楊 敏,陳福彬,朱嘉林,田文杰

(1.北京信息科技大學(xué) 傳感器重點實驗室,北京100101;2.北京信息科技大學(xué) 自動化學(xué)院,北京100101)

0 引言

石英諧振加速度計因體積小、功耗低和高分辨率[1]等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于慣性導(dǎo)航、地震監(jiān)測和電子消費等領(lǐng)域[2-4]。石英諧振加速度計是一種具有力-頻轉(zhuǎn)換特性的加速度計,其核心部件是采用石英晶體按特定切型制作的諧振器敏感結(jié)構(gòu)。其敏感結(jié)構(gòu)和材料的熱穩(wěn)定性是溫度漂移的主要誤差來源,結(jié)構(gòu)溫漂占主導(dǎo)地位[5]。石英材料的楊氏模量隨溫度變化,且石英結(jié)構(gòu)與粘結(jié)劑、結(jié)構(gòu)件之間的熱膨脹系數(shù)失配會使諧振器的輸出頻率產(chǎn)生漂移。近年來,石英諧振加速度計的溫度補償和低溫漂結(jié)構(gòu)設(shè)計是研究熱點之一。

為了降低諧振器輸出頻率的溫漂系數(shù),本文通過低溫漂結(jié)構(gòu)設(shè)計,采用對稱的結(jié)構(gòu)將諧振器之間的頻率進行差分操作,有效地抑制了共模溫漂,獲得了更高的溫度穩(wěn)定性。同時通過工藝優(yōu)化降低粘結(jié)劑的熱膨脹系數(shù),減小了對諧振器產(chǎn)生的熱應(yīng)力。最后基于隨機森林回歸算法對加速度計進行軟件補償,盡可能地消除加速度計殘余溫度漂移。

1 加速度計結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 低溫漂結(jié)構(gòu)設(shè)計

加速度計的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。本文設(shè)計的集成式石英諧振加速度計采用軸對稱的差分結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)主要由質(zhì)量塊、撓性軸、支撐底座和基頻為20 MHz的諧振器集群(即敏感元件)組成。每側(cè)的敏感結(jié)構(gòu)為平面倒邊圓盤式石英晶片,晶片上設(shè)置3對相同直徑的電極,構(gòu)成三電極的諧振器集群可滿足互不干擾的要求。

圖1 集成式石英諧振加速度計結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 差頻工作原理

本文對不同諧振器之間做差頻處理,將差頻輸出信號進行疊加求和。石英晶片上集成的諧振器數(shù)量越多,差頻處理后的信號力頻特性越顯著[6]。將兩片石英晶片上A諧振器與其他諧振器做差頻(令左側(cè)晶片為序列1,右側(cè)晶片為序列2,即A1-B1,A1-C1,A2-B2,A2-C2)。對于加速度計的差頻工作模式,每個晶片的總差頻為

fi=(Ai-Bi)+(Ai-Ci)i=1,2

(1)

加速度計輸出總頻率表示為

f=f1-f2

(2)

式中:f1為左側(cè)晶片總差頻;f2為右側(cè)晶片總差頻。

加速度與諧振器的諧振頻率之間的關(guān)系為

f=K(t)a+b(t)

(3)

式中:f為加速度計輸出總頻率;K(t)為當(dāng)前溫度下的標(biāo)度因數(shù);b(t)為當(dāng)前溫度下的零偏;a為加速度計受到的加速度。

2 工藝優(yōu)化及對比

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

諧振器所受額外熱應(yīng)力與封裝工藝密切相關(guān),封裝的石英諧振加速度計主要通過熱傳導(dǎo)的方式實現(xiàn)敏感元件與外界的熱量傳遞。由于石英晶片和支撐結(jié)構(gòu)之間需要通過粘結(jié)劑連接并固定,所以當(dāng)加速度計所處的環(huán)境溫度發(fā)生變化時,加速度計的支撐結(jié)構(gòu)中不同材料的熱脹冷縮會對石英晶片產(chǎn)生額外的熱應(yīng)力。本文選取兩種不同的粘結(jié)劑進行制備:采用環(huán)氧樹脂膠制作加速度計樣機編號為HY-1,采用鑄工膠制作的加速度計樣機編號為ZG-2。為了更好地降低溫度漂移,本文進一步進行工藝優(yōu)化,在石英片基底鍍上一層金膜,示意圖如圖2所示。同時采用熱膨脹系數(shù)更小、密度更大的導(dǎo)電銀膠粘結(jié)金膜與結(jié)構(gòu)件。工藝改進后制備的加速度計樣機編號為Y-3,如圖3所示。

圖2 改進后石英晶片示意圖

圖3 加速度計樣機實物圖

2.2 溫漂測試對比

為了檢驗不同粘結(jié)劑在變溫環(huán)境下對石英諧振器集群輸出頻率的影響,將制作完成后的3個加速度計樣機分別進行溫度實驗,采集諧振器在-20～80 ℃溫度范圍內(nèi)的輸出信號頻率。樣機HY-1、樣機ZG-2和樣機Y-3各諧振器的零偏-溫度曲線如圖4所示。

圖4 3個加速度計樣機的溫漂曲線圖

由圖4可知,石英結(jié)構(gòu)與粘結(jié)劑、粘結(jié)劑與支撐結(jié)構(gòu)之間的熱膨脹系數(shù)的失配會影響諧振器頻率變化。當(dāng)溫度升高時,粘接劑和結(jié)構(gòu)件的體積增大,對晶片產(chǎn)生壓力;當(dāng)溫度降低時,粘接劑和結(jié)構(gòu)件的體積減少,對晶片產(chǎn)生拉力。同一晶片上各個諧振器的溫漂情況相似,可以通過差頻做初步的抑制。將兩片石英晶片上的諧振器A與同晶片上其他不同位置的諧振器輸出信號做差頻,3個加速度計樣機差頻后的結(jié)果如圖5所示。差頻前、后的溫漂如表1所示。由表可見,對信號做差頻處理可以初步抑制石英諧振器的溫漂現(xiàn)象,一定程度上降低了零點偏移量。但是加速度計的結(jié)構(gòu)對稱性、材料彈性模量和電路器件性能參數(shù)仍導(dǎo)致諧振器存在殘余溫漂,影響了加速度計的性能。

表1 差頻前、后的偏移量對比

圖5 3個加速度計樣機差頻結(jié)果

3 溫度補償

3.1 溫度建模

通過對工藝進行改進以及做差頻處理,溫漂得到初步改善,進一步通過軟件對加速度計的輸出進行溫度補償。隨機森林算法是數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域中常見且有效的算法,其模型由多個不相關(guān)的決策樹組成,如圖6所示。樣本特征是隨機選擇并投票[7],根據(jù)投票結(jié)果輸出最強的學(xué)習(xí)器。

圖6 隨機森林回歸模型

本文以加速度計樣機Y-3為例,采用隨機森林回歸算法擬合-20～80 ℃溫度下的總零偏,如圖7(a)所示。該算法具有很強的非線性映射能力,決定系數(shù)大于0.999 96。以常溫25 ℃為參考零點對加速度計的輸出總頻率進行補償,補償后的結(jié)果如圖7(b)所示,零偏穩(wěn)定性得到很大改善。

3.2 補償效果實測

為驗證上述溫度模型的實際有效性,將加速度計固定于溫箱中某一位置進行溫度實驗檢驗補償效果。實驗環(huán)境搭建如圖8所示,將其置入溫度控制箱中,從-20 ℃升至80 ℃。

圖8 試驗平臺實物圖

利用模型對加速度計輸出數(shù)據(jù)進行校正,結(jié)果如圖9所示。補償前、后的零偏溫度系數(shù)對比如表2所示。由表可見,溫度引起的頻率變化得到明顯抑制。

表2 補償前后零偏溫度系數(shù)對比

圖9 實際補償結(jié)果

4 結(jié)束語

諧振器所受額外熱應(yīng)力與封裝工藝密切相關(guān),本文介紹了石英諧振加速度計的低溫漂設(shè)計,并在工藝改進的基礎(chǔ)上進行軟件補償。通過溫度漂移測試獲得-20～80 ℃溫度下對應(yīng)的信號頻率,經(jīng)差頻處理后,采用隨機森林回歸擬合并補償。驗證結(jié)果表明,補償后石英諧振加速度計的零偏穩(wěn)定性得到很大改善,在較寬的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出較優(yōu)異的零偏穩(wěn)定性。