曹慧亮 楊 波 徐 露 李宏生 王壽榮

(東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210096)

(東南大學(xué)微慣性儀表與先進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)

MEMS陀螺儀芯片級(jí)溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曹慧亮 楊 波 徐 露 李宏生 王壽榮

(東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210096)

(東南大學(xué)微慣性儀表與先進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)

為了提高M(jìn)EMS陀螺儀的溫度性能，基于東南大學(xué)自主設(shè)計(jì)的TC10號(hào)溫控陀螺表頭，設(shè)計(jì)了一種芯片級(jí)溫控系統(tǒng).首先，研究了微加熱絲和微熱敏電阻的材料、結(jié)構(gòu)以及表頭的加工工藝，分析了溫控系統(tǒng)的工作原理.然后，建立了表頭內(nèi)部的溫度模型，利用Ziegler-Nichols經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法，確定了PID參數(shù)并進(jìn)行系統(tǒng)仿真，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性.最后，結(jié)合模型和仿真參數(shù)設(shè)計(jì)了溫控電路，并通過(guò)溫度實(shí)驗(yàn)得到了微熱敏電阻的溫度特性曲線.結(jié)果顯示:溫控系統(tǒng)可將表頭內(nèi)溫度控制在設(shè)定溫度點(diǎn)附近;表頭腔內(nèi)溫度和驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率在－20～60℃范圍內(nèi)的變化量分別由溫控前的78.453℃和3.76 Hz下降到溫控后的4.949℃和0.48 Hz，由此驗(yàn)證了芯片級(jí)溫控技術(shù)的可行性.

芯片級(jí)溫控;MEMS陀螺儀;溫度模型;諧振頻率

MEMS陀螺儀憑借其體積小、成本低、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)已成為一種廣泛應(yīng)用的慣性儀表，但受精度的限制，它只能應(yīng)用于低精度場(chǎng)合.影響其性能的因素很多，溫度是其中一個(gè)重要因素.由于制作表頭機(jī)械結(jié)構(gòu)的硅材料對(duì)溫度變化非常敏感，因此溫度的變化會(huì)對(duì)硅微機(jī)械陀螺儀敏感結(jié)構(gòu)造成很大影響，繼而降低陀螺儀的整體性能［1－3］.通常提高陀螺溫度性能的方法有3種［4－5］:① 材料和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，即采用低溫度敏感性的材料和結(jié)構(gòu).該方法實(shí)現(xiàn)較為困難，也最為復(fù)雜，難以在較短時(shí)間內(nèi)提升陀螺的溫度特性.②溫度補(bǔ)償，即在對(duì)陀螺儀輸出信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)采用軟件算法補(bǔ)償.但這種方法只適應(yīng)于溫度重復(fù)性較好的陀螺儀，而且不同的陀螺儀溫度特性差異很大，需要采取不同的補(bǔ)償方法.③溫度控制，即使整個(gè)陀螺儀或慣性測(cè)量系統(tǒng)工作環(huán)境溫度盡量恒定.但陀螺儀溫度模型存在一個(gè)比較大的延時(shí)環(huán)節(jié)，而且溫度監(jiān)控點(diǎn)的選取比較困難，導(dǎo)致控制精度不夠理想，此外還會(huì)加大系統(tǒng)功耗.

通常情況下，陀螺的敏感結(jié)構(gòu)被封裝在一個(gè)腔體內(nèi).這種封裝方式不僅可保護(hù)敏感結(jié)構(gòu)，還能為其提供一個(gè)真空工作環(huán)境，降低空氣阻尼系數(shù)，提高品質(zhì)因數(shù).所謂芯片級(jí)溫控技術(shù)，就是在這個(gè)小的真空腔內(nèi)利用微熱敏電阻器和微加熱絲對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控，穩(wěn)定真空腔內(nèi)溫度，減少外界環(huán)境溫度變化對(duì)陀螺敏感結(jié)構(gòu)的影響.該技術(shù)不僅可縮短溫度模型的滯后時(shí)間、降低功耗、提高溫控精度，還可以與 MEMS陀螺結(jié)構(gòu)集成，便于批量生產(chǎn)［6－7］.

本文首先研究了微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、溫度仿真以及加工工藝;然后，基于溫控陀螺表頭對(duì)溫控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、仿真;最后，通過(guò)溫度實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，證明溫控系統(tǒng)能有效地穩(wěn)定陀螺結(jié)構(gòu)附近的溫度，改善陀螺的溫度特性.

1 芯片級(jí)溫控陀螺的結(jié)構(gòu)與加工

以導(dǎo)熱性能差的玻璃為基座，并以之作為絕熱層.將鉑鈦合金材料加工而成的微加熱絲RL和熱敏電阻RS分布于絕熱層上，將硅材料加工而成的陀螺敏感結(jié)構(gòu)置于其頂端(見(jiàn)圖1(a)和(b)).RL沿錨點(diǎn)內(nèi)側(cè)分布，以盡量保證陀螺結(jié)構(gòu)快速、均勻受熱;RS分布在微加熱絲周?chē)?，以檢測(cè)結(jié)構(gòu)周?chē)鷾囟?整個(gè)結(jié)構(gòu)被封裝在陶瓷真空腔內(nèi)［7－8］.在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，為了驗(yàn)證其加熱性能以及熱量的分布，利用ANSYS軟件進(jìn)行仿真，得到加熱層和陀螺結(jié)構(gòu)層的溫度分布圖(見(jiàn)圖1(c)和(d)).由圖可知，加熱絲可以為陀螺結(jié)構(gòu)提供必要的溫度，陀螺結(jié)構(gòu)的中心溫度和周?chē)鷾囟戎钤?℃以內(nèi)，且溫度分布均勻.

圖1 加熱層和陀螺結(jié)構(gòu)層的分布示意圖及溫度仿真圖

芯片級(jí)溫控陀螺整體結(jié)構(gòu)的加工采用SOG工藝［9］.加工過(guò)程如圖2所示.

2 芯片級(jí)溫控陀螺的工作原理

溫控系統(tǒng)工作時(shí)，微加熱絲RL在外部驅(qū)動(dòng)電壓的作用下產(chǎn)生熱量.熱量通過(guò)輻射的方式在封裝腔內(nèi)擴(kuò)散.由于底部的玻璃層導(dǎo)熱性能差，絕大部分熱量被加熱絲上方陀螺結(jié)構(gòu)吸收.熱電阻RS敏感腔內(nèi)的溫度.溫控系統(tǒng)的電路包含熱敏電阻信號(hào)提取電路、PID控制電路(輸出端的二極管可防止負(fù)電壓使RL受熱)、電壓基準(zhǔn)電路和功率驅(qū)動(dòng)電路(見(jiàn)圖3).

圖2 結(jié)構(gòu)加工示意圖

圖3 溫控系統(tǒng)原理框圖

整個(gè)環(huán)路組成了一個(gè)自動(dòng)增益控制系統(tǒng)，芯片內(nèi)部的溫度點(diǎn)受電壓基準(zhǔn)控制.當(dāng)表頭溫度小于設(shè)定值時(shí)，前級(jí)放大模塊輸出的電壓絕對(duì)值小于電壓基準(zhǔn)，比較器輸出正電壓使PID控制器輸出為正，二極管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電路工作，加熱電阻產(chǎn)生熱量，表頭內(nèi)溫度升高;當(dāng)表頭內(nèi)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，前級(jí)放大信號(hào)大于電壓基準(zhǔn)，比較器輸出信號(hào)反相，PID控制器輸出為負(fù)，二極管截止，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路輸入端信號(hào)為零，此情況下加熱絲的驅(qū)動(dòng)電壓很小(約為幾個(gè)mV)，無(wú)法產(chǎn)生熱量，同時(shí)，隨著表頭內(nèi)熱量的向外擴(kuò)散，表頭內(nèi)溫度降低.在這種動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的作用下，表頭內(nèi)部溫度最終可穩(wěn)定在設(shè)定值附近，從而達(dá)到溫控的目的.需要注意的是，由于加熱絲RL只能通過(guò)加熱的方式控制溫度，故陀螺表頭的工作溫度控制點(diǎn)應(yīng)設(shè)定在外界環(huán)境測(cè)試溫度的上限(60℃)以上，以保證在外界溫度變化范圍內(nèi)系統(tǒng)一直處于加熱的工作狀態(tài).同時(shí)，為了盡量減小系統(tǒng)的加熱功耗，將陀螺表頭工作溫度點(diǎn)設(shè)定為65℃.

3 溫控系統(tǒng)模型的建立與仿真

首先，建立了一個(gè)關(guān)于RL兩端加熱電壓與RS檢測(cè)到的溫度信息的關(guān)系模型.溫度控制系統(tǒng)是一種一階慣性加純延時(shí)系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為［10］

式中，K為放大系數(shù);H為慣性時(shí)間常數(shù);L為延遲時(shí)間.本文通過(guò)階躍響應(yīng)法確定上述參數(shù).當(dāng)測(cè)試溫度為0℃時(shí)，在RL兩端加上階躍電壓，將RS阻值轉(zhuǎn)換成溫度信號(hào)，繪制階躍響應(yīng)圖(見(jiàn)圖4).

圖4 陀螺表頭內(nèi)溫度階躍響應(yīng)圖

由圖4可知，系統(tǒng)在10 s內(nèi)可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且其延時(shí)較小，有利于溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì).基于特征面積法，從圖4中提取曲線面積特征，并根據(jù)下式計(jì)算得到參數(shù)K，H，L:

式中，y(∞)=65℃為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)值;u0=5 V為階躍電壓輸入值;t0=0.02 s為采樣周期;mr為系統(tǒng)上升到穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間;y(t)為t時(shí)刻的溫度值;m為總采樣點(diǎn)數(shù).

溫控系統(tǒng)的PID參數(shù)由Ziegler-Nichols經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法來(lái)確定，其經(jīng)驗(yàn)參數(shù)公式見(jiàn)表1.

表1 Ziegler-Nichols經(jīng)驗(yàn)參數(shù)公式

根據(jù)溫控系統(tǒng)原理，在Matlab軟件中建立系統(tǒng)模型.代入表2中的參數(shù)，即可得到仿真結(jié)果(見(jiàn)圖5).圖5(a)中，K0為環(huán)路前置放大倍數(shù);C為溫度設(shè)定值.由圖5(b)可知，系統(tǒng)在較短時(shí)間內(nèi)可將溫度穩(wěn)定在控制點(diǎn)65℃.

表2 仿真參數(shù)

圖5 溫控系統(tǒng)仿真

4 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)仿真模型和參數(shù)，設(shè)計(jì)溫控電路，并進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn).圖6為T(mén)C10陀螺儀實(shí)驗(yàn)設(shè)備照片.

圖6 TC10實(shí)物和實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖

為了反映陀螺表頭內(nèi)真實(shí)溫度，采用高精密熱敏電阻對(duì)RS進(jìn)行標(biāo)定，并通過(guò)多次全溫實(shí)驗(yàn)對(duì)其重復(fù)性進(jìn)行驗(yàn)證.結(jié)果表明，RS具有很好的重復(fù)性，而且在全溫范圍內(nèi)還有較好的線性度.經(jīng)最小二乘法擬合，可以得到RS和溫度T的關(guān)系為

對(duì)陀螺儀在全溫(－20～60℃)范圍內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試，每隔20℃對(duì)RS和驅(qū)動(dòng)模態(tài)的諧振頻率fd進(jìn)行記錄(到達(dá)每個(gè)溫度點(diǎn)時(shí)保溫30 min后再采集數(shù)據(jù))，結(jié)果見(jiàn)圖7.從圖中可以看出，溫控系統(tǒng)工作后，陀螺表頭內(nèi)部的溫度變化量明顯減小.RS在全溫范圍內(nèi)的變化量由溫控前的近77 Ω減小到了溫控后的5 Ω.將圖7(a)中的數(shù)值代入式(3)中，可得表頭封裝內(nèi)的溫度變化范圍如下:溫控前表頭的內(nèi)部溫度由－19.987℃上升到了58.466℃，變化了78.453℃;溫控后表頭的內(nèi)部溫度由61.561℃上升到了66.510℃，變化了4.949℃.由此可知，表頭內(nèi)溫度明顯得到穩(wěn)定.

硅材料對(duì)溫度變化十分敏感.表頭結(jié)構(gòu)尺寸和楊氏模量等參數(shù)會(huì)隨溫度發(fā)生變化，從而影響支撐梁的等效剛度系數(shù)，致使驅(qū)動(dòng)模態(tài)的諧振頻率fd在全溫范圍內(nèi)變化很大(見(jiàn)圖7(b).溫控前fd的溫度系數(shù)為1.72×10－5/℃;加入溫控系統(tǒng)后，硅結(jié)構(gòu)周?chē)鷾囟茸兓淮螅琭d在全溫范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定，溫度系數(shù)降為 2.21×10－6/℃.為了進(jìn)一步驗(yàn)證常溫和全溫范圍內(nèi)芯片級(jí)溫控陀螺中溫控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在陀螺完全冷卻的條件下常溫開(kāi)機(jī)1 h，升溫至60℃，穩(wěn)定后降溫至－20℃，fd的變化曲線圖見(jiàn)圖7(c).從圖中可以看出，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，fd變化較平穩(wěn)，且變化范圍較小，由此證明了溫控的有效性和可靠性.同時(shí)，也暴露了上電后fd穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)(約10 min)的問(wèn)題，產(chǎn)生的主要原因可能是:①加熱絲產(chǎn)生的溫度雖然在很短時(shí)間內(nèi)影響了熱敏電阻RS，但熱量在陀螺結(jié)構(gòu)上完成分布需要一段更長(zhǎng)的時(shí)間;②測(cè)試電路開(kāi)始工作后會(huì)產(chǎn)生熱量，隨著陀螺儀外殼內(nèi)溫度逐漸達(dá)到平衡，fd趨于穩(wěn)定.

圖7 溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

MEMS陀螺儀芯片級(jí)溫控技術(shù)克服了傳統(tǒng)溫控方法中模型滯后時(shí)間長(zhǎng)、溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取困難的缺點(diǎn)，可以和表頭結(jié)構(gòu)加工相結(jié)合，發(fā)揮MEMS陀螺可集成化、可批量生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì).本文在－20～60℃的測(cè)試溫度范圍內(nèi)，對(duì)東南大學(xué)自主研發(fā)的芯片級(jí)溫控陀螺儀TC10進(jìn)行了溫控實(shí)驗(yàn)，并利用熱敏電阻對(duì)表頭內(nèi)實(shí)際溫度進(jìn)行了監(jiān)測(cè).結(jié)果顯示，在有溫控系統(tǒng)作用的情況下，陀螺表頭內(nèi)部的溫度被穩(wěn)定在設(shè)定值附近，變化范圍下降了一個(gè)數(shù)量級(jí).驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率的溫度系數(shù)從溫控前的1.72×10－5/℃下降到了溫控后的2.21×10－6/℃，由此證明了該技術(shù)的可行性.此外，溫度實(shí)驗(yàn)還驗(yàn)證了微熱敏電阻和加熱絲的重復(fù)性和穩(wěn)定性，為下一階段的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù).

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Design of on-chip temperature-controlling system for MEMS vibratory gyroscope

Cao Huiliang Yang Bo Xu Lu Li Hongsheng Wang Shourong

(School of Instrument Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)
(Key Laboratory of Micro-Inertial Instrument and Advanced Navigation Technology of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China)

To improve the temperature characteristic of a micro electro mechanical system(MEMS)gyroscope，an on-chip temperature-controlling system is designed based on the gyroscope structure chip TC10 designed by Southeast University.First，the material and structure of a micro heater and a micro thermal resistance are discussed and the working principle of the temperature-controlling system is analyzed.Then，the temperature model of the gyroscope chip is established.The proportion integration differentiation(PID)parameters are determined by using the Ziegler-Nichols method.The system model is simulated，and the rapidity and stability of the system is proved.Finally，the controlling circuit is designed through combining the model and the PID parameters.The temperature curve of the micro thermal resistance is drawn through the temperature experiments.The results show that the temperature in gyroscope chip can be controlled near the controlling point in thermal experiments.With the temperature controlling，when the ambient temperature ranges from－20 to 60℃，the temperature variation in gyroscope chip decreases from 78.453 to 4.949 ℃，and the variation of drive mode resonance frequency changes from 3.76 to 0.48 Hz，which proves the feasibility of the on-chip temperature-controlling technology.

on-chip temperature-controlling;micro electro mechanical system(MEMS)gyroscope;temperature model;resonant frequency

V241.6

A

1001－0505(2013)01-0055-05

10.3969/j.issn.1001－0505.2013.01.011

2012-05-16.

曹慧亮(1986—)，男，博士生;李宏生(1964—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，hsli@seu.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61104217)、教育部博士點(diǎn)新教師基金資助項(xiàng)目(200802861063)、船舶工業(yè)國(guó)防預(yù)研基金資助項(xiàng)目(6922001045)

曹慧亮，楊波，徐露，等.MEMS陀螺儀芯片級(jí)溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，43(1):55－59.［doi:10.3969/j.issn.1001－0505.2013.01.011］