基于閉環(huán)點(diǎn)位置控制的硅微梳齒式加速度計(jì)溫漂抑制方法

徐 哲，劉云峰，董景新

（1.清華大學(xué) 精密儀器系 精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.總參陸航研究所，北京 101121）

基于閉環(huán)點(diǎn)位置控制的硅微梳齒式加速度計(jì)溫漂抑制方法

徐 哲1,2，劉云峰1，董景新1

（1.清華大學(xué) 精密儀器系 精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.總參陸航研究所，北京 101121）

環(huán)境溫度的變化會(huì)造成硅微加速度計(jì)檢測電路輸出漂移，從而使加速度計(jì)敏感質(zhì)量的閉環(huán)點(diǎn)位置產(chǎn)生漂移。通過分析閉環(huán)點(diǎn)位置對(duì)加速度計(jì)標(biāo)度因素K1和零偏K0的影響，證明了閉環(huán)點(diǎn)位置漂移是造成零偏K0溫漂的主要因素和標(biāo)度因素K1溫漂的次要因素。提出了加速度計(jì)閉環(huán)點(diǎn)位置控制方法，通過在環(huán)內(nèi)加入控制電壓可使閉環(huán)點(diǎn)始終工作于穩(wěn)定位置。試驗(yàn)結(jié)果證明，該方法可顯著降低零偏K0的溫漂，閉環(huán)點(diǎn)始終位于零反饋位置時(shí)零偏K0的溫漂系數(shù)可降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，且溫漂滯環(huán)可被壓縮至±1 mV（±7.77 mg）以內(nèi)。

硅微梳齒式加速度計(jì)；溫漂；閉環(huán)點(diǎn)位置；滯環(huán)

硅微加速度計(jì)按照敏感元件檢測方式可分為：電容式、壓阻式、電感式、壓電式、熱對(duì)流式、諧振梁式、隧道電流式、冷原子式等[1]。與其他類型的傳感器相比MEMS慣性儀表具有尺寸小、可靠性高、低功耗、低成本以及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在民用和軍事的諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2-5]。

2011年 Draper實(shí)驗(yàn)室對(duì)未來加速度計(jì)技術(shù)在導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了遠(yuǎn)景分析和預(yù)測[6]，硅微加速度計(jì)從傳統(tǒng)的商業(yè)級(jí)用途正向高精度領(lǐng)域擴(kuò)展，未來硅微加速度計(jì)將占據(jù)戰(zhàn)術(shù)級(jí)和短時(shí)制導(dǎo)級(jí)應(yīng)用領(lǐng)域，且實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程制導(dǎo)級(jí)精度并在該使用領(lǐng)域中占有一席之地。

硅微加速度計(jì)溫度漂移效應(yīng)（簡稱溫漂）始終是影響加速度計(jì)精度的關(guān)鍵因素[7]。受環(huán)境溫度的影響，加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)K1和零偏K0會(huì)出現(xiàn)漂移變化，這成為加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)高精度的瓶頸，嚴(yán)重制約了加速度計(jì)性能的提高，限制了加速度計(jì)的使用范圍。

1 梳齒式微機(jī)械加速度計(jì)閉環(huán)點(diǎn)位置

1.1 加速度計(jì)閉環(huán)工作原理

梳齒式微機(jī)械加速度計(jì)閉環(huán)工作原理如圖1所示。在動(dòng)極板上加入預(yù)載電壓和調(diào)制載波，當(dāng)受到外界加速度影響時(shí)動(dòng)極板偏離平衡位置而使上下差分電容發(fā)生變化，檢測電路對(duì)極板差分電容進(jìn)行檢測，并通過PID校正后向雙側(cè)定極板施加極性相反的反饋電壓，反饋電壓和預(yù)載電壓共同作用產(chǎn)生的靜電合力將動(dòng)極板拉回原平衡點(diǎn)位置并最終形成力平衡閉環(huán)系統(tǒng)。

圖1 梳齒式加速度計(jì)閉環(huán)工作原理圖Fig.1 Close-loop principles of comb-finger accelerometer

加速度計(jì)閉環(huán)工作時(shí)系統(tǒng)受到的慣性力Fa、機(jī)械力Fm和靜電力Fe處于平衡狀態(tài)，根據(jù)力平衡公式可得：

式中，m為敏感結(jié)構(gòu)質(zhì)量，a為慣性加速度，KM為彈性梁的機(jī)械剛度，x為閉環(huán)點(diǎn)偏離幾何中心的量，Δx為彈性梁自然位置與幾何中心距離，n為成對(duì)梳齒數(shù)量，ε0ε為介電常數(shù)，A為極板正對(duì)面積，Vref為預(yù)載電壓，Vb為反饋電壓值（當(dāng)反饋加力系數(shù)Kb為 1時(shí)Vb即為系統(tǒng)輸出電壓值）。

1.2 動(dòng)極板閉環(huán)點(diǎn)位置

在閉環(huán)狀態(tài)下動(dòng)極板有三個(gè)特殊位置：幾何中心、自然位置和零反饋位置。

幾何中心是動(dòng)極板位于定極板的中心對(duì)稱位置。由于眾多成對(duì)梳齒存在加工誤差而不可能存在唯一的中心位置，因此在實(shí)際操作時(shí)幾何中心為正負(fù)加速度輸入時(shí)反饋輸出對(duì)稱的位置，即。當(dāng)閉環(huán)點(diǎn)位置工作于幾何中心時(shí)，x為0，由式(6)得式(7)，即輸入加速度與反饋輸出成線性關(guān)系：

自然位置為 0g輸入下開環(huán)無預(yù)載時(shí)動(dòng)極板所處的位置，也就是兩側(cè)折疊梁所處的自然力平衡位置。當(dāng)兩對(duì)折疊梁結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力完全對(duì)稱時(shí)，幾何中心與自然位置相重合；但由于兩側(cè)折疊梁及電容梳齒不可避免的具有加工誤差而難以完全一致，因此自然位置與幾何中心具有一定偏離，但是這個(gè)偏移量往往較小。當(dāng)加速度計(jì)閉環(huán)工作點(diǎn)處于自然位置時(shí)，由于系統(tǒng)不受梁的機(jī)械力影響，當(dāng)加速度輸入為0時(shí)，預(yù)載與反饋產(chǎn)生的靜電力為0。由式(6)得式(8)，在無加速度輸入的0g位置下滿足式(9)。

零反饋位置為 0g輸入下開環(huán)加預(yù)載時(shí)動(dòng)極板所處的位置，也就是預(yù)載靜電力和折疊梁機(jī)械力平衡時(shí)動(dòng)極板所處的位置。當(dāng)閉環(huán)加速度計(jì)的閉環(huán)點(diǎn)位于零反饋位置時(shí)，在無外界加速度輸入下，由于折疊梁機(jī)械力和預(yù)載靜電力已處于平衡狀態(tài)，因此無需反饋靜電力即閉環(huán)輸出反饋為 0。由式(6)得式(10)，在無加速度輸入的0g位置下滿足式(11)。

2 閉環(huán)點(diǎn)位置的溫漂移動(dòng)

梳齒式微機(jī)械加速度計(jì)常用的檢測電路包括：環(huán)形二極管、單載波橋式、雙載波積分式、單載波雙路積分式和開關(guān)電容積分式等。無論何種形式的檢測電路都不同程度的具有溫漂效應(yīng)，當(dāng)溫度改變時(shí)檢測電路自身會(huì)受到溫度的影響帶來檢測輸出的漂移，而這種檢測漂移會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的溫漂[8-9]。

對(duì)于工作于閉環(huán)狀態(tài)的加速度計(jì)，檢測電路的溫漂相當(dāng)于在環(huán)內(nèi)電容檢測后加入一個(gè)偏置ΔVdc(T)，這個(gè)偏置與環(huán)境溫度T相關(guān)。環(huán)內(nèi)加入偏置使得反饋控制系統(tǒng)引入額外的靜電反饋，通過靜電力的變化拉動(dòng)動(dòng)極板至新的衡點(diǎn)位置，這就表現(xiàn)為閉環(huán)點(diǎn)位置漂移。閉環(huán)點(diǎn)位置的漂移會(huì)造成系統(tǒng)的標(biāo)度因子K1和零偏K0的溫漂變化[10]。

圖2 閉環(huán)加速度計(jì)原理框圖Fig.2 Block diagram of the close-loop accelerometer

3 閉環(huán)點(diǎn)位置對(duì)標(biāo)度因數(shù)和零偏的影響分析

3.1 閉環(huán)點(diǎn)位置對(duì)標(biāo)度因數(shù)K1的影響

理論上講，利用±1g兩個(gè)位置的輸出測量值即可得到加速度計(jì)的線性模型，但由于系統(tǒng)具有非線性，因此為了得到較為精確的模型往往等間隔取多點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)擬合。本文試驗(yàn)均采用四點(diǎn)位置法對(duì)閉環(huán)加速度計(jì)模型進(jìn)行識(shí)別。采用四點(diǎn)位置法的K1計(jì)算公式為：

閉環(huán)加速度計(jì)標(biāo)度因子K1隨閉環(huán)點(diǎn)位置x變化曲線如圖3所示。仿真計(jì)算中實(shí)線為自然位置與幾何中心相重合時(shí)，而虛線和點(diǎn)劃線分別為自然位置向兩側(cè)偏離于幾何中心開環(huán) 1g位置（偏離量為。實(shí)際情況下往往自然位置與幾何中心距離較近，自然位置與幾何中心偏差往往在開環(huán)輸出的±0.1g位置內(nèi)。常溫下在閉環(huán)內(nèi)加入偏置電壓以測試不同閉環(huán)點(diǎn)位置對(duì)K1的影響。理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符合，且從中可以看出標(biāo)度因素K1與閉環(huán)點(diǎn)位置x近似成拋物線形狀；當(dāng)自然位置與幾何中心重合時(shí)，K1在該點(diǎn)具有最大值；當(dāng)自然位置偏離于幾何中心時(shí)，極值點(diǎn)相對(duì)于幾何中心有偏移，但偏移量較小，極值點(diǎn)仍位于幾何中心附近?？梢姰?dāng)閉環(huán)點(diǎn)位置位于幾何中心附近時(shí)，閉環(huán)點(diǎn)位置變化對(duì)K1的影響較小。

圖3 標(biāo)度因子隨閉環(huán)點(diǎn)位置變化規(guī)律Fig.3 Scale factor drift in different close-loop position

3.2 閉環(huán)點(diǎn)位置對(duì)零偏K0的影響

用四點(diǎn)法位置的K0計(jì)算公式為：

圖4 零偏隨閉環(huán)點(diǎn)位置變化規(guī)律Fig.4 Bias drift in different close-loop position

可見，當(dāng)標(biāo)度因子K1改變時(shí)，零偏K0也可能產(chǎn)生變化，因此K1對(duì)K0具有耦合作用，但是當(dāng)閉環(huán)點(diǎn)位置位于幾何中心附近時(shí)，K1的變化量較小則這種耦合影響較小。閉環(huán)加速度計(jì)零偏K0隨閉環(huán)點(diǎn)位置變化規(guī)律如圖4所示，其中橫坐標(biāo)為閉環(huán)點(diǎn)所處位置x等效成開環(huán)時(shí)的輸出加速度，縱坐標(biāo)為零偏K0。理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符合，且從中可以看出零偏K0與閉環(huán)點(diǎn)位置x近似一階線性，且隨著閉環(huán)點(diǎn)位置偏離于幾何中心，非線性偏離程度增強(qiáng)，這是由于K1耦合因素逐漸增大的結(jié)果。

4 基于閉環(huán)點(diǎn)位置控制的溫漂抑制方法及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 閉環(huán)點(diǎn)位置控制方法

從上述分析可知，即使加速度計(jì)初始工作于某一特定位置時(shí)，由于檢測電路的溫漂閉環(huán)點(diǎn)位置也會(huì)產(chǎn)生漂移。對(duì)于閉環(huán)點(diǎn)位置控制的核心思想是在不同溫度下，在環(huán)內(nèi)加入不同的補(bǔ)償控制電壓Vc(T)，將閉環(huán)點(diǎn)拉回原平衡位置，抑制由閉環(huán)點(diǎn)移動(dòng)帶來的系統(tǒng)輸出溫漂。閉環(huán)點(diǎn)位置控制電路框圖如圖5所示。

圖5 控制電路框圖Fig.5 Block diagram of control circuit

4.2 補(bǔ)償控制電壓的獲取

加速度計(jì)在某一溫度點(diǎn)下保溫2 h后，系統(tǒng)達(dá)到熱平衡且溫漂不再變化，進(jìn)行翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)當(dāng)分別輸入± 1g加速度時(shí)系統(tǒng)輸出的改變量相同，則此時(shí)閉環(huán)點(diǎn)位于反饋施加靜電力對(duì)稱位置，即為幾何中心。由于位于幾何中心的控制電壓需要在每個(gè)定點(diǎn)溫度下多次的調(diào)整和嘗試，且基于離散點(diǎn)進(jìn)行擬合的連續(xù)曲線也與實(shí)際有較大誤差，因此閉環(huán)點(diǎn)位于幾何中心的情況僅在定點(diǎn)溫變?cè)囼?yàn)中進(jìn)行作為對(duì)比。由于幾何中心的控制電壓無法連續(xù)獲取，因此無法進(jìn)行連續(xù)溫變下閉環(huán)點(diǎn)位置控制于幾何中心的試驗(yàn)。

將加速度計(jì)的環(huán)路打開且去掉預(yù)載電壓，在 0g位置下對(duì)加速度計(jì)開環(huán)進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)，測試開環(huán)輸出Vdc。此時(shí)無外界加速度輸入且無預(yù)載和反饋靜電力，折疊梁處于自然狀態(tài)，動(dòng)極板位置位于自然位置。在加速度計(jì)閉環(huán)狀態(tài)下，電容檢測輸出端應(yīng)始終為0，當(dāng)在環(huán)內(nèi)此處加入補(bǔ)償電壓時(shí)，則根據(jù)閉環(huán)原理開環(huán)檢測輸出端保持輸出，則動(dòng)極板始終位于自然位置。

同樣將加速度計(jì)的環(huán)路打開且加入預(yù)載電壓，在0g位置下對(duì)加速度計(jì)開環(huán)進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)，此時(shí)無外界加速度輸入且梁的機(jī)械力和反饋的靜電力平衡，則此時(shí)的Vd′c即為保證動(dòng)極板始終位于零反饋位置的開環(huán)輸出電壓。

4.3 定點(diǎn)溫變?cè)囼?yàn)結(jié)果

將加速度計(jì)放入帶有轉(zhuǎn)臺(tái)的溫箱內(nèi)，在 60℃、45℃、30℃、15℃、0℃、-15℃、-30℃和-40℃每個(gè)溫度點(diǎn)下都保溫2 h，使系統(tǒng)達(dá)到充分的熱平衡，在每個(gè)溫度點(diǎn)下按照環(huán)內(nèi)溫漂補(bǔ)償方法對(duì)以下四種情況進(jìn)行試驗(yàn)：①不加入補(bǔ)償電壓（參考端接地）；②加入補(bǔ)償電壓使閉環(huán)點(diǎn)始終工作于幾何中心；③加入補(bǔ)償電壓使閉環(huán)點(diǎn)始終位于自然位置；④加入補(bǔ)償電壓使閉環(huán)點(diǎn)始終位于零反饋位置。圖6為四種情況下的各溫度點(diǎn)的標(biāo)度因數(shù)K1和零偏K0值。

圖6 定點(diǎn)溫度試驗(yàn)補(bǔ)償結(jié)果Fig.6 Compensation result of fixed temperature test

詳細(xì)結(jié)果如表1所示，可以看出前三種情況下的K1溫漂規(guī)律幾乎相同，這是因?yàn)榻拥睾妥匀晃恢枚伎拷趲缀沃行?，閉環(huán)點(diǎn)位置的變化對(duì)K1的影響較?。划?dāng)閉環(huán)點(diǎn)始終位于零反饋位置時(shí)，K1的溫漂比其余三種情況要略大，且溫漂變化率從約 6×10-4/℃上升為7.133×10-4/℃。這是由于零反饋位置相對(duì)于其他三個(gè)位置更加偏離于幾何中心，與其他位置相比閉環(huán)點(diǎn)移動(dòng)對(duì)K1的影響也較大。當(dāng)閉環(huán)點(diǎn)始終工作于零反饋位置時(shí)，零偏K0也始終位于0附近且溫漂僅有0.361 mg/℃，與其他三種情況相比閉環(huán)點(diǎn)位置始終位于零反饋位置的K0溫漂系數(shù)降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)驗(yàn)證明該方法可以極大的抑制和降低K0溫漂。

表1 不同補(bǔ)償方法的試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test result of different compensation methods

4.4 連續(xù)溫變?cè)囼?yàn)結(jié)果

將加速度計(jì)放入溫箱內(nèi)進(jìn)行-40℃～60℃的連續(xù)溫升溫降試驗(yàn)[11]，溫變速率為1℃/min，且在-40℃和60℃分別保溫2 h。對(duì)如下三種情況進(jìn)行試驗(yàn)：①不加入補(bǔ)償電壓（參考端接地），②閉環(huán)點(diǎn)始終工作于自然位置，③閉環(huán)點(diǎn)始終工作于零反饋位置。由于環(huán)境溫度是在連續(xù)變化的，而標(biāo)度因子K1測試需要進(jìn)行翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)，在翻轉(zhuǎn)過程中連續(xù)的溫度變化會(huì)造成很大的誤差，因此本試驗(yàn)僅對(duì)零偏K0進(jìn)行測試和對(duì)比。

1）控制電壓

在0g位置下，分別對(duì)加速度計(jì)進(jìn)行開環(huán)無預(yù)載和開環(huán)有預(yù)載的連續(xù)溫循環(huán)試驗(yàn)，得到的開環(huán)溫漂曲線如圖7所示。根據(jù)無預(yù)載和有預(yù)載的開環(huán)溫漂曲線，即可擬合出使加速度計(jì)保持在自然位置和零反饋位置的控制電壓。

圖7 加速度計(jì)開環(huán)溫漂Fig.7 Thermal drift of open-loop accelerometer

對(duì)加速度計(jì)開環(huán)溫漂曲線利用5階多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，可得到開環(huán)輸出溫漂規(guī)律如下：

式中，ω(n)為多項(xiàng)式擬合系數(shù)，T為當(dāng)前溫度值。

從開環(huán)試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，在升溫和降溫階段曲線出現(xiàn)了滯環(huán)現(xiàn)象，則此開環(huán)溫漂滯環(huán)也會(huì)造成閉環(huán)加速度計(jì)的零偏溫漂滯環(huán)。而直接根據(jù)溫度值進(jìn)行5階多項(xiàng)式擬合則無法反映出滯環(huán)規(guī)律，因此可對(duì)溫升和溫降的不同溫變過程分別進(jìn)行擬合：

2）無滯環(huán)補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)點(diǎn)控制

利用公式(14)擬合控制電壓并對(duì)加速度計(jì)的閉環(huán)點(diǎn)進(jìn)行控制，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出：無補(bǔ)償?shù)娜珳亓闫獽0溫漂為 115.65 mV（892.23 mg），且利用5階多項(xiàng)式補(bǔ)償后該溫漂具有約±2 mV（±15.4 mg）的滯環(huán)；閉環(huán)點(diǎn)始終位于自然位置時(shí)全溫零偏K0溫漂約為82.88 mV（639.43 mg），且利用5階多項(xiàng)式補(bǔ)償后該溫漂具有±2 mV（±15.4 mg）的滯環(huán)；閉環(huán)點(diǎn)始終位于零反饋位置時(shí)全溫零偏K0溫漂僅為6.829 mV（52.687 mg），且具有±3 mV（±23.3 mg）的滯環(huán)。

圖8 無滯環(huán)補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)點(diǎn)控制溫漂試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Thermal drift under close-loop position control without hysteresis compensation

3）具有滯環(huán)補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)點(diǎn)控制

利用式(15)擬合控制電壓，在對(duì)加速度計(jì)的閉環(huán)點(diǎn)進(jìn)行控制時(shí)，通過判斷溫變過程為升溫或降溫來選用不同的控制曲線，以此補(bǔ)償溫漂滯環(huán)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出：閉環(huán)點(diǎn)始終位于自然位置時(shí)的溫漂滯環(huán)由±2 mV（±15.4 mg）下降為±1mV（±7.77 mg）；閉環(huán)點(diǎn)始終位于零反饋時(shí)滯環(huán)由±3 mV（±23.3 mg）下降為±1 mV（±7.77 mg）以內(nèi)。

圖9 具有滯環(huán)補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)點(diǎn)控制溫漂試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Thermal drift under close-loop position control with hysteresis compensation

5 結(jié) 論

梳齒式微機(jī)械加速度計(jì)溫度漂移效應(yīng)始終是影響其綜合精度的最關(guān)鍵因素，標(biāo)度因數(shù)K1溫度穩(wěn)定性和零偏K0溫度穩(wěn)定性成為加速度計(jì)在高精度領(lǐng)域使用的瓶頸。加速度計(jì)檢測電路受到溫度的影響具有溫漂現(xiàn)象，這會(huì)造成閉環(huán)加速度計(jì)閉環(huán)點(diǎn)位置的漂移，而閉環(huán)點(diǎn)位置的改變會(huì)導(dǎo)致K1和K0的變化。

對(duì)不同閉環(huán)點(diǎn)位置下的加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)K1和零偏K0的進(jìn)行了理論分析和計(jì)算，并通過人為加入偏置電壓的方法對(duì)不同閉環(huán)點(diǎn)下的K1和K0進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果相符合。閉環(huán)點(diǎn)位置與K1的曲線類似于拋物線，且K1的極值點(diǎn)位于幾何中心附近；當(dāng)閉環(huán)點(diǎn)工作于幾何中心附近時(shí)，閉環(huán)點(diǎn)位置的變化對(duì)標(biāo)度因數(shù)K1的影響較??；閉環(huán)點(diǎn)位置與K0近似于一階線性；當(dāng)閉環(huán)點(diǎn)位置改變時(shí)零偏K0會(huì)產(chǎn)生很大的漂移，閉環(huán)點(diǎn)位置的變化是造成零偏K0溫漂的主要因素之一。

提出了加速度計(jì)閉環(huán)點(diǎn)位置控制方法，通過在加速度計(jì)環(huán)內(nèi)加入控制電壓使得在溫度改變時(shí)閉環(huán)點(diǎn)始終處于穩(wěn)定位置。試驗(yàn)結(jié)果證明，該方法可穩(wěn)定控制加速度計(jì)閉環(huán)點(diǎn)位置。定點(diǎn)溫變?cè)囼?yàn)結(jié)果表明，與其他閉環(huán)點(diǎn)位置相比零反饋位置時(shí)的加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)K1溫漂系數(shù)雖然由6×10-4/℃上升為7.133×10-4/℃，但零偏K0的溫漂系數(shù)從7 mg/℃降低到0.361 mg/℃。連續(xù)溫變?cè)囼?yàn)結(jié)果表明，具有滯環(huán)補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)點(diǎn)控制更可將零偏K0的溫漂滯環(huán)壓縮在±1 mV（±7.77 mg）以內(nèi)。

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Thermal drift reduction of comb-finger micromechanical silicon accelerometer based on close-loop position control

XU Zhe1,2,LIU Yun-feng1,DONG Jing-xin1
(1.State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments,Department of Precision Instrument,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2.Army Aviation institute,Beijing 101121,China )

The output of accelerometer detection circuit is affected by the change of ambient temperature,so the proof-mass may deviate from the original close-loop position.In this paper,the impacts of the deviation on the scale factor and bias are analyzed.The results show that the close-loop position drift is the main factor for causing the thermal drift of biasK0,and is the secondary factor for causing the thermal drift of scale factorK1.A method based on close-loop position control is proposed.The close-loop position is stabilized in a fixed position by adding control voltage to inner loop.The test results indicate that the thermal drift of the bias is dramatically reduced by means of the close-loop position control.The thermal drift coefficient of the bias in zero-feedback position is decreased by an order of magnitude.The hysteresis is depressed to ±1 mV(±7.77 mg).

comb-finger micromechanical silicon accelerometer;thermal drift;close-loop position;hysteresis

U666.1

：A

1005-6734(2014)01-0114-06

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2014.01.023

2013-09-26；

：2013-11-25

總裝“十二五”預(yù)研項(xiàng)目（513090203**）

徐哲（1981—），男，博士生，從事MEMS慣性儀表研究。 E-mail：xu-z10@mails.tsinghua.edu.cn

聯(lián) 系 人：董景新（1948—），男，教授，博士生導(dǎo)師。 E-mail：dongjx@mail.tsinghua.edu.cn