硅微振梁式加速度计抗温漂的微结构及工艺设计

针对硅微振梁式加速度计输出频率随环境温度漂移的问题,提出了抗温漂的硅微结构设计方法及相关工艺,降低了环境温度对输出的影响,在室温条件即可达到一定精度。通过建立"硅-玻璃"和"玻璃-陶瓷"耦合模型,分析了造成硅微振梁式加速度计温度漂移的原因。然后提出了"抗温漂耦合设计"的微结构和"半粘结封装"的封装工艺,降低了耦合模型中的理论温漂。利用加工出的原理样机进行实验,结果显示,采用抗温漂结构设计及封装工艺的原理样机,输出频率的温漂系数为-3.5×10-6/℃,室温下零偏稳定性为72.0μg。实验验证了抗温漂理论的可行性,可以满足室温下高精度硅微振梁式加速度计的设计要求。

硅微振梁式加速度计的温度检测及闭环控制

为实现硅微振梁式加速度计系统芯片级温度测量及系统闭环,本文针对系统的非惯性结构部分提出了微机电系统(MEMS)结构温度的芯片级测量和闭环控制优化方法。与以温控罩的温度作为参考温度的方法不同,该方法提出了供芯片级温度测量的MEMS结构、工艺及配套电路,通过直接测量MEMS结构的温度完成实时补偿,从而提高了测量精度。该方法在闭环控制的前置电路中应用了二极管电容解调电路,与前期使用的跨阻或者跨导方案相比,对器件的要求从pA级降至nA级。运用时域方法求得二极管电路方案的解析解,提出参数优化设计方法,保证了电容测量输入与输出间的线性关系。最后,采用二阶最优模型对闭环控制的后置电路进行参数优化,控制了上电时间。配合硅微振梁式加速度计原理样机进行了实验。实验结果表明,温度补偿后的零偏稳定性为52.0μg,标度因子稳定性为16.0×10-6,分辨率为34.9μg。这些结果验证了本文理论的可行性。

一种可实现增益、带宽独立调控的低噪声MEMS加速度计接口电路设计

为了进一步满足振梁式加速度计(VBA)对前端放大接口电路增益、带宽以及噪声的更高要求,提出了一种适用于硅微振梁式加速度计的可实现增益、带宽独立调控的低噪声前端放大接口电路。该设计基于T型接口电路的两级拓扑结构,有效解决了增益、带宽和噪声之间的制约问题。通过仿真与实验结果表明,该设计在等效跨阻增益为40MΩ的前提下,最终实现了带宽为410kHz、相位误差为1.2°、等效输入电流噪声密度为8.9fA/√Hz。基于该设计的实验样机在上电稳定后1h零偏不稳定性达1.156μg,相较于传统一级跨阻接口电路减小了49.2%(2.274μg),验证了该新型接口电路的可行性和优越性。