《硅微加速度計溫度特性分析》由會員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《硅微加速度計溫度特性分析(4頁珍藏版)》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、硅微加速度計溫度特性分析
硅微加速度計溫度特性分析
2016/01/22
《傳感器與微系統(tǒng)雜志》2016年第一期
摘要:
環(huán)境溫度對硅微加速度計的檢測精度具有較大影響,并最終影響導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。因此,準(zhǔn)確標(biāo)定環(huán)境溫度對微加速度計使用性能的影響,并建立溫度補(bǔ)償模型,對于實際工程應(yīng)用至關(guān)重要。在-20~60℃溫度區(qū)間,通過實驗得到微加速度計的零偏與標(biāo)度因數(shù),并采用線性擬合與Lorentz曲線擬合構(gòu)建了溫度補(bǔ)償模型,后者使測量結(jié)果的穩(wěn)定性精度提高了1個數(shù)量級,具有較
2、好的實際應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞:
硅微加速度計;溫度影響分析;Lorentz曲線;零偏;標(biāo)度因數(shù)
加速度計是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要元件之一[1,2],基于微機(jī)械工藝的硅微加速度計具有體積小、功耗低、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點[3,4],已廣泛應(yīng)用于民用車輛導(dǎo)航和穩(wěn)瞄系統(tǒng)中。硅微加速度計一般由硅材料經(jīng)光刻和刻蝕工藝制造而成,由于硅材料是一種熱敏材料,應(yīng)用環(huán)境溫度變化和硅微加速計長時間工作自身發(fā)熱現(xiàn)象都會對加速計零偏和標(biāo)度因數(shù)產(chǎn)生較大影響。當(dāng)環(huán)境溫度在-20~+60℃變化時其漂移誤差將達(dá)到210-4gn,甚至更大[5]。一種常用的解決方案是給加速度計增加溫度控制系統(tǒng),使其工作在一個相對恒定的
3、溫度環(huán)境中,以抵抗外界溫度變化帶來的影響,但缺點是溫度穩(wěn)定時間長、功耗大,不能滿足快速啟動、低功耗的應(yīng)用需求。目前較為有效的方法是通過實驗數(shù)據(jù)分析,建立溫度與零偏、標(biāo)度因數(shù)的數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償,以提高M(jìn)EMS加速計的應(yīng)用精度,滿足軍用戰(zhàn)術(shù)級需求。關(guān)于微加速度計溫度特性的研究,國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行大量深入的研究:文獻(xiàn)[6]石英加速度計的表芯溫度變化和表芯力矩器力矩系數(shù)的溫度系數(shù)決定著加速度計溫度誤差的大小,但并未在誤差來源和補(bǔ)償方法上作具體闡述;文獻(xiàn)[7~9]的分析表明:零偏和標(biāo)度因數(shù)與環(huán)境溫度的相關(guān)性是最明顯的,因此,可以認(rèn)為環(huán)境溫度對零偏和標(biāo)度因數(shù)的影響是加速度計溫度誤差中的主導(dǎo)因素。本
4、文依托重點實驗室自動化加速度計線性測試系統(tǒng)試驗設(shè)備,通過加速度計測試系統(tǒng),在溫度區(qū)間為-20~60℃的條件下研究環(huán)境溫度對硅微加速計零偏和標(biāo)度因數(shù)的影響,建立硅微加速計溫度誤差模型,并對加速度計輸出進(jìn)行補(bǔ)償。通過模型補(bǔ)償效果對比,提出并采用基于Lorentz曲線擬合的溫度誤差補(bǔ)償方法,相比線性擬合和其他曲線擬合,補(bǔ)償效果明顯。
1硅微加速度計溫度誤差機(jī)理分析
當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時,熱敏材料硅不僅會發(fā)生尺寸的變化,同時發(fā)生變化的還有材料的彈性模量、熱膨脹系數(shù)、內(nèi)應(yīng)力等;其中主要影響因子為材料彈性模量和尺寸的改變。尺寸大小的變化對硅微加速度計輸出影響很小,忽略不計,材料彈性模量的變化對
5、硅微加速度計性能有較大影響。系統(tǒng)剛度隨著材料彈性模量的變化而發(fā)生變化,材料彈性模量隨溫度變化近似呈線性關(guān)系。
2硅微加速度計溫度誤差建模原理
本文主要從零偏和標(biāo)度因數(shù)溫度建模的方法著手,設(shè)計一種適合于工程應(yīng)用的加速度計溫度誤差建模和補(bǔ)償方法。忽略其它因素,認(rèn)為加速度計的零偏和標(biāo)度因數(shù)僅受環(huán)境溫度的影響,則其模型可表示為如下函數(shù)關(guān)系[10]。在硅微加速度計溫度誤差機(jī)理分析的基礎(chǔ)上,通過數(shù)據(jù)分析建立硅微加速度計輸出誤差和溫度的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。本文主要通過數(shù)據(jù)分析與曲線擬合的方式進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,然后通過模型補(bǔ)償效果對比,采用最優(yōu)溫度誤差補(bǔ)償模型。
3硅微加速度計溫度試驗
1)零偏
6、溫度試驗將硅微加速度計固定在溫控加速度測試臺上,在溫度范圍-20~60℃,按照應(yīng)用需要,以10℃/h的速率進(jìn)行升溫和降溫操作,并在每個溫度點保溫1h,然后在每個溫點進(jìn)行零偏數(shù)據(jù)采集。每次試驗共測試20只硅微加速度計。溫度范圍內(nèi)重復(fù)10次溫度試驗。2)標(biāo)度因數(shù)溫度試驗將硅微加速度計靜止固定在溫控加速計測試臺上,在溫度范圍-20~60℃,按照應(yīng)用需要,以10℃/h的速率進(jìn)行升溫和降溫操作,并在每個溫度點保溫1h。然后在每個溫度點進(jìn)行靜態(tài)多點(四位置)試驗數(shù)據(jù)采集,并計算出標(biāo)度因數(shù)。每次試驗共測試20只硅微加速度計,溫度范圍內(nèi)重復(fù)10次溫度試驗。
4零偏溫度數(shù)據(jù)分析與補(bǔ)償
20只加速度計
7、試驗數(shù)據(jù)變化趨勢一致,以其中一只為例對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖1所示為硅微加速度計的零偏溫度數(shù)據(jù)曲線。按照升溫的順序?qū)γ總€溫度點所采集的的硅微加速度計零偏數(shù)據(jù)求均值,建立對應(yīng)關(guān)系表,如表1所示。通過原始零偏數(shù)據(jù)、線性補(bǔ)償后零偏和Lorentz曲線補(bǔ)償后的零偏溫度誤差對比可知,Lorentz曲線擬合補(bǔ)償效果較好,殘差較小,并通過試驗驗證了該擬合模型的正確性,零偏溫度誤差得到較好的抑制。
5溫度標(biāo)度因數(shù)誤差分析與補(bǔ)償
基于硅工藝設(shè)計的硅微加速度計的溫度變化會導(dǎo)致標(biāo)度因子不穩(wěn)定,進(jìn)一步影響硅微加速度計的輸出,降低慣性導(dǎo)航應(yīng)用精度。因此,在試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,通過溫度標(biāo)度因數(shù)誤差分析建立正確的數(shù)
8、學(xué)模型,并對硅微加速度計標(biāo)度因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償顯得尤為重要。首先對靜態(tài)多點試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,通過計算建立溫度標(biāo)度因數(shù)數(shù)據(jù)表格,如表2所示。由數(shù)據(jù)表計算可得,補(bǔ)償前硅微加速度計全溫標(biāo)度因數(shù)誤差。通過對溫度標(biāo)度因數(shù)試驗數(shù)據(jù)分析,分別利用線性擬合補(bǔ)償?shù)姆椒ê蚅orentz曲線擬合的方法對硅微加速度計標(biāo)度因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。擬合曲線如圖4所示,根據(jù)式(3)和式(4)建立線性誤差模型和Lorentz曲線擬合誤差模型如式(12)和式(13)所示。通過計算可得,Lorentz曲線擬合誤差模型要優(yōu)于線性擬合誤差模型,且該擬合方法相比與其他擬合方法更具有針對性。
綜合溫度對零偏和標(biāo)度因數(shù)的影響,分析可得:溫度補(bǔ)償前,
9、溫度范圍內(nèi)加速度計零偏溫度誤差為14mgn,溫度標(biāo)度因數(shù)誤差為7110-6/℃,補(bǔ)償后該零偏溫度誤差降為1.3mgn,溫度標(biāo)度因數(shù)誤差降為1010-6/℃,補(bǔ)償效果明顯??傊?,補(bǔ)償后硅微加速度計的溫度靈敏度有所改善,溫度范圍內(nèi)的精度提高1個數(shù)量級。6結(jié)束語本文通過加速度計測試系統(tǒng)溫度試驗,并結(jié)合硅微加速度計零偏、標(biāo)度因數(shù)與溫度之間關(guān)系,提出最優(yōu)線性擬合的方法—Lorentz曲線擬合,對硅微加速度計進(jìn)行溫度誤差建模,并進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償,減小了溫度對硅微加速度計的影響,并通過試驗驗證了該模型的正確性與可實用性。該補(bǔ)償方法可用于其他項目硅微傳感器誤差的標(biāo)定,有效地縮短時間和節(jié)約補(bǔ)償成本。
參考
10、文獻(xiàn):
[1]高社生,桑春萌,李偉.改進(jìn)的粒子濾波在列車組合定位系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報,2009,17(6):701-705.
[2]ChenZ,HaykinS.Bayesianfiltering:FromKalmanfilterstoparti-clefilters,andbeyond[R].Hamilton,Canada:McMasterUniver-sity,2003.
[3]HuQifang,GaoChengchen,HaoYilong,etal.Lowcross-axissen-sitivitymicro-gravitymicro-electro-me
11、chanicalsystemsandwichcapacitanceaccelerometer[J].Micro&NanoLetters,2011,6(7):510-514.
[4]XiaoFei,CheLufeng,F(xiàn)anKebin,etal.Anewsymmetricalbeam-massstructureforaccelerometersbyanisotropicetchingwithoutconvexcornercompensation[C]∥Proceedingsof3rdIEEEInt’lConfonNano/MicroEngineeredandMolecularSystems
12、,Sanya,2008:1059-1062.
[5]任春華,潘英俊,李俊峰,等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的石英加速度計的二維時、溫漂移補(bǔ)償[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報,2007,15(3):366-369.
[6]王洋,商順昌.石英撓性加速度計的溫場分析[J].傳感器技術(shù),1996,25(3):8-14.
[7]GuoRunqiu,ZhangXiaodong,WangCheng.Studyoftheidentifi-cationforthestatictemperaturemodelandthemethodforcom-pensatingtemperatureoftheacceleromet
13、er[J].JournalofXidianUniversity,2007,34(3):934-938.
[8]WangShujuan,HuangXianlin,LiuShengcai.Identificationfortemperaturemodelofaccelerometer[J].JournalofChineseIner-tialTechnology,1997,5(1):31-36.
[9]TittertonDH,WestonJL.Strapdowninertialnavigationtechnolo-gy[M].2nded.Lexington:CopublishedbytheAmericanInstituteofAeronauticsandAstronauticsandtheInstitutionofElectricalEngineers,2004.
[10]張宇飛,屈建龍,宋超,等.石英撓性加速度計溫度建模和補(bǔ)償[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報,2009,17(3):1-3。