MEMS陀螺儀芯片級溫控系統(tǒng)的設計

曹慧亮 楊 波 徐 露 李宏生 王壽榮

(東南大學儀器科學與工程學院，南京 210096)

(東南大學微慣性儀表與先進導航技術教育部重點實驗室，南京 210096)

MEMS陀螺儀芯片級溫控系統(tǒng)的設計

曹慧亮 楊 波 徐 露 李宏生 王壽榮

(東南大學儀器科學與工程學院，南京 210096)

(東南大學微慣性儀表與先進導航技術教育部重點實驗室，南京 210096)

為了提高MEMS陀螺儀的溫度性能，基于東南大學自主設計的TC10號溫控陀螺表頭，設計了一種芯片級溫控系統(tǒng).首先，研究了微加熱絲和微熱敏電阻的材料、結構以及表頭的加工工藝，分析了溫控系統(tǒng)的工作原理.然后，建立了表頭內部的溫度模型，利用Ziegler-Nichols經(jīng)驗參數(shù)法，確定了PID參數(shù)并進行系統(tǒng)仿真，驗證了控制系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性.最后，結合模型和仿真參數(shù)設計了溫控電路，并通過溫度實驗得到了微熱敏電阻的溫度特性曲線.結果顯示:溫控系統(tǒng)可將表頭內溫度控制在設定溫度點附近;表頭腔內溫度和驅動模態(tài)諧振頻率在－20～60℃范圍內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，由此驗證了芯片級溫控技術的可行性.

芯片級溫控;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)點已成為一種廣泛應用的慣性儀表，但受精度的限制，它只能應用于低精度場合.影響其性能的因素很多，溫度是其中一個重要因素.由于制作表頭機械結構的硅材料對溫度變化非常敏感，因此溫度的變化會對硅微機械陀螺儀敏感結構造成很大影響，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 材料和結構的改進，即采用低溫度敏感性的材料和結構.該方法實現(xiàn)較為困難，也最為復雜，難以在較短時間內提升陀螺的溫度特性.②溫度補償，即在對陀螺儀輸出信號進行處理時采用軟件算法補償.但這種方法只適應于溫度重復性較好的陀螺儀，而且不同的陀螺儀溫度特性差異很大，需要采取不同的補償方法.③溫度控制，即使整個陀螺儀或慣性測量系統(tǒng)工作環(huán)境溫度盡量恒定.但陀螺儀溫度模型存在一個比較大的延時環(huán)節(jié)，而且溫度監(jiān)控點的選取比較困難，導致控制精度不夠理想，此外還會加大系統(tǒng)功耗.

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

本文首先研究了微結構的設計、溫度仿真以及加工工藝;然后，基于溫控陀螺表頭對溫控系統(tǒng)進行了設計、仿真;最后，通過溫度實驗的對比，證明溫控系統(tǒng)能有效地穩(wěn)定陀螺結構附近的溫度，改善陀螺的溫度特性.

1 芯片級溫控陀螺的結構與加工

以導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構置于其頂端(見圖1(a)和(b)).RL沿錨點內側分布，以盡量保證陀螺結構快速、均勻受熱;RS分布在微加熱絲周圍，以檢測結構周圍溫度.整個結構被封裝在陶瓷真空腔內［7－8］.在結構設計完成后，為了驗證其加熱性能以及熱量的分布，利用ANSYS軟件進行仿真，得到加熱層和陀螺結構層的溫度分布圖(見圖1(c)和(d)).由圖可知，加熱絲可以為陀螺結構提供必要的溫度，陀螺結構的中心溫度和周圍溫度之差在1℃以內，且溫度分布均勻.

圖1 加熱層和陀螺結構層的分布示意圖及溫度仿真圖

芯片級溫控陀螺整體結構的加工采用SOG工藝［9］.加工過程如圖2所示.

2 芯片級溫控陀螺的工作原理

溫控系統(tǒng)工作時，微加熱絲RL在外部驅動電壓的作用下產(chǎn)生熱量.熱量通過輻射的方式在封裝腔內擴散.由于底部的玻璃層導熱性能差，絕大部分熱量被加熱絲上方陀螺結構吸收.熱電阻RS敏感腔內的溫度.溫控系統(tǒng)的電路包含熱敏電阻信號提取電路、PID控制電路(輸出端的二極管可防止負電壓使RL受熱)、電壓基準電路和功率驅動電路(見圖3).

圖2 結構加工示意圖

圖3 溫控系統(tǒng)原理框圖

整個環(huán)路組成了一個自動增益控制系統(tǒng)，芯片內部的溫度點受電壓基準控制.當表頭溫度小于設定值時，前級放大模塊輸出的電壓絕對值小于電壓基準，比較器輸出正電壓使PID控制器輸出為正，二極管導通，驅動電路工作，加熱電阻產(chǎn)生熱量，表頭內溫度升高;當表頭內溫度超過設定值時，前級放大信號大于電壓基準，比較器輸出信號反相，PID控制器輸出為負，二極管截止，導致驅動電路輸入端信號為零，此情況下加熱絲的驅動電壓很小(約為幾個mV)，無法產(chǎn)生熱量，同時，隨著表頭內熱量的向外擴散，表頭內溫度降低.在這種動態(tài)調節(jié)的作用下，表頭內部溫度最終可穩(wěn)定在設定值附近，從而達到溫控的目的.需要注意的是，由于加熱絲RL只能通過加熱的方式控制溫度，故陀螺表頭的工作溫度控制點應設定在外界環(huán)境測試溫度的上限(60℃)以上，以保證在外界溫度變化范圍內系統(tǒng)一直處于加熱的工作狀態(tài).同時，為了盡量減小系統(tǒng)的加熱功耗，將陀螺表頭工作溫度點設定為65℃.

3 溫控系統(tǒng)模型的建立與仿真

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

式中，K為放大系數(shù);H為慣性時間常數(shù);L為延遲時間.本文通過階躍響應法確定上述參數(shù).當測試溫度為0℃時，在RL兩端加上階躍電壓，將RS阻值轉換成溫度信號，繪制階躍響應圖(見圖4).

圖4 陀螺表頭內溫度階躍響應圖

由圖4可知，系統(tǒng)在10 s內可以達到穩(wěn)定狀態(tài)，且其延時較小，有利于溫控系統(tǒng)的設計.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)值所需的時間;y(t)為t時刻的溫度值;m為總采樣點數(shù).

溫控系統(tǒng)的PID參數(shù)由Ziegler-Nichols經(jīng)驗參數(shù)法來確定，其經(jīng)驗參數(shù)公式見表1.

表1 Ziegler-Nichols經(jīng)驗參數(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)，即可得到仿真結果(見圖5).圖5(a)中，K0為環(huán)路前置放大倍數(shù);C為溫度設定值.由圖5(b)可知，系統(tǒng)在較短時間內可將溫度穩(wěn)定在控制點65℃.

表2 仿真參數(shù)

圖5 溫控系統(tǒng)仿真

4 實驗

根據(jù)仿真模型和參數(shù)，設計溫控電路，并進行溫度實驗.圖6為TC10陀螺儀實驗設備照片.

圖6 TC10實物和實驗設備圖

為了反映陀螺表頭內真實溫度，采用高精密熱敏電阻對RS進行標定，并通過多次全溫實驗對其重復性進行驗證.結果表明，RS具有很好的重復性，而且在全溫范圍內還有較好的線性度.經(jīng)最小二乘法擬合，可以得到RS和溫度T的關系為

對陀螺儀在全溫(－20～60℃)范圍內進行了測試，每隔20℃對RS和驅動模態(tài)的諧振頻率fd進行記錄(到達每個溫度點時保溫30 min后再采集數(shù)據(jù))，結果見圖7.從圖中可以看出，溫控系統(tǒng)工作后，陀螺表頭內部的溫度變化量明顯減小.RS在全溫范圍內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，可得表頭封裝內的溫度變化范圍如下:溫控前表頭的內部溫度由－19.987℃上升到了58.466℃，變化了78.453℃;溫控后表頭的內部溫度由61.561℃上升到了66.510℃，變化了4.949℃.由此可知，表頭內溫度明顯得到穩(wěn)定.

硅材料對溫度變化十分敏感.表頭結構尺寸和楊氏模量等參數(shù)會隨溫度發(fā)生變化，從而影響支撐梁的等效剛度系數(shù)，致使驅動模態(tài)的諧振頻率fd在全溫范圍內變化很大(見圖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，硅結構周圍溫度變化不大，fd在全溫范圍內趨于穩(wěn)定，溫度系數(shù)降為 2.21×10－6/℃.為了進一步驗證常溫和全溫范圍內芯片級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機1 h，升溫至60℃，穩(wěn)定后降溫至－20℃，fd的變化曲線圖見圖7(c).從圖中可以看出，在整個測試過程中，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，也暴露了上電后fd穩(wěn)定時間較長(約10 min)的問題，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間內影響了熱敏電阻RS，但熱量在陀螺結構上完成分布需要一段更長的時間;②測試電路開始工作后會產(chǎn)生熱量，隨著陀螺儀外殼內溫度逐漸達到平衡，fd趨于穩(wěn)定.

圖7 溫度實驗結果

5 結語

MEMS陀螺儀芯片級溫控技術克服了傳統(tǒng)溫控方法中模型滯后時間長、溫度監(jiān)測點選取困難的缺點，可以和表頭結構加工相結合，發(fā)揮MEMS陀螺可集成化、可批量生產(chǎn)的優(yōu)勢.本文在－20～60℃的測試溫度范圍內，對東南大學自主研發(fā)的芯片級溫控陀螺儀TC10進行了溫控實驗，并利用熱敏電阻對表頭內實際溫度進行了監(jiān)測.結果顯示，在有溫控系統(tǒng)作用的情況下，陀螺表頭內部的溫度被穩(wěn)定在設定值附近，變化范圍下降了一個數(shù)量級.驅動模態(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/℃，由此證明了該技術的可行性.此外，溫度實驗還驗證了微熱敏電阻和加熱絲的重復性和穩(wěn)定性，為下一階段的改進設計提供了依據(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，博士生導師，hsli@seu.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(61104217)、教育部博士點新教師基金資助項目(200802861063)、船舶工業(yè)國防預研基金資助項目(6922001045)

曹慧亮，楊波，徐露，等.MEMS陀螺儀芯片級溫控系統(tǒng)的設計［J］.東南大學學報:自然科學版，2013，43(1):55－59.［doi:10.3969/j.issn.1001－0505.2013.01.011］