硅振梁加速度计敏感结构温度特性研究

硅振梁加速度计（简称 SRA）是一种通过检测谐振梁频率的变化来敏感运动载体加速度信息的惯性器件，具有体积小、易数字化、动态范围大等优点。温度误差是制约其测量精度的重要因素。本文针对加速度计的温度特性，开展了以下工作：首先，介绍了谐振器的工作原理、制备工艺等，进行了谐振器固有频率和标度因数的理论分析和有限元分析。其次，针对零偏和标度因数两个性能指标，分别分析了单晶硅杨氏模量和残余应力的温度效应对 SRA 性能参数的影响，残余应力是影响温度效应的主要因素。通过仿真对SRA 的零偏和标度因数的温度灵敏度进行验证。研究了在不同加工误差情况下的温度误差，根据工艺误差范围，分析了尺寸误差和残余应力对SRA 性能参数的影响。最后，硅振梁加速度计的圆片级温度测试结果表明，残余应力的温度系数为0.0491～0.1401MPa/℃。42017
毕业论文关键词硅振梁加速度计谐振器温度特性残余应力 Title The study on Temperature Characteristics of SensitiveStructure of Silicon resonant accelerometerAbstractSilicon vibrating beam accelerometer (SRA) is a kind of inertial device which candetect the acceleration information of the motion vector by detecting the frequencyof the resonant beam, which has the advantages of small size, easy to digital,dynamic range, etc. Temperature error is an important factor which restricts itsmeasurement accuracy. In this paper, the following works were carried out.Firstly, the working principle and fabrication process were introduced, and thetheoretical analysis and finite element analysis of natural frequency and scalefactor were also presented.Secondly, according to the zero offset and scale factor, the influence of Young'smodulus and residual stresses on the performance of SRA is analyzed. The residualstresses are the main factor that affects the temperature effect. The temperaturesensitivity of the zero offset and scale factor of SRA is verified by simulation.The temperature errors were studied with machining error,and the influence ofdimension errors and residual stresses on the performance parameters of SRA wereanalyzed with machining error.Finally, the temperature experiments of SRA dies were carried out, and the resultsshow that the temperature coefficient of residual stresses is 0.0491-0.1401MPa/℃.
Keywords: Silicon vibrating beam accelerometer, resonator, temperaturecharacteristic, residual stresses

1引言.1

1.1硅振梁加速度计概述..1

1.2硅振梁加速度计及温度特性研究发展现状..1

1.3本课题研究的目的和意义3

1.4本论文主要研究内容..3

2硅振梁加速度计的基本理论4

2.1硅振梁加速度计的工作机理..4

2.2硅振梁加速度计的关键参数..4

2.3硅振梁加速度计的制备工艺..9

2.4硅振梁加速度计的性能指标10

2.5本章小结..11

3硅振梁加速度计敏感结构的温度特性12

3.1温度影响因素分析.12

3.2材料特性温度效应.13

3.3残余应力温度效应.15

3.4加工尺寸误差下的温度特性20

3.5本章小结..27

4SRA谐振频率温度特性实验..28

4.1温度实验过程28

4.2残余应力的温度系数29

4.3本章小结..33

结论34

致谢35

参考文献.36
1 引言
1.1 硅振梁加速度计概述硅振梁加速度计是以微机械加工工艺为基础制作的 MEMS惯性器件，它通过检测谐振梁频率的变化来敏感运动载体加速度信息。其谐振器结构采用差分形式，具有重量轻、易加工、成本低、体积小、大量程、稳定性好、精度高等优点[1]。由于其输出信号为频率信号，便于被检测和数字化系统集成，应用较广泛，因此很多研究机构都在对这项技术积极研究[2]。1.2 硅振梁加速度计及温度特性研究发展现状目前，美国在硅振梁加速度计方面处于行业领先的地位。据报道，美国 Draper 实验室所研制的硅振梁加速度计，在实验室测试的条件下，其标度因数稳定性可达1ppm，零偏稳定性可达 1µg，能够满足精确导航制导的要求。Draper 实验室研制的 SRA谐振器部分和整体如图1 所示。图 1.1 Draper 实验室研制 SRA结构韩国三星公司和韩国首尔大学（Seoul National University)在惯性导航领域对硅振梁加速度计的研究获得了较大的成功。在过去的10 年当中，韩国首尔大学研制了离面和面内差分式硅振梁加速度计（DRXLs）。目前，离面加速度计的零偏稳定性为2.5µg，标度因数为 70Hz/g，谐振频率和带宽分别为23888Hz和110Hz[3-4]。 1.2所示为首尔大学研制的SRA结构示意图。国内对于硅振梁加速度计的研究在近几年处于蓬勃发展的时期。清华大学、北京大学、南京理工大学、北京航空航天大学、天津大学等多所高校及航天时代光电公司等多家研究机构正在致力于这方面的研究，已经取得了许多可喜的成果。温度误差是影响谐振梁加速度计性能的关键性误差源之一，主要来源于结构、材料、电路以及外界干扰。温度变化会引起谐振梁单晶硅材料杨氏模量的改变，也会引起谐振器几何尺寸的改变，从而影响加速度计的性能。并且在加工和封装过程中会产生较大的残余应力，此应力会造成很大的频率漂移进而影响其温度误差。清华大学的李童杰，刘云峰等人针对微加速度计的温漂来源进行研究。他们从系统温漂的来源包括：梳齿式结构、检测电路、校正网络三方面分别展开研究分析。经过仿真和试验得出电容检测电路、校正电路和加速度整表温漂分别为8.39µgn/℃、 38.33µgn/℃和 2061µgn/℃，最后得出结论加速度计温漂的主要来源是敏感元件部分[5-7]。南京理工大学的董金虎以谐振频率、零偏和标度因数作为谐振梁加速度计的性能指标，针对谐振梁加速度计的温度误差展开了详细的研究。他的研究发现，由于几何尺寸、弹性模量和应力的温度效应，谐振梁加速度计的谐振频率、零偏和标度因数都具有较大的温度灵敏度。确定了其温度系数及其对零偏和标度因数的影响分别为-180Hz/℃和-1.7/g/℃[8]。为了减小温度误差的影响，改良谐振梁加速度计的性能，科研人员们提出了自己的观点和方法。中国航天电子技术研究院的王巍、王岩等人在分析谐振加速度计工作机理的基础上，系统地分析了闭环控制环路和结构方案在温度方面的误差来源和响应解决措施。研制了谐振加速度计样机，零位温度系数在-71.5×10-6Hz/℃，标度因数温度系数为-0.610×10-3Hz/g/℃，样机的零位稳定性达到 42.5ug[9-11]。南京理工大学的董金虎在他的论文中对硅振梁加速度计的结构进行了改进，提出了锚点处隔离梁的设计，通过这种设计来抑制残余应力。并且通过有限元仿真验证这种隔离结构，谐振频率的温度灵敏度下降至-45Hz/℃。提出了基于静电刚度的温度补偿方法，对静电刚度补偿进行了理论量化、系统仿真。结果表明，优化后的结构使零偏和标度因数的温度灵敏度分别降低为原来的 24%和 2%[8]。清华大学王帆、董景新等人针对硅振梁加速度计的温漂问题进行研究，通过建立“硅-玻璃”和“玻璃-陶瓷”耦合模型，分析了造成温度漂移的两个主要来源。然后通过“抗温漂耦合设计”的微结构，将耦合模型的理论温漂降低至接近 0。为了进一步提高温度性能，设计了“半粘结封装”的封装工艺，通过该种工艺隔离了封装管壳与MEMS 结构之间的热应力传导。最后加工出的振梁式加速度计原理样机试，验证结果显示其输出频率的温漂系数为-3.5×10-6/℃，同时在室温环境下即实现了72.0ug 的零偏稳定性[12]。硅振梁加速度计敏感结构温度特性研究:http://www.youerw.com/zidonghua/lunwen_42288.html