[发明专利]一种谐振式硅微加速度计的非线性振动分析方法

说明书

本发明公开了一种谐振式硅微加速度计的非线性分析方法，包括：(1)建立谐振式硅微加速度计的非线性振动模型；(2)分析谐振式硅微加速度计的非线性振动影响因素及规律；(3)设计谐振式硅微加速度计的非线性振动补偿方法。谐振式硅微加速度计的非线性振动模型是以敏感结构振动特性为纽带，含有轴向拉力、轴向压力和残余内力的振动模型。谐振式硅微加速度计的非线性振动影响因素及规律分析是依据弯曲系数，定量分析谐振敏感结构非线性振动频率响应曲线的弯曲程度，研究非线性振动影响因素及规律。谐振式硅微加速度计的非线性振动补偿方法是根据敏感结构非线性振动引起的加速度计测量误差，建立非线性振动引起的频率输出模型，设计差动误差补偿结构，提出测量误差补偿方法。

技术领域

本发明属于惯性技术领域，涉及一种谐振式硅微加速度计，特别涉及一种直接频率输出谐振式加速度计的非线性振动分析方法，适用于中低精度的低成本导航系统及定位、定向系统等。

背景技术

基于谐振式测量原理，工作于闭环状态的直接输出频率量(准数字量)的谐振式加速度传感器(无需A/D、无需V/F)，其输出主要取决于微机械谐振敏感结构(两根谐振梁组成)自身的机械谐振状态，几乎不受电路参数变化的影响。因此，此类型传感器性能稳定可靠、精度高，易与计算机匹配，是当今硅微加速度计发展的主流和研究的重点。现阶段，随着信息技术、微电子技术和新材料技术的快速发展，谐振式硅微加速度计凭借其小型化、低功耗、低成本的优势在航空、航天、航海、国防、工业等高技术领域得到了广泛的应用。与传统机械加工工艺的宏观器件相比，谐振式硅微加速度计敏感结构尺寸微小，增强微弱振动信号时敏感结构振幅增大。大振幅使敏感结构进入非线性振动状态，造成谐振梁固有频率偏移，从而导致测量误差，甚至使传感器无法正常工作。因此，研究谐振式硅微加速度计的非线性振动特性已成为保证谐振式硅微加速度计高精度、高可靠性、长寿命的重要前提。

针对谐振式硅微加速度计的非线性振动研究，首先，精确的谐振式硅微加速度计敏感结构的非线性振动模型对准确预测其相应特性至关重要。对于大多数微尺度的谐振式加速度计敏感结构，经典牛顿力学仍然适用，然而对于一些特征尺寸为纳米级的硅微敏感机构则需要量子力学描述其动态响应。其次，许多硅微敏感结构需要工作于闭环状态，对硅微敏感结构的建模需要考虑敏感结构和闭环电路的相互影响。此外，谐振式硅微加速度计随工作环境和工作状态变化产生不同的非线性动态响应特性，测量系统难以准确锁定谐振梁的固有振动频率，造成传感器测量误差，甚至导致传感器无法工作，所以谐振式硅微加速度计敏感结构非线性振动的影响因素及规律问题变得十分突出。最后，谐振式硅微加速度计敏感结构通常具有很高的机械品质因数，在线性振动状态下谐振频率近似等于固有振动频率，锁定谐振频率近似锁定固有振动频率。但处于非线性振动状态时，敏感结构的幅频特性发生弯曲，谐振频率严重偏离固有振动频率，将给传感器造成较大的测量误差。所以，谐振式硅微加速度计敏感结构非线性振动误差的补偿方法研究不可忽视。

本发明以频率型硅微传感器为研究对象，针对敏感结构的非线性振动导致系统测量精度降低的问题，深入开展敏感结构的非线性振动特性研究，突破非线性振动情况下考虑传感器高精度测量技术，解决传感器敏感结构非线性振动与测试精度之间的矛盾，提升敏感结构大振幅需求下测试精度物理实现能力，为我国频率型传感器高精度测量技术的研究提供宝贵的研究基础和研究思路。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：现阶段谐振式硅微加速度计敏感结构处于某种程度的非线性振动状态，造成传感器测量误差，甚至使传感器无法正常工作；谐振式硅微加速度计敏感结构的振动非线性使其频率响应特性曲线发生弯曲，使检测电路难以准确锁定固有振动频率，造成传感器测量误差。建立谐振式硅微加速度计敏感结构的非线性振动模型；研究敏感结构非线性振动的影响因素及规律；开展敏感结构非线性振动误差的估计与补偿方法研究。预期成果将为新一代高精度硅微传感器提供更高效的研究方案和思路，并推广到基于硅微技术的其它类型传感器，满足新一代传感技术高精度检测的需要。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种谐振式硅微加速度计的非线性振动分析方法，具体步骤如下：