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硅微谐振加速度计的温度特性 被引量:7
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作者 王巍 王岩 +1 位作者 庄海涵 邢朝洋 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2013年第2期255-258,共4页
硅微谐振加速度计以其小体积、低成本和高精度的频率信号输出,成为硅微惯性传感器研制的热点之一。温度特性是影响硅微谐振加速度计精度水平的重要因素。在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从结构设计方法、工艺流程加工和闭环控... 硅微谐振加速度计以其小体积、低成本和高精度的频率信号输出,成为硅微惯性传感器研制的热点之一。温度特性是影响硅微谐振加速度计精度水平的重要因素。在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从结构设计方法、工艺流程加工和闭环控制回路方面分析了温度对零位和标度因数的影响因素,同时给出了相应解决措施。研制的硅微谐振加速度计基频约为17 kHz,标度因数约220 Hz/g,在-40~+70℃范围内,谐振频率的温度系数为-71.5×10-6/℃,标度因数的温度系数为-610×10-6/℃,样机在常温下谐振频率的相对稳定性为0.313×10-6,1.5 h零偏稳定性达到42.5μg。 展开更多
关键词 硅微谐振加速度计 温度特性 结构优化 闭环控制
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基于FPGA的高精度硅微谐振加速度计数据采集与参数补偿系统设计与实现 被引量:6
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作者 王岩 张玲 +1 位作者 邢朝洋 曾青林 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2015年第3期394-398,共5页
硅微谐振加速度计因具有小体积优势和高精度潜力,成为硅微惯性传感器研制的热点之一。频率信号的高精度采集和系统参数补偿是提高硅微谐振加速度计性能的重要手段之一。在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从双路差动频率信号的精... 硅微谐振加速度计因具有小体积优势和高精度潜力,成为硅微惯性传感器研制的热点之一。频率信号的高精度采集和系统参数补偿是提高硅微谐振加速度计性能的重要手段之一。在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从双路差动频率信号的精确采集和系统误差参数补偿角度出发,分析了数据采集的原理,提出了一种高精度硅微谐振加速度计用数据采集与参数补偿方法。给出了设计思路和电路实现方法,讨论了误差来源与改进方法。所设计的数据采集系统针对中心频率18 k Hz.,标度因数400 Hz/g,量程±20g的加速度计,数据更新周期200 ms下频率分辨率为0.0005 Hz,等效加速度分辨率达到1.25μg。测试表明,补偿后的硅微谐振加速度计,在全温(-40^+70℃)内,K0温度系数从262μg/℃降低到29.9μg/℃,K1变化量从4.18%降低到2.04‰,全量程非线性从7.16‰降低到0.128‰,系统参数满足设计指标。 展开更多
关键词 硅微谐振加速度计 FPGA 数据采集 参数补偿
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硅微谐振加速度计高精度相位闭环控制系统设计与实现 被引量:7
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作者 王岩 张玲 邢朝洋 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2014年第5期688-692,共5页
硅微谐振加速度计因具有小体积优势和高精度潜力,成为硅微惯性传感器研制的热点之一。高精度相位闭环控制系统是决定硅微谐振加速度计精度水平的重要因素。在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从闭环控制系统设计的角度,分析了相... 硅微谐振加速度计因具有小体积优势和高精度潜力,成为硅微惯性传感器研制的热点之一。高精度相位闭环控制系统是决定硅微谐振加速度计精度水平的重要因素。在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从闭环控制系统设计的角度,分析了相位闭环控制回路的原理,提出了一种可以消除匀加速误差的高精度三阶无静差相位闭环控制方案。给出了设计思路,研究了环路性能测试方法,讨论了闭环系统相位误差的来源与抑制方法。所设计的闭环回路在0.1 Hz处静态增益为170 dB,启动时间小于20 ms,实测带宽为432 Hz,全温范围内相位闭环回路相差变化0.84°,系统参数满足设计指标。 展开更多
关键词 硅微谐振加速度计 相位闭环 三阶无静差 误差分析
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硅微谐振加速度计的模态分析与实验 被引量:6
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作者 张秀丽 何晓飞 +2 位作者 尹永刚 方政翔 韩丰田 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2019年第5期690-694,700,共6页
针对硅微谐振加速度计在进行结构设计时,如何根据模态特性选取工作模态这一问题,比较分析了加速度计工作在两种不同振动模态下的性能参数。首先采用刚度法分析了谐振器的振动特性,得出能够反映谐振器振动状态的两种模态即同相振动模态... 针对硅微谐振加速度计在进行结构设计时,如何根据模态特性选取工作模态这一问题,比较分析了加速度计工作在两种不同振动模态下的性能参数。首先采用刚度法分析了谐振器的振动特性,得出能够反映谐振器振动状态的两种模态即同相振动模态和反相振动模态,结合理论推导和仿真结果得出两种振动模态下谐振频率差值与标度因数差值呈线性关系;其次通过分析两种振动模态下的能量分布情况,得出两种振动模态下谐振器的品质因数与振梁振动幅值之间的关系,同相模态振动一个周期所消耗能量约为反相模态所消耗能量的2倍;最后通过评估硅微谐振加速度计的噪声,阐明了两种振动模态下部分噪声分量不同的原因并进行了实验验证。实验结果表明,在相同驱动电压下,同相模态相比反相模态总体噪声增大25.7%。该研究为设计硅微谐振式加速度计时,确定谐振器的振动模态及驱动方案提供了参考依据。 展开更多
关键词 硅微谐振加速度计 模态分析 同相模态 反相模态
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高精度硅微谐振加速度计工程化设计与实现 被引量:3
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作者 王岩 赵克 +1 位作者 张玲 邢朝洋 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2016年第2期229-234,共6页
硅微谐振加速度计因具有小体积优势和高精度潜力,成为硅微惯性传感器研制的热点之一。工程化设计是硅微谐振加速度计从原理样机向成熟产品转化过程中的关键步骤之一。在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从工程实用化设计角度出发... 硅微谐振加速度计因具有小体积优势和高精度潜力,成为硅微惯性传感器研制的热点之一。工程化设计是硅微谐振加速度计从原理样机向成熟产品转化过程中的关键步骤之一。在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从工程实用化设计角度出发,提出了一种高精度硅微谐振加速度计工程化设计方法。分别从系统设计、结构设计、控制电路设计和测试与补偿技术等方面进行了分析和对比,讨论了误差来源与改进方法。测试表明,设计的高精度硅微谐振加速度计质量块基频大于3 k Hz,谐振音叉中心频率约18 k Hz,标度因数大于100 Hz/g,量程±40 g,死区小于0.67 mg,带宽大于200 Hz,振动整流误差0.344 mg,零位一次通电稳定性优于50μg,测试结果基本满足工程化应用指标。 展开更多
关键词 硅微谐振加速度计 工程化 设计 实现
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左右分布式高灵敏硅微谐振加速度计结构设计 被引量:4
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作者 段晓敏 撖子奇 +2 位作者 闫捷 张英杰 曹慧亮 《半导体技术》 CAS CSCD 北大核心 2018年第3期171-176,共6页
提出了一种基于微杠杆原理的左右分布式低交叉耦合、高灵敏度的硅微谐振加速度计结构。该结构采用了一级微杠杆放大机构,左右双音叉谐振器和单质量块布局,实现了力放大和差动频率输出,具有结构简单、易于加工的特点,且两音叉谐振器间相... 提出了一种基于微杠杆原理的左右分布式低交叉耦合、高灵敏度的硅微谐振加速度计结构。该结构采用了一级微杠杆放大机构,左右双音叉谐振器和单质量块布局,实现了力放大和差动频率输出,具有结构简单、易于加工的特点,且两音叉谐振器间相互干扰小。首先,优化了设计参数,并进行了模态分析与谐响应分析。结果表明,左右谐振工作谐振频率分别为149.49 kHz和150.8 kHz,在该工作频率下X方向的最大位移远大于Y和Z方向(两个数量级以上),表明工作模态具有优良的抗干扰能力。其次,在1 000g加速度载荷作用下进行了极限过载仿真。仿真结果表明,其最大应力为612.69 MPa,表明具有一定的抗冲击能力。最后,在±50g的设计量程内对结构的灵敏度进行了仿真分析。仿真结果表明,其灵敏度为160.51 Hz/g,验证了该设计的正确性。 展开更多
关键词 硅微谐振加速度计 高灵敏度 低交叉耦合 有限元分析(FEM) 谐振结构设计
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硅微谐振加速度计的研究现状分析及发展趋势探讨 被引量:3
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作者 于亚云 《科学技术创新》 2019年第4期22-23,共2页
从当前的国际科技发展形势来看,硅微谐振加速度计是一种十分具有潜力的高精度的MEMS惯性仪表。同时又因为硅微谐振加速度计具有体积相对比较小,而且消耗的功率很低,并且它的准数字输出和精度提升的提升空间大等不同的有点。结合一段时... 从当前的国际科技发展形势来看,硅微谐振加速度计是一种十分具有潜力的高精度的MEMS惯性仪表。同时又因为硅微谐振加速度计具有体积相对比较小,而且消耗的功率很低,并且它的准数字输出和精度提升的提升空间大等不同的有点。结合一段时间内国内外对于硅微谐振加速度计的研究报告,发现硅微谐振加速度计的发展前景在于对其结构改造、工艺改进以及技术测量等不同的方面。本文将在硅微谐振加速度计工作原理的基础上,对硅微谐振加速度计的发展现状做出分析以及对硅微谐振加速度计的发展前景展开展望。 展开更多
关键词 硅微谐振加速度计 现状分析 发展趋势展望
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一种硅微谐振式加速度计频率读出方法与ASIC实现 被引量:2
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作者 赵广胜 夏国明 +2 位作者 裘安萍 施芹 赵阳 《半导体技术》 CAS 北大核心 2022年第4期307-312,331,共7页
针对硅微谐振式加速度计(SRA),提出了一种低噪声、低功耗、可集成的频率读出电路。频率读出电路主要基于Σ-Δ原理,实现了对量化噪声的调制与抑制,在0.1 Hz频率下实现了0.1Mhz/√Hz的频率测量水平。同时,专用集成电路(ASIC)实现了对加... 针对硅微谐振式加速度计(SRA),提出了一种低噪声、低功耗、可集成的频率读出电路。频率读出电路主要基于Σ-Δ原理,实现了对量化噪声的调制与抑制,在0.1 Hz频率下实现了0.1Mhz/√Hz的频率测量水平。同时,专用集成电路(ASIC)实现了对加速度测量中频率非线性的补偿,实现了在质量块正弦调制谐振梁情况下频率的零均值变化,解决了冲击和振动环境中非线性导致的加速度偏移问题。最后,ASIC以0.35μm CMOS工艺实现,并与前端模拟振荡电路集成,构成了完整的SRA单芯片测控系统。 展开更多
关键词 谐振速度计(SRA) 频率读出 专用集成电路(ASIC) 低噪声 零均值
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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 被引量:1
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作者 张晶 朱欣华 苏岩 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2021年第5期637-642,共6页
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... 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%。 展开更多
关键词 谐振速度计 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器件级封装应力辨识 被引量:1
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作者 贡旭超 裘安萍 +1 位作者 黄锦阳 施芹 《半导体技术》 CAS 北大核心 2022年第5期410-415,共6页
器件级封装应力是影响微电子机械系统(MEMS)器件性能的主要因素之一。基于硅微谐振式加速度计(SRA)的力频特性,结合SRA芯片表面翘曲变化的有限元分析,实现SRA器件级封装应力的辨识。分析封装应力的辨识机理和误差,建立SRA器件级封装应... 器件级封装应力是影响微电子机械系统(MEMS)器件性能的主要因素之一。基于硅微谐振式加速度计(SRA)的力频特性,结合SRA芯片表面翘曲变化的有限元分析,实现SRA器件级封装应力的辨识。分析封装应力的辨识机理和误差,建立SRA器件级封装应力仿真模型,通过谐振器频率变化与基于芯片翘曲变化的有限元仿真进行相互验证,完成两种封装应力表征的统一辨识。以此为基础,对不同封装参数的SRA进行应力辨识。采用谐振器频率变化表征封装应力的测试结果与仿真结果相吻合。结果表明随着金锡焊层直径的增大,封装应力随之增大,金锡焊层直径为1.5、3.0和4.0 mm对应封装应力分别为1.45、2.31和3.42 MPa。提出的SRA器件级封装应力的实时应力辨识方法可满足快速批量化应力辨识的要求。 展开更多
关键词 电子机械系统(MEMS) 谐振速度计(SRA) 器件级封装应力 封装应力辨识 有限元仿真
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硅微谐振式加速度计温度效应标定与补偿 被引量:3
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作者 於陈程 张俊辉 +2 位作者 李永亮 曾婷 苏岩 《微纳电子技术》 北大核心 2020年第6期476-482,497,共8页
为了提高硅微谐振式加速度计(SRA)零偏温度稳定度和标度因子的温度系数,提出了一种温度标定补偿方法。首先,根据应力与谐振频率关系建立了考虑温度效应的硅微谐振式加速度计的数学模型。然后,通过安装误差、温度效应的两级标定得到模型... 为了提高硅微谐振式加速度计(SRA)零偏温度稳定度和标度因子的温度系数,提出了一种温度标定补偿方法。首先,根据应力与谐振频率关系建立了考虑温度效应的硅微谐振式加速度计的数学模型。然后,通过安装误差、温度效应的两级标定得到模型参数的极小范数最小二乘解,并且在标定中应用了热隔离层来提高标定精度。最后,应用所获得的标定参数建立了加速度计补偿系统,实时计算补偿后的加速度。实验结果表明,补偿后加速度计在5~35℃内的零偏温度稳定度从3.3×10^-2下降到1.3×10^-5,标度因子的温度系数从0.3 Hz/g/℃下降到6.7×10^-3 Hz/g/℃,同时还表明该标定补偿方法可以降低由温度滞回效应带来的动态误差。 展开更多
关键词 谐振速度计(SRA) 温度补偿 标度因子 滞回效应 参数标定 广义逆矩阵
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面向硅微谐振式加速度计的高精度片上温度控制器
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作者 米玥臻 杨伍昊 +2 位作者 熊兴崟 汪政 邹旭东 《微纳电子技术》 CAS 北大核心 2023年第5期750-757,共8页
为提高硅微谐振式加速度计在变温环境下的精度与稳定性,设计并制备了一种高精度的片上温度控制器,它由硅衬底、铂电阻加热器、测温电阻和温度控制电路组成。对温度控制器的传热模型进行理论分析,使用COMSOL对片上温度控制器进行仿真。... 为提高硅微谐振式加速度计在变温环境下的精度与稳定性,设计并制备了一种高精度的片上温度控制器,它由硅衬底、铂电阻加热器、测温电阻和温度控制电路组成。对温度控制器的传热模型进行理论分析,使用COMSOL对片上温度控制器进行仿真。利用微加工技术制备温度控制器,并设计实验对温控精度、长期稳定性、环境温度影响、功耗等指标进行测试。结果表明,温度控制器可以在600 s内稳定在设定温度±0.001 5℃的范围内,加速度计输出的频率波动范围为±0.03 Hz,内部温度随外界温度变化为0.012 5℃/℃,片上温度控制器的峰值功耗为100 mW。该温度控制器精度高、通用性强,适用于温度范围小、精度要求高的应用场景。 展开更多
关键词 谐振速度计 片上温控器 测控电路 连续电压输出 比例-积分-分(PID)控制
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