MEMS闭环加速度计温漂数字化处理

MEMS电容式加速度计受温度影响,敏感结构易产生结构参数及应力变化,电路易产生漂移,两者共同作用引起加速度计输出电压变化,使加速度的测量出现温漂误差及升、降温的温漂滞环误差。抑制温漂是提高加速度计性能的关键所在。在实验室现有MEMS加速度计敏感结构芯片及电路基础上,进行闭环后数字化补偿。实验证实,该方法能有效减小温漂误差,削减温漂滞环的幅值,改善加速度计的性能。     

脉宽调制式电子分析天平的漂移补偿方法研究

温漂和时漂对脉宽调制式电子分析天平示值影响较大且难以区分,分析了永磁体剩磁、动圈长度、恒流源采样电阻、电子元件参数等温漂和时漂影响机理,考虑电磁力平衡传感器各特征位置温度变化及内外温度梯度影响,建立了温漂与温度变化的二次多项式、与温度梯度的近似线性关系以及时漂与时间的指数关系,通过叠加得到示值漂移非线性混合补偿模型,并设计了一种能够同时辨识温漂和时漂模型参数的空载和满载组合漂移实验和数据处理方法,通过大量非均匀温度变化实验得到模型参数,利用该模型对量程220 g、分辨力0.1 mg的电子分析天平进行补偿验证。结果表明,补偿后的天平加载220 g并保持30 min后的示值漂移小于1 mg,零点示值漂移小于0.5 mg,满足国家标准《JJG1036-2008电子天平检定规程》规定的I级天平对温漂和时漂性能指标要求。     

利用测温电路线性补偿MEMS加速度计零偏温漂

为提高MEMS加速度计温度稳定性,针对MEMS加速度计零偏温度漂移问题,提出了一种基于闭环点位置控制的零偏温漂抑制方法,该方法利用测温电路生成线性控制电压,在不同温度下将闭环点位置控制于零反馈位置附近,此时闭环加速度计的零偏近似为0,在全温范围内的零偏漂移量可显著降低。对闭环MEMS加速度计进行温度循环试验,试验结果表明,加入线性控制电压后闭环加速度计的零偏温漂下降到0.1 mg/℃以内,与不加线性控制电压相比提高了一个数量级以上。该方法实现简单,可操作性强,无需额外硬件开销,利于工程化实现。     

硅微加速度计测控线路设计及参数调整方法研究

首先介绍了硅微加速度计机械部分的工作原理及电容检测方法，同时分析了整个电路系统框图，然后构建出硅微加速度计系统总体结构，并将机械部分和电路部分在S域进行统一整合。利用MATLAB软件控制工具研究了校正环节对系统稳定性和动态性能的影响情况。通过大量实验给出了优化参数组合下的开环频率特性和零位漂移特性。最后得出结论：通过对重要校正环节的参数进行正确的调整可以很好地改善系统工作性能，并能提高系统输出的稳定性。     

常温下硅微谐振加速度计零偏稳定性的提高

考虑环境温度会影响硅微谐振加速度计(MSRA)的测量精度,本文研究了谐振梁的频率漂移及抑制方法以便提高其在常温下的零偏稳定性。针对结构热膨胀导致的应力进行了建模仿真,并根据仿真结果优化设计了一种低热应力的双端固支梁的结构来降低热膨胀系数不匹配带来的频率漂移。实验测得新结构的单梁谐振频率的温度系数从典型结构的约30Hz/℃降为-1.5Hz/℃,与仿真结果-1.14Hz/℃基本一致。为了进一步提高该加速度计的零偏稳定性,设计了一种高精度测温电路用来补偿温漂,该电路测温灵敏度为96.25mV/℃,测量噪声约为0.000 2℃。实验结果表明,采用优化后的结构结合线性温度补偿的方法,可使该硅微谐振加速度计的1h零偏稳定性在常温下达到10μg以下,比改进前实验室获得的52μg水平提升了80%,满足了高精度加速度测量的要求。     

硅三明治型微机械加速度计温度漂移与敏感结构热膨胀关系研究

针对硅基三明治型微加速度计的温度漂移现象,基于力学和热学原理,分析了微加速度计敏感部分关键结构弹性梁、敏感质量块在温度升高时的热膨胀与力学平衡关系变化。结合微加速度计的闭环反馈工作方式,导出了其输出改变,指出由于弹性梁、敏感质量块在温度升高时热膨胀引起的输出变化小于0.002gn/10℃,同时,实验表明微加速度计输出随温度的变化为(0.1~0.2)gn/10℃。两者对比的结果显示,由于温度变化而引起的敏感结构热膨胀导致的输出改变不是微加速度计产生温度漂移的主导原因,研究结果为三明治型微加速度计稳定性与漂移的进一步研究提供了参考。     

带温度补偿的低温漂石英微机械陀螺接口ASIC设计

本文通过分析石英陀螺的工作原理,设计了闭环自激驱动、低噪声相敏解调原理的接口电路,并研究了驱动力耦合对零位输出造成的影响,以提高石英陀螺的环境适应性。通过研究传感器敏感表头的空气阻尼和谐振频率等方面的温度特性,得出温度对驱动力幅值的影响。进而提出通过驱动力幅值进行温度补偿的方法。对接口电路温度特性以及对陀螺零位输出的影响进行了分析,设计了全温区带宽恒定的运算放大器单元,抑制由于检测信号中高次谐波分量比例变化产生的温度漂移,并在高压N阱CMOS工艺下流片,实现低温漂接口ASIC。在-45℃~85℃的温度范围内对石英陀螺整机进行零位温度循环测试,利用驱动力幅值对零位输出进行三阶拟合补偿,补偿后全温零位温度漂移小于20°/hr(1σ),短期稳定性为5°/hr,输出噪声为0.001°/s/√Hz。     

基底刻槽封装式光纤光栅传感器应变传递影响因素分析

光纤光栅传感器大多经过封装后粘贴于被测结构表面使用,而封装基底和粘胶的存在,导致结构的真实应变与光纤光栅感测值之间出现偏差。建立了基底刻槽封装的光纤光栅传感器应变传递力学简化模型,推导出相应的平均应变传递率公式;分别分析了基底的长、宽、厚和基底材料弹性模量对光纤光栅传感器平均应变传递率的影响。结果表明,采用刻槽封装后的光纤光栅传感器平均应变传递率,在有效范围内随着基底长度的增加而增加,随着基底的宽、厚和材料弹性模量的增加而减小,为光纤光栅刻槽封装提供定量的指导。     

一种新的结合面微观接触模型

为研究粗糙表面中微凸体变形和基体变形对表面动态接触特性的影响,利用GW模型和Hertz接触理论推导出微凸体的接触刚度和基体的接触刚度,通过耦合刚度提出了一种新的结合面微观接触模型。通过新模型与Hertz模型、有限元分析结果的对比发现,微凸体和基体材料弹性模量比值κ=0.60.8时,新模型计算得到的解更加趋近于有限元分析结果,在这个范围内新模型更优于Hertz模型,微凸体/基体系统的接触情况只与微凸体和基体材料弹性模量比值κ有关,与微凸体形状大小、微凸体材料和基体材料的弹性模量没有太大关系。     

姿态参照系统中硅微机械加速度计的温度补偿

微机械加速度计的输出受到环境温度的影响.文中以姿态参照系统为例,通过温度实验,得到了姿态参照系统中的微机械加速度计在不同温度下的输出,通过数据拟合建立了静态温度模型,对加速度计的零偏和标度因子进行了补偿.在姿态参照系统中对该温度补偿模型进行试验,结果表明得到的模型可以有效地补偿系统中的微机械加速度计的温度误差.使加速度计随温度变化的稳态输出变化的数量级由10-3减小到10-4.该温度补偿方法也适用于其他MEMS惯性测量系统中的微机械加速度计的温度补偿.     

TNTZ钛合金流变行为及物理基本构模型

借助Gleeble-3500热模拟机对Ti-29Nb-13Ta-4.5Zr(TNTZ)钛合金进行了变形温度为700~900 ℃、应变速率为0.001~1 s-1的等温恒应变速率压缩实验,分析了应变速率和变形温度对TNTZ钛合金流变应力的影响。根据实验数据,计算了不同变形条件下的温升值,分析了变形热产生的规律。综合考虑温度对材料自扩散系数和弹性模量的影响以及应变对合金流变应力的影响,通过多元线性回归拟合材料参数与应变之间的函数关系,构建了基于应变补偿的物理基本构模型。研究结果表明：TNTZ钛合金的流变应力随应变速率的增大而增大,随变形温度的升高而减小;变形热效应引起的温升与应变速率正相关,与变形温度负相关。通过应变补偿建立的物理基本构模型预测精度较高,模型相关系数R达0.964,平均相对误差为10.63%。     

8路高精度计量秤仪表数据采集温漂性能的研究

介绍8路高精度计量秤仪表数据采集过程中的温度漂移性能的研究。简单介绍了计量秤的原理和高速高精度ADC芯片AD7190的性能指标;重点介绍了8路仪表运放AD8231的温漂性能,并分析了AD8231温度漂移试验数据;最后介绍了温度传感器DS1820的使用。文章提出了一种软件滤波的方法来克服DS1820在温度采集过程中数据异常的问题。     

基于LM_BP神经网络模型的MEMS加速度计温度补偿方法研究

随着MEMS加速度计应用领域的不断广泛,其温度性能越来越受到重视。在研究扭摆式硅微加速度计结构与温度特性的基础上,采用改进LM_BP神经网络来构建MEMS加速度计的补偿模型,通过实时温度变化优化出温度补偿模型参数,进而实现实时温度补偿。实验结果表明,通过该方法补偿后的标度因数温度系数和全温零偏稳定性分别由252 ppm/℃和16.62 mg/h减小为100 ppm/℃和2.30 mg/h,证明了该温度补偿方法的有效性和可行性。     

SiC_p/2024Al复合材料高应变率热变形行为的新本构模型

通过分离式霍普金森压杆(SHPB)动态压缩试验研究了体积分数为45%的铝基碳化硅颗粒增强复合材料(SiC_p/2024Al)在大应变率和变形温度范围内的热变形行为,分析了热变形参数(变形温度和应变率)对流动应力的影响。研究发现:变形温度和应变率对复合材料的流变应力、抗压强度、弹性模量、应变率敏感性有显著影响;抗压强度、弹性模量随变形温度的增大而减小,而抗压强度、弹性模量、应变率敏感性随应变率的增大出现了拐点。根据试验结果,结合热力学和统计损伤力学理论,建立了描述SiC_p/2024Al复合材料动态热变形行为的连续损伤本构模型,预测的流动应力与试验结果吻合较好,表明所建立的模型能够准确地描述SiC_p/2024Al复合材料动态热变形行为。     

SiCp/2024Al复合材料高应变率热变形行为的新本构模型#br#

通过分离式霍普金森压杆(SHPB)动态压缩试验研究了体积分数为45%的铝基碳化硅颗粒增强复合材料（SiCp/2024Al）在大应变率和变形温度范围内的热变形行为,分析了热变形参数（变形温度和应变率）对流动应力的影响。研究发现：变形温度和应变率对复合材料的流变应力、抗压强度、弹性模量、应变率敏感性有显著影响;抗压强度、弹性模量随变形温度的增大而减小,而抗压强度、弹性模量、应变率敏感性随应变率的增大出现了拐点。根据试验结果,结合热力学和统计损伤力学理论,建立了描述SiCp/2024Al复合材料动态热变形行为的连续损伤本构模型,预测的流动应力与试验结果吻合较好,表明所建立的模型能够准确地描述SiCp/2024Al复合材料动态热变形行为。     

精密直线进给系统直线度热变效应仿真研究

由热效应引起的精密直线进给系统直线度变化会显著影响机床精度稳定性。针对这一问题,对精密直线进给系统直线度的热变效应进行了仿真研究。首先,利用有限元热-流-固耦合仿真技术建立进给系统温度特性仿真模型,并在此基础上构建了进给系统热变形特性仿真模型;然后,分析热变形仿真结果得出进给系统直线度误差热增量及其测试基准线热漂移量的预估模型;最后,通过实验验证了精密直线进给系统直线度热变化分析模型的准确性。研究表明:综合热源对精密直线进给系统直线度误差测试基准线的热漂移具有明显影响,但对直线度误差热增量影响相对较小;而造成直线度热变效应的主要因素是机床床身热变形引起的床身-导轨装配面热漂移。     

多晶硅纳米薄膜牺牲层压力敏感结构设计

为使多晶硅纳米薄膜良好的压阻特性在MEMS(微机电系统)压阻传感器中得到有效应用,在设计牺牲层结构压力传感器芯片中探索性地采用了多晶硅纳米薄膜作为应变电阻,并给出这种传感器的设计方法。分析了牺牲层结构弹性膜片的应力分布对传感器灵敏度的影响,优化设计了量程为0~0.2 MPa多晶硅纳米膜压力传感器芯片的结构参数。有限元法仿真结果表明:在保证传感器灵敏度大于50 mV/(MPa.V)的前提下,零点温漂系数可小于1×10-3FS/℃;灵敏度温漂(无电路补偿)可小于1×10-3FS/℃.为高灵敏、低温漂、低成本的高温压力传感器集成化发展提供了一条可行途径。     

塑料电泳芯片热键合的试验研究

塑料电泳芯片具有绝缘性、透光性好、价格便宜、成型容易和批量生产成本低等优点,是一种新型微型分析装置。研究塑料电泳芯片热键合工艺过程和工艺参数,通过试验建立微通道变形与热键合温度、压力、时间和模压工艺参数的关系,由此提出减小微通道变形的方法,对于完善塑料电泳芯片结构设计和制作的基本理论和基本技术具有积极意义。     

基于平面线圈的石英挠性加速度计的初步设计

针对石英挠性加速度计目前存在的稳定性不好、温漂较大及不能兼顾大量程和高灵敏度测量等问题,提出了使用通电线圈代替永磁材料提供支承磁场,在石英摆片上双面光刻螺旋线圈作为力矩线圈的构想,并以此为基础初步设计了基于平面线圈、灵敏度可调的石英挠性加速度计.经过建模分析,可以达到预想的效果.     

电阻应变片敏感栅结构参数对应变传递的影响研究

针对电阻应变片引起的电阻应变式传感器应变传递误差问题,对不同的电阻应变片敏感栅结构参数进行了研究。建立了传感器弹性体(等强度梁)、基底、敏感栅和覆盖层的三维模型,利用ANSYS有限元软件,采用设置接触的方式将传感器弹性体与应变片粘贴在一起,分析对比了不同敏感栅材料、厚度、栅丝长宽比和栅丝间距时应变片应变分布情况,确定了传感器应变传递误差的影响因素。研究结果表明:敏感栅材料弹性模量越小、厚度越薄和栅丝长宽比越大,应变过渡区和应变传递误差越小,越有利于应变传递,越能准确反映弹性体变形;敏感栅栅丝间距存在最优值。研究结果给出了各结构参数下的相对误差,为传感器电阻应变片的结构设计和应变片的选择提供了依据。