最后完成了振荡器、Σ△PLL测频电路和温度自补偿电路的设计和制作，构成了硅微谐振式加速度计整表，并根据IEEE加速度计测试标准对加速度计整表进行了综合性能测试。测试结果显示，经本文优化设计的加速度计整表的零偏和标度因数的温度灵敏度分别为0.01mg/℃和11.01ppm/℃，1σ零偏稳定性达到65μg，较优化设计前的硅微谐振式加速度计性能有了明显提高。

关键词：硅微谐振式加速度计微杠杆结构分析相位噪声模型频率测量温度误差电路设计

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小型化硅微谐振式加速度计的实现与性能测试

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光学精密工程 2016年第8期24卷 1927-1933页

作者：赵健施芹夏国明裘安萍吴志强苏岩南京理工大学MEMS惯性技术研究中心南京210094

设计了一款由微机电系统和专用集成电路构成的小型化硅微谐振式加速度计。该加速度计采用80μm厚SOI工艺加工微机电系统(MEMS)结构,采取真空封装技术降低结构噪声。首先,采用振荡信号作为自动增益控制电路中斩波器的控制信号,降低了闪... 详细信息

设计了一款由微机电系统和专用集成电路构成的小型化硅微谐振式加速度计。该加速度计采用80μm厚SOI工艺加工微机电系统(MEMS)结构,采取真空封装技术降低结构噪声。首先,采用振荡信号作为自动增益控制电路中斩波器的控制信号,降低了闪变噪声且不会引入额外的功耗。其次,使用线性区工作的乘法器取代传统的吉尔伯特单元,通过大幅降低系统总体供电电压来降低功耗。最后,采用复位计数器进行频率数字转换,在所关心的带宽内抑制量化噪声。实验显示:该加速度计在达到±30 g线性量程的前提下,实现了2.5μg/√Hz的分辨率和1μg的零偏不稳定度。此外,为了减小电路自身发热引起的温度漂移,该样机的功耗被控制在3.5mW以内,系统集成后的尺寸约为45mm×30mm×20mm。基于所述技术,系统在体积、功耗和性能方面均有较大的提升。

关键词：硅微谐振式加速度计专用集成电路 SOI工艺真空封装小型化低功耗

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微杠杆在硅微谐振式加速度计中的应用

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光学精密工程 2011年第4期19卷 805-809页

作者：石然姜劭栋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

从基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手,阐述了加速度计中微杠杆结构对惯性力的放大作用,证明了标度因数与系统放大倍数n为正比关系,并以加速度计样机中的单级微杠杆为例,建立了加速度计的理论模型... 详细信息

从基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手,阐述了加速度计中微杠杆结构对惯性力的放大作用,证明了标度因数与系统放大倍数n为正比关系,并以加速度计样机中的单级微杠杆为例,建立了加速度计的理论模型。推导了微杠杆的放大倍数A和轴向刚度K的计算公式,以此为基础导出了加速度计系统放大倍数n的计算方法。依据公式计算得到加速度计样机的系统放大倍数n的理论值为21.820,并用有限元方法对理论值进行了仿真验算,得出n的仿真值为19。最后对加速度样机进行了实际测试,测得加速度计的标度因数为127.33Hz/g,系统放大倍数n为25.466。对所得结果的比较表明,系统放大倍数的理论值与仿真值及实验值的误差分别为14.8%和14.3%,误差在可接受范围内。

关键词：硅微谐振式加速度计微杠杆放大倍数

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硅微谐振式加速度计机械系统关键技术及精确理论建模研究

硅微谐振式加速度计机械系统关键技术及精确理论建模研究

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作者：黄锦阳南京理工大学

学位级别：博士

硅微谐振式加速度计作为现代惯性导航与制导系统的核心组件，相比较传统加速度计，具有体积小、重量轻、功耗低、批量化制备等优点，同时其潜在精度可达0.1μg，因此无论是在民用市场还是军用领域，硅微谐振式加速度计都具有非常广阔的... 详细信息

硅微谐振式加速度计作为现代惯性导航与制导系统的核心组件，相比较传统加速度计，具有体积小、重量轻、功耗低、批量化制备等优点，同时其潜在精度可达0.1μg，因此无论是在民用市场还是军用领域，硅微谐振式加速度计都具有非常广阔的应用前景。经过近 20 年的发展，硅微谐振式加速度计可实现常温＜10μg 的零偏稳定性和＜10ppm 的标度因数稳定性，但是其全温特性限制了硅微谐振式加速度计的导航级应用。本文为实现导航级硅微谐振式加速度计的工程化应用，开展硅微谐振式加速度计机械系统关键技术与精确理论建模研究。　　总结已报道的硅微谐振式加速度计机械系统的研究工作，明确导航级硅微谐振式加速度计设计要点和难点，包括 1）机械敏感结构系统设计理论，2）加速度计封装应力误差辨识及抑制技术，3）温度影响机理。　　针对上述问题，本文做了如下工作：　　第一，形成了加速度计机械敏感结构理论精确建模方法。从硅微谐振式加速度计敏感结构出发，分析了结构的平面运动，对以微杠杆为中心的结构进行解耦，构建了平面内位移协调方程。基于位移协调方程构建加速度计敏感结构的精确理论模型，将加速度计关键参数—基频、谐振器频率和标度因数统一到一个公式中，并采用有限元仿真验证理论模型的精确性，仿真值和理论值相对误差小于 2%。同时提炼得到加速度计敏感结构的相关设计原则，最终形成了加速度计敏感结构系统设计理论。　　第二，对加速度计误差理论进行精确建模，形成了工艺误差辨识方法。基于加速度计敏感结构的精确理论模型，建立加速度计原理性误差精确理论模型，研究了工艺误差对加速度计关键参数的影响，并形成了通过关键参数辨识和分解工艺误差的理论和方法。紧耦合加速度计制备与封装过程，完成加速度计全流程各阶段的工艺误差辨识和误差占比分析。分析结果表明，目前工艺条件下，圆片层级封装应力占主导，同时圆片上封装应力分布从中心到边缘逐渐减小，而加速度计工艺过刻蚀误差的圆片分布与晶圆片初始形貌相关。通过分析加速度计圆片-芯片-器件多层级的封装应力演化过程，发现加速度计结构处于拉应力状态，划片和贴装造成同一量级的应力变化，但划片造成封装应力释放减小，而贴装封装应力增加。最后，通过测量晶圆片不同位置的芯片划片前后的形貌变化，结合有限元仿真对加速度计误差辨识方法进行了验证。　　第三，形成了加速度计器件级封装仿真建模方法。基于加速度计芯片结构锚点分布，结合器件级封装工艺，对加速度计器件级封装应力进行了有限元仿真分析。并利用不同的加速度计封装结构的实验数据，从频率和翘曲两方面对封装应力仿真方法进行了验证。最后，通过对器件级封装结构进行图形化仿真优化，形成了加速度计器件级封装应力抑制方案。　　第四，形成了加速度计样机热分析建模方法。针对加速度计典型测试环境，包括室温环境中的上电温升过程和温控箱中的升降温过程，建立了热分析理论模型。同时，建立了加速度计热分析仿真模型，并结合实验进行了迭代验证，发现室温环境下加速度计上电最高温度为2.278℃，温升时间常数为342.80s，其中铝合金底座对温升时间的影响占比最高，为 56.38%。在温控箱中进行了恒定速率的升降温实验，发现加速度计结构内部温度与环境温度最终形成的稳态温度差与环境温变速率线性相关。最终确认，在加速度计芯片上叠装的 ASIC芯片内集成高精度温度传感器，用于表征结构处温度，可满足加速度计的高精度温度补偿。　　最后，基于所建立的加速度计敏感结构理论模型和误差理论模型以及工艺误差辨识结果，结合加速度计加工与制备工艺，对加速度计的敏感结构、封装方式进行了优化设计，完成了加速度计的加工制备与集成安装，匹配加速度计专用测控电路，形成了硅微谐振式加速度计实验样机，并对样机进行了综合性能测试。常温条件下，加速度计样机的零偏稳定性为7.09μg，零偏重复性为2.84μg，标度因数稳定性为1.16ppm，标度因数重复性为2.84ppm，量程±20g范围内标度因数非线性为 16.30ppm。全温条件下（-40℃~60℃），标度因数稳定性为 70ppm，零偏稳定性为 172.60μg，为导航级硅微谐振式加速度计的工程化应用奠定了良好的基础。

关键词：硅微谐振式加速度计机械敏感结构误差辨识封装应力

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硅微谐振式加速度计闭环振荡系统稳定性研究

硅微谐振式加速度计闭环振荡系统稳定性研究

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作者：徐佩文南京理工大学

学位级别：硕士

硅微谐振式加速度计是一种基于MEMS技术的新型微惯性器件,它具有体积小、功耗低、灵敏度高、测量动态范围大等特点,是一种适用于高精度导航系统的加速度计,具有广泛的应用前景。然而对比国内外研究现状可以发现,目前国内研制的硅微谐振... 详细信息

硅微谐振式加速度计是一种基于MEMS技术的新型微惯性器件,它具有体积小、功耗低、灵敏度高、测量动态范围大等特点,是一种适用于高精度导航系统的加速度计,具有广泛的应用前景。然而对比国内外研究现状可以发现,目前国内研制的硅微谐振式加速度计在稳定性指标上仍与国外领先水平存在一定差距。为此本文围绕硅微谐振式加速度计振荡电路稳定性展开研究工作,主要包括加速度计机电接口建模、基于非线性控制的闭环振荡电路幅度控制方法、振荡器相位稳定性分析和电路设计等内容。首先,分析了硅微谐振式加速度计的工作原理,阐述了加速度计的信号转化机制,推导了谐振器的等效电路参数。在分析了寄生电容对加速度计的影响的基础上,使用环形二极管接口电路来代替传统的跨阻式接口电路,对接口电路进行改进。在此基础上,完成了基于Cadence软件的加速度计机电接口等效模型的建立,实现加速度计和振荡电路的闭环仿真。其次,研究了基于非线性控制理论的闭环振荡幅度控制方法,分析了影响幅值的主要因素,针对位移控制的新型接口电路,建立整个振荡电路关于幅度的闭环控制模型。研究了基于自动增益控制原理的幅度控制具体实现方法,并分析其对幅度噪声的影响。第三,阐述了电噪声对载波信号相位干扰的机理,分析了由振荡器中线性和非线性两方面因素导致的相位噪声,并通过实验验证了接口噪声和谐振器振幅对相位噪声的影响,进一步指导振荡电路的设计。最后,在上述研究内容的基础上,完成硅微谐振式加速度计振荡电路的优化设计,并根据IEEE加速度计测试标准对加速度计整表进行了综合性能测试。测试结果表明,整表的1σ零偏稳定性达到51.2μg,标度因数稳定性达到28.2ppm,零偏不稳定性为4.8μg,100Hz带宽内加速度计的分辨率为15.9μg/Hz1/2。综合性能测试获取了加速度计整表的性能参数,为后续的设计改进提供了依据。

关键词：硅微谐振式加速度计非线性幅度控制相位噪声

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