硅微諧振加速度計(jì)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

楊 博，闞寶璽，徐宇新，胡啟方

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

硅微諧振加速度計(jì)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

楊 博，闞寶璽，徐宇新，胡啟方

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

硅微諧振加速度計(jì)具有體積小、功耗低、準(zhǔn)數(shù)字量輸出和精度提升大的優(yōu)點(diǎn)，是一種具有良好應(yīng)用前景的高精度MEMS慣性儀表。總結(jié)分析了近些年國(guó)內(nèi)外在硅微諧振加速度計(jì)方面的研究現(xiàn)狀，主要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝、測(cè)控電路設(shè)計(jì)等方面闡述了各自特點(diǎn)。最后，結(jié)合近些年MEMS慣性儀表的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)硅微諧振加速度計(jì)晶圓級(jí)真空封裝、測(cè)控電路數(shù)字化、儀表補(bǔ)償智能化3個(gè)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

硅微諧振加速度計(jì)；晶圓級(jí)封裝；測(cè)控電路；溫度補(bǔ)償

Abstract：The Silicon resonant accelerometer is a kind of high precision MEMS inertia device with good application prospect，due to the advantages of its small size，low cost，quasi?digital output，and high?precision potential．This paper summarizes the research status of Silicon resonantaccelerometer，and describes their characteristicsmainly in aspectof struc?ture and fabrication process，interface circuit，etal．Finally，based on the development trends ofMEMS，this paper prospects the two development directions of Silicon resonant accelerometer—wafer level package and digitization of interface circuit．

Key words：Silicon resonantaccelerometer;wafer level packaging（WLP）;interface circuit;temperature compensation

0 引言

目前，中高精度的加速度計(jì)主要是擺式積分陀螺加速度計(jì)（PIGA）和石英撓性加速度計(jì)，但均為模擬量輸出。同時(shí)，PIGA體積較大，維護(hù)費(fèi)用較高［1］。與傳統(tǒng)慣性儀表相比，以MEMS工藝制造的新型慣性儀表具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、成本小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。1977年，美國(guó)斯坦福大學(xué)首先采用微機(jī)械加工技術(shù)制造出了一種開環(huán)硅加速度計(jì)［2］。經(jīng)過不斷的發(fā)展和改進(jìn)，MEMS加速度計(jì)正在從低精度向中高精度領(lǐng)域邁進(jìn)。

硅微諧振加速度計(jì)是一種具有高精度潛力的MEMS加速度計(jì)。圖1是硅微諧振加速度計(jì)的原理示意圖，其工作原理是：檢測(cè)質(zhì)量在外界加速度的作用下對(duì)雙端固定音叉（DEFT）分別產(chǎn)生軸向慣性力，一個(gè)音叉受拉力而諧振頻率增大，另一個(gè)音叉受推力而諧振頻率減小，頻差正比于外界加速度的大小，通過檢測(cè)頻率的變化量，可以獲得外界輸入加速度的大小。

圖2是采用靜電驅(qū)動(dòng)方式的硅微諧振式加速度計(jì)系統(tǒng)原理框圖。硅微諧振式加速度計(jì)工作時(shí)，兩側(cè)的諧振梁在靜電激勵(lì)下始終處于諧振狀態(tài)。有外界輸入加速度時(shí)，兩側(cè)諧振梁的諧振頻率分別等量地增大和減小，這種頻率變化可以通過電容檢測(cè)電路（C／V電路）識(shí)別出來(lái)。輸出的電壓信號(hào)與驅(qū)動(dòng)力信號(hào)的相位相差90°，同時(shí)需要自動(dòng)增益控制（AutomaticGainControl，AGC）環(huán)節(jié)保持諧振幅值穩(wěn)定。因此電容檢測(cè)信號(hào)通過移相調(diào)節(jié)和AGC調(diào)節(jié)，形成驅(qū)動(dòng)靜電力，施加在驅(qū)動(dòng)端，維持諧振梁的諧振狀態(tài)。兩側(cè)諧振梁的電容檢測(cè)信號(hào)包含頻率信息，兩路頻率信號(hào)作差，可獲得外加輸入加速度的大小。這種差動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可使共模誤差顯著降低，同時(shí)將加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)提高了近一倍。與電容式或壓阻式等MEMS加速度計(jì)相比，它具有準(zhǔn)數(shù)字量輸出、抗干擾性強(qiáng)、集成度高、精度提高潛力大等優(yōu)點(diǎn)，因此成為近些年國(guó)內(nèi)外關(guān)于MEMS慣性儀表的研制熱點(diǎn)之一。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

1997年，美國(guó)Draper實(shí)驗(yàn)室首次提出了硅微諧振加速度計(jì)的概念［3］。2005年，Draper實(shí)驗(yàn)室研制了一種面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的（水平軸）硅微諧振加速度計(jì)［4］。其中，硅微振梁結(jié)構(gòu)采用靜電驅(qū)動(dòng)、電容檢測(cè)。諧振子的一端與硅質(zhì)量塊相連，當(dāng)外界輸入加速度作用于振動(dòng)平面內(nèi)時(shí)，諧振子受到沿軸向的載荷作用，諧振頻率發(fā)生改變。諧振子的激振和頻率檢測(cè)通過硅基靜電結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。該加速度計(jì)采用SOG（Siliconon Glass）MEMS工藝制備，陶瓷真空管殼封裝，獲得很高的品質(zhì)因數(shù)Q（典型值＞100000）。圖3為微敏感結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，諧振基頻為20kHz，標(biāo)度因數(shù)約為100Hz／g，標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性為3×10－6，零偏穩(wěn)定性達(dá)到5μg。

2010年，意大利米蘭理工大學(xué)設(shè)計(jì)了一種高靈敏度、小尺寸的新型單軸硅微諧振加速度計(jì)［5］。圖4為其敏感結(jié)構(gòu)的照片，該加速度計(jì)的敏感結(jié)構(gòu)由中心的一個(gè)正方形質(zhì)量塊（400μm×400μm）和兩個(gè)諧振梁組成，質(zhì)量塊與諧振梁通過彈簧相連。其創(chuàng)新點(diǎn)是諧振梁和支撐梁分布在質(zhì)量塊周圍，僅占用很小的芯片面積即可實(shí)現(xiàn)外加速度的力頻轉(zhuǎn)換。該加速度計(jì)采用意法半導(dǎo)體公司的15μm厚度表面微加工工藝，低氣壓封裝，用吸氣劑保持MEMS腔內(nèi)的真空狀態(tài)，Q值約為200。圖5為電路設(shè)計(jì)框圖，該加速度計(jì)的電路采用一種高靈敏度閉環(huán)振蕩方案。諧振梁檢測(cè)電極上的動(dòng)態(tài)電流經(jīng)跨阻放大器轉(zhuǎn)化成電壓，通過第二級(jí)放大器進(jìn)一步放大形成輸入信號(hào)，然后通過軌對(duì)軌比較器形成方波，最后經(jīng)過幅值衰減環(huán)節(jié)形成驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)諧振梁保持諧振狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果顯示，加速度計(jì)的諧振基頻大約為58kHz，靈敏度為455Hz／g，并在全量程范圍內(nèi)具有良好的線性度。

在此研究基礎(chǔ)上，米蘭理工大學(xué)于2011年設(shè)計(jì)了一種諧振式雙軸加速度計(jì)［6］，圖6為其結(jié)構(gòu)的電鏡掃描照片。與單軸硅微諧振加速度計(jì)結(jié)構(gòu)的原理類似，該加速度計(jì)的兩對(duì)諧振梁分別通過兩對(duì)彈簧與中心的質(zhì)量塊相連，加速度計(jì)可以同時(shí)檢測(cè)出兩個(gè)不同方向的混合加速度信號(hào)，具有較高的靈敏度和很強(qiáng)的抗軸間耦合能力。質(zhì)量塊的尺寸為525μm×525μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，諧振基頻為84kHz，差分靈敏度達(dá)到201Hz／g。

2014年，劍橋大學(xué)設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)的高性能MEMS諧振加速度計(jì)樣機(jī)［7］，圖7為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖。該課題組在質(zhì)量塊與雙端固定諧振音叉之間加入杠桿結(jié)構(gòu)，放大了質(zhì)量塊的力作用，從而了提高標(biāo)度因數(shù)。接口電路基于自激振蕩原理，由直流電壓源、跨阻放大器、帶通濾波器、過零比較器和緩沖電路構(gòu)成。電路設(shè)計(jì)上，在沒有犧牲儀表的動(dòng)態(tài)范圍和帶寬指標(biāo)的前提下，提高了對(duì)電路噪聲限制的分辨率。該加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)約為 142．8Hz／（m／s2），動(dòng)態(tài)范圍大于140dB。實(shí)驗(yàn)表明，該樣機(jī)可以在0．02Hz～100Hz范圍內(nèi)跟蹤地震響應(yīng)。

2015年，劍橋大學(xué)設(shè)計(jì)了一種晶圓級(jí)真空封裝的高性能MEMS諧振加速度計(jì)［8］，圖8為真空封裝的表頭結(jié)構(gòu)及配套PCB電路板的照片。該課題組采用一種新的加工工藝，并通過增大質(zhì)量塊體積、提高杠桿放大倍數(shù)等設(shè)計(jì)改進(jìn)，提高了加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)；通過晶圓級(jí)真空封裝并在封裝內(nèi)部使用吸氣劑，提高了諧振梁的Q值。與之前的研究成果相比，儀表的性能極大改善，真空封裝后諧振梁的Q值達(dá)25000，并且一年之內(nèi)測(cè)量值并無(wú)衰減。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)達(dá)960Hz／（m／s2），線性范圍為±0．5m／s2；在1Hz～50Hz的頻率變化范圍內(nèi)，分辨率小于150n g／Hz。

2015年，新加坡理工大學(xué)設(shè)計(jì)了一種具有全差分CMOS讀出電路的低功耗MEMS諧振加速度計(jì)［9］，主要在電路部分做了改進(jìn)，儀表性能可達(dá)到導(dǎo)航級(jí)。COMS電路由低噪聲、高增益的帶通跨阻放大器（TIA）和優(yōu)化后的低噪聲幅值控制模塊組成。圖9為TIA的電路原理圖，TIA是讀出電路的前端，該單位在設(shè)計(jì)上顯著地放寬了增益、帶寬、噪聲之間的優(yōu)化設(shè)計(jì)局限，輸入電流噪聲相對(duì)密度為6．6 fA／Hz，有助于提高M(jìn)EMS諧振加速度計(jì)的零偏穩(wěn)定性，降低固有噪聲?？缱璺糯笃鞯脑鲆鏋?5MΩ，帶寬為0．5Hz～350kHz，功耗僅為593μW。圖10為幅值控制模塊的電路原理圖，幅值穩(wěn)定控制模塊可以減小幅值對(duì)振動(dòng)頻率的影響，模塊采用斬波穩(wěn)定技術(shù)將閃爍噪聲降到最小。測(cè)試結(jié)果顯示，儀表的的標(biāo)度因數(shù)為140Hz／g，零偏穩(wěn)定性為6．3μg（1σ／h），全量程±20g，1．5V供電電壓下，功耗為3．5mW。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)在硅微諧振加速度計(jì)方面的研究起步相對(duì)較晚，最早的研究始于2003年，但近年來(lái)發(fā)展迅速，取得了很大的研究進(jìn)展。主要的研究單位有南京理工大學(xué)、清華大學(xué)、東南大學(xué)、北京航天控制儀器研究所等。

2014年，東南大學(xué)設(shè)計(jì)了一種新型三軸硅微諧振加速度計(jì)［10］。圖11是三軸硅微諧振加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖，它由一個(gè)平面雙軸（X軸和Y軸）硅微諧振加速度計(jì)和一個(gè)垂直方向上（Z軸）基于靜電剛度變化的硅微諧振加速度計(jì)組成。雙軸硅微諧振加速度計(jì)由4個(gè)相同的敏感結(jié)構(gòu)和中間的質(zhì)量塊組成，由解耦梁、微杠桿和諧振音叉構(gòu)成，結(jié)構(gòu)加工采用標(biāo)準(zhǔn)SOG加工工藝。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，諧振頻率為52．57Hz／g（X軸）、51．64Hz／g（Y軸）、31．65Hz／g（Z軸），零偏穩(wěn)定性為0．294m g（X軸）、0．278m g（Y軸）、0．727m g（Z軸）。

2015年，南京理工大學(xué)公布了一種基于片式集成高精度測(cè)溫結(jié)構(gòu)的硅微諧振加速度計(jì)［11］，圖12是測(cè)溫系統(tǒng)的示意圖，該加速度計(jì)包括兩個(gè)諧振子和兩個(gè)測(cè)溫諧振器。測(cè)溫諧振器的諧振頻率準(zhǔn)確反映加速度計(jì)圓片封裝真空腔內(nèi)部的的溫度，解決了傳統(tǒng)溫度傳感器無(wú)法測(cè)得真空腔內(nèi)部溫度的問題，提升溫度補(bǔ)償模型的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用集成測(cè)溫諧振器后，經(jīng)溫度補(bǔ)償，遲滯誤差從200Hz減小到10Hz，零偏不穩(wěn)定性從283．3μg降低到28μg。

2016年，南京理工大學(xué)設(shè)計(jì)了一款小型化硅微諧振式加速度計(jì)樣機(jī)［12］。該加速度計(jì)采用80μm厚SOI工藝加工，采取晶圓級(jí)真空封裝技術(shù)降低結(jié)構(gòu)噪聲，并設(shè)計(jì)了專用集成電路芯片。樣機(jī)包含頻率讀出模塊，可在片上實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，具有較高的集成度。圖13為主要的芯片照片及小型化樣機(jī)照片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該加速度計(jì)系統(tǒng)集成后的尺寸約為45mm×30mm×20mm，在達(dá)到±30g線性量程的前提下，分辨率為2．5μg／Hz，零偏不穩(wěn)定度達(dá)到1μg。

2016年，清華大學(xué)針對(duì)溫度對(duì)硅微諧振加速度計(jì)的影響，研究了諧振梁的頻率漂移及抑制方法，以提高儀表在常溫下的零偏穩(wěn)定性［13］。該單位設(shè)計(jì)了一種低熱應(yīng)力的雙端固支梁的結(jié)構(gòu)來(lái)降低熱膨脹系數(shù)不匹配帶來(lái)的頻率漂移，圖14是優(yōu)化后的振梁結(jié)構(gòu)示意圖。采用PT1000溫度傳感器設(shè)計(jì)了一種高精度測(cè)溫電路用來(lái)補(bǔ)償溫度漂移，圖15是測(cè)溫電路原理圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過采用結(jié)構(gòu)改進(jìn)及溫度補(bǔ)償方法，儀表的1h零偏穩(wěn)定性在常溫下達(dá)到10μg以下，比改進(jìn)前的52μg水平提升了80%，可滿足高精度加速度測(cè)量的要求。

2016年，浙江大學(xué)在之前單級(jí)微杠桿雙軸硅微諧振加速度計(jì)［14］的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種帶有雙級(jí)微杠桿結(jié)構(gòu)的高靈敏度雙軸硅微諧振加速度計(jì)［15］。圖16為加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖，加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)包括單質(zhì)量塊、2對(duì)DEFT諧振子、4對(duì)雙級(jí)杠桿和4個(gè)解耦梁，采用SOI工藝加工，整體尺寸為1900μm×1900μm。與之前報(bào)道的雙軸諧振加速度計(jì)相比，由于采用雙級(jí)杠桿，加速度計(jì)達(dá)到了更高的靈敏度；通過采用解耦結(jié)構(gòu)梁，實(shí)現(xiàn)了更小的交軸靈敏度。測(cè)試結(jié)果顯示，在5V供電電壓下，諧振基頻為290kHz，靈敏度約為275Hz／g，交軸靈敏度小于3．4%。同時(shí)，該加速度計(jì)在±45°檢測(cè)范圍內(nèi)的角靈敏度達(dá)到4．5Hz／（°），因此，在雙軸傾角測(cè)試領(lǐng)域也具有應(yīng)用前景。

2011年，北京航天控制儀器研究所開展硅微諧振加速度計(jì)原理樣機(jī)的研制，圖17為該單位設(shè)計(jì)的硅微諧振加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)是采用雙質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，通過隔離質(zhì)量塊來(lái)阻斷耦合通道，減小兩個(gè)諧振梁的振動(dòng)耦合，最大程度上降低樣機(jī)的死區(qū)。同時(shí)，減小音叉附加質(zhì)量，提高了標(biāo)度因數(shù)。該加速度計(jì)的控制電路采用相位閉環(huán)控制和幅值增益自動(dòng)控制相結(jié)合的閉環(huán)控制方案［16］，相位控制采用鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）方案，幅值控制采用交流AGC方案。

2015年，北京航天控制儀器研究所提出了一種高精度硅微諧振加速度計(jì)用數(shù)據(jù)采集與參數(shù)補(bǔ)償方法［17］。通過硬件電路實(shí)現(xiàn)兩個(gè)諧振音叉的諧振頻率相減，然后用高頻時(shí)鐘基準(zhǔn)對(duì)相減后的頻率信號(hào)進(jìn)行采樣，并對(duì)零位和標(biāo)度因數(shù)進(jìn)行溫度系數(shù)補(bǔ)償以及儀表全量程非線性度補(bǔ)償。圖18為基于FPGA的總體數(shù)據(jù)采集和參數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，補(bǔ)償后的硅微諧振加速度計(jì)在全溫 （－40℃ ～＋70℃）內(nèi)，K0溫度系數(shù)從262μg／℃降低到29．9μg／℃，K1變化量從4．18%降低到 2．04‰，全量程非線性從 7．16‰降低到0．128‰［17］。

2016年，北京航天控制儀器研究所提出了一種高精度硅微諧振加速度計(jì)工程化設(shè)計(jì)方法［18］。從工程實(shí)用化角度出發(fā)，分析樣機(jī)在實(shí)際使用過程中的精度變化原因，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)、測(cè)試與補(bǔ)償技術(shù)等方面做了優(yōu)化改進(jìn)。圖19為硅微諧振式加速度計(jì)樣機(jī)照片。測(cè)試結(jié)果顯示，質(zhì)量塊基頻大于3kHz，諧振基頻約18kHz，標(biāo)度因數(shù)大于 100Hz／g，量程為±40g，死區(qū)小于0．67m g，帶寬大于 200Hz，振動(dòng)整流誤差為0．344m g，零位一次通電穩(wěn)定性優(yōu)于50μg，基本滿足工程化應(yīng)用指標(biāo)。

2 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

目前，國(guó)外中低精度硅MEMS加速度計(jì)日益成熟，已在民用領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用，并有向戰(zhàn)術(shù)武器等領(lǐng)域拓展的趨勢(shì)。因此，高精度的MEMS加速度計(jì)成為研制熱點(diǎn)。未來(lái)高性能MEMS加速度計(jì)需要解決的主要問題包括：全硅工藝加工技術(shù)、儀表長(zhǎng)期穩(wěn)定性技術(shù)、高精度閉環(huán) ASIC技術(shù)、空間環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)等［20］。硅微諧振加速度計(jì)作為一種重要的高性能的MEMS加速度計(jì)，主要有以下3個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：

（1）晶圓級(jí)真空封裝

為了提高硅諧振式加速度計(jì)的Q值進(jìn)而改善儀表的精度和分辨率指標(biāo)，MEMS諧振式加速度計(jì)通常封裝在真空環(huán)境中。然而，對(duì)于硅基MEMS器件來(lái)說，真空封裝占用的成本一般在 60%～80%。圓片級(jí)真空封裝技術(shù)是一種低成本、小體積、高可靠的新型MEMS封裝形式，其基本形式是利用帶TSV的硅基板對(duì)MEMS諧振式加速度計(jì)進(jìn)行氣密鍵合封裝，同時(shí)引出封裝體內(nèi)MEMS結(jié)構(gòu)上的電學(xué)信號(hào)。由于MEMS圓片級(jí)真空封裝是基于MEMS工藝實(shí)現(xiàn)的，因此在成本、體積控制和封裝性能一致性上具有顯著的優(yōu)勢(shì)。此外，MEMS圓片級(jí)真空封裝后的器件具有很好的氣密性，從而可以采用普通的砂輪／沖水劃片方式進(jìn)行芯片的切割分離，工藝簡(jiǎn)單，器件劃切損耗小，同時(shí)更有利于后期的芯片粘接、3D組裝等操作。

目前，主流的MEMS諧振式加速度計(jì)封裝形式包括TSV、TGV型圓片級(jí)真空封裝、平面引出型圓片級(jí)真空封裝等。在材料選用方面有玻璃?硅?玻璃結(jié)構(gòu)、三層硅結(jié)構(gòu)、四層硅結(jié)構(gòu)等。采用的封裝工藝包括陽(yáng)極鍵合、金?硅鍵合、金?金鍵合、焊料鍵合以及玻璃漿料鍵合等，具體材料、結(jié)構(gòu)和工藝的選擇通常與MEMS諧振式加速度計(jì)的性能指標(biāo)要求、后續(xù)集成工藝、成本要求等因素密切相關(guān)。

（2）測(cè)控電路數(shù)字化

目前，國(guó)內(nèi)外硅微諧振加速度計(jì)的測(cè)控電路多以模擬電路為主。與傳統(tǒng)模擬電路相比，數(shù)字電路在很多方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)：

①穩(wěn)定性高，可以避免模擬電路中存在的輸出飽和、寄生電容、受環(huán)境影響大等問題；

②編程性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜算法，有效提高電路系統(tǒng)的適應(yīng)性和魯棒性；

③靈活性大，模擬電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能再進(jìn)行修改，而數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以用編程的方式便捷地修改優(yōu)化；

④隨著微電子工藝和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，數(shù)字電路的集成度越來(lái)越高，功耗越來(lái)越低。

采用數(shù)字測(cè)控電路，可有效避免上述模擬電路的諸多缺點(diǎn)，發(fā)揮數(shù)字電路的優(yōu)勢(shì)。數(shù)字集成電路本身也在不斷地更新?lián)Q代，F(xiàn)PGA（Field Pro?grammable Gate Array）是在PAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)品，它以硬件描述語(yǔ)言VHDL或Verilog HDL完成電路設(shè)計(jì)，是ASIC領(lǐng)域的一種半定制電路元件。研發(fā)前期可以利用FPGA開發(fā)調(diào)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案成熟后，可將數(shù)字測(cè)控電路 ASIC化。與傳統(tǒng)通用集成電路相比，ASIC芯片體積更小、功耗更低，計(jì)算性能高，芯片可批量生產(chǎn)，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期和成本。目前，國(guó)內(nèi)所見的硅微諧振加速度計(jì)測(cè)控電路仍以模擬電路為主，將測(cè)控電路數(shù)字化和ASIC化是硅微諧振加速度計(jì)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

（3）儀表補(bǔ)償智能化

硅微諧振式加速度計(jì)的性能受環(huán)境因素影響較大，以溫度影響尤為明顯。同時(shí)，儀表本身也存在著非線性誤差。儀表補(bǔ)償是提升儀表性能的重要手段，相比于結(jié)構(gòu)、材料改進(jìn)等硬件補(bǔ)償方法，通過建立補(bǔ)償模型來(lái)修正儀表參數(shù)的軟件補(bǔ)償方法更容易實(shí)現(xiàn)，且更具有靈活性和適應(yīng)性。

傳統(tǒng)建立加速度計(jì)補(bǔ)償模型的常用方法為多項(xiàng)式擬合，但這種方法無(wú)法解決非線性擬合的問題。近些年隨著智能算法的發(fā)展，越來(lái)越多的智能算法應(yīng)用到儀表補(bǔ)償領(lǐng)域。常用方法有BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［21］、 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［22］、 小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［23］等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有高效的曲線擬合功能和優(yōu)越的逼近復(fù)雜非線性函數(shù)的特點(diǎn)，可有效補(bǔ)償加速度計(jì)的非線性誤差。2015年，蘇州大學(xué)采用改進(jìn)LM＿BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)建MEMS加速度計(jì)的補(bǔ)償模型，通過實(shí)時(shí)溫度變化優(yōu)化出溫度補(bǔ)償模型參數(shù)，經(jīng)實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償方法補(bǔ)償后的標(biāo)度因數(shù)溫度系數(shù)和全溫零偏穩(wěn)定性分別由2．52×10－4／℃和16．62m g／h減小至1×10－4／℃和2．30m g／h，補(bǔ)償效果良好［24］。與傳統(tǒng)的建模方法相比，智能算法具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，利于硅微諧振加速度計(jì)的批量化生產(chǎn)。但目前所見的儀表補(bǔ)償智能化方法大多應(yīng)用于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，還未見產(chǎn)品或樣機(jī)中應(yīng)用，仍處于探索階段。未來(lái)，如何將智能補(bǔ)償工程化也是硅微諧振加速度計(jì)提升性能的一個(gè)重要發(fā)展方向。

3 結(jié)論

硅微諧振加速度計(jì)是一種基于力頻特性的高性能MEMS慣性傳感器。經(jīng)過多年的完善和發(fā)展，硅微諧振加速度計(jì)的研制技術(shù)日益成熟，國(guó)內(nèi)外的研究單位在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝、電路設(shè)計(jì)等方面取得了很大進(jìn)展。

在結(jié)構(gòu)與工藝方面，加入杠桿結(jié)構(gòu)后硅微諧振加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)能夠提高3～8倍、采用雙質(zhì)量塊或不等基頻設(shè)計(jì)減小振動(dòng)耦合等方法已成為一種硅微諧振加速度計(jì)的主流設(shè)計(jì)趨勢(shì)。在實(shí)現(xiàn)單軸硅微諧振加速度計(jì)的技術(shù)上，國(guó)內(nèi)外一些單位設(shè)計(jì)出了單片集成的雙軸、三軸硅微諧振加速度計(jì)，這使硅微諧振加速度計(jì)向中等精度消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。為提升加速度計(jì)諧振子的Q值，通常采用真空封裝。圓片級(jí)真空封裝技術(shù)是一種低成本、小體積、高可靠的新型MEMS封裝形式，是未來(lái)硅微諧振加速度計(jì)一個(gè)重要的發(fā)展方向。

在測(cè)控電路方面，硅微諧振加速度計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路大多采用自激振蕩方案，通常包括移相模塊和自動(dòng)幅值控制模塊，以保證系統(tǒng)同時(shí)滿足相位條件和幅值條件。通過改進(jìn)跨阻放大器、幅值控制模塊，能夠降低系統(tǒng)噪聲，并提升儀表精度。目前，驅(qū)動(dòng)閉環(huán)電路大多采用模擬電路。未來(lái)，驅(qū)動(dòng)電路數(shù)字化是一個(gè)重要的發(fā)展方向。儀表補(bǔ)償是提升儀表精度的重要手段，智能化的儀表補(bǔ)償方法也將成為硅微諧振加速度計(jì)的研究熱點(diǎn)。

硅微諧振加速度計(jì)目前報(bào)道所見分辨率為150n g／Hz ，靈敏度為455Hz／g，可見硅微諧振加速度計(jì)的精度提升潛力較大。同時(shí)，硅微諧振加速度計(jì)在線性度、低電壓驅(qū)動(dòng)、大量程檢測(cè)等方面又具備先天優(yōu)勢(shì)。未來(lái)，硅微諧振加速度計(jì)將在微小型IMU、自主多源GNC微系統(tǒng)等領(lǐng)域獲得更多應(yīng)用。

［1]姚保寅，馮麗爽，周震，等 ．硅諧振式加速度計(jì)（SOA）的技術(shù)及發(fā)展［J］．導(dǎo)航與控制，2011，10（1）：33?40．YAO Bao?yin，F(xiàn)ENG Li?shuang，ZHOU Zhen，et al．Technologies and development of Silicon oscillating accel?erometer（SOA）［J］．Navigation and Control，2011，10（1）：33?40．

［2]王巍，何勝．MEMS慣性儀表技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)［J］．導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2009，29（3）：23?28．WANG Wei，HE Sheng．Development of MEMS inertial instrument technology［J］．Missiles＆ Space Vehicles，2009，29（3）：23?28．

［3]Gibbons K A．A micromechanical Silicon oscillating accel?erometer［D］．Massachusetts Institute of Technology，1997．

［4]Hopkins R，Miola J，Setterlund R．The Silicon oscillating accelerometer：a high?performance MEMS accelerometer for precision navigation and strategic guidance applications［C］．Proceedings of AnnualMeeting of the Institute of Nav?igation，2005：1043?1052．

［5]Comi C，Corigliano A，Langfelder G，etal．A resonantmi?croaccelerometer with high sensitivity operating in an os?cillating circuit［J］．Journal ofMicroelectromechanical Sys?tems，2010，19（5）：1140?1152．

［6]Comi C，Corigliano A，Langfelder G，et al．A new biaxial Silicon resonantmicro accelerometer［C］．IEEE 24thInter?national Conference on Micro Electro Mechanical System，2011：529?532．

［7]Zou X，Thiruvenkatanathan P，Seshia A A．A seismic?grade resonantMEMS accelerometer［J］．Journal of Micro?electromechanical Systems，2014，23（4）：768?770．

［8]Zou X，Seshia A A．A high?resolution resonantMEMSaccel?erometer［C］．Transducers 2015，International Conference on Solid?State Sensors，Actuators and Microsystems．IEEE，2015：1247?1250．

［9]Zhao Y，Zhao J，Wang X，et al．A sub?μg bias?instability MEMS oscillating accelerometer with an ultra?low?noise read?out circuit in CMOS［J］．IEEE Journal of Solid?State Circuits，2015，50（9）：2113?2126．

［10]Yang B，Dai B，Zhao H，etal，A new Silicon triaxial res?onant micro?accelerometer［C］．International Conference on Information Science，Electronics and Electrical Engi?neering IEEE，2014：1283?1286．

［11]Zhang J，Qiu A，Shi Q，et al．Research on temperature compensation method of Silicon resonant accelerometer based on integrated temperature measurement resonator［C］．IEEE International Conference on Electronic Meas? urement＆Instruments，2015：1577?1581．

［12]趙健，施芹，夏國(guó)明，等．小型化硅微諧振式加速度計(jì)的實(shí)現(xiàn)與性能測(cè)試［J］．光學(xué)精密工程，2016，24（8）：1927?1933．ZHAO Jian，SHIQin，XIA Guo?ming，et al．Implemen?tation andmeasurementof aminiaturized Silicon resonant accelerometer［J］．Optics and Precision Engineering，2016，24（8）：1927?1933．

［13]嚴(yán)斌，尹永剛，董景新．常溫下硅微諧振加速度計(jì)零偏穩(wěn)定性的提高［J］．光學(xué)精密工程，2016，24（5）：1050?1056．YAN Bin，YIN Yong?gang，DONG Jing?xin．Implement of bias stability ofmicromechanical Silicon resonantacceler?ometer at room temperature［J］．Optics and Precision En?gineering，2016，24（5）：1050?1056．

［14]Ding H，Zhao J，Xie J．A novel biaxial resonant micro accelerometer with microleverage mechanism［C］．IEEE，International Conference on Nano／micro Engineered and Molecular Systems，2015：50?53．

［15]Ding H，Zhao J，Ju B F，et al．A high?sensitivity biaxial resonant accelerometer with two?stagemicroleveragemecha?nisms［J］．Journal of Micromechanics＆Microengineering，2016，26（1）：015011．

［16]王巍，王巖，莊海涵，等．諧振式硅微加速度計(jì)閉環(huán)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)［J］．中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，20（6）：744?748．WANGWei，WANG Yan，ZHUANG Hai?han，et al．A?nalysis and design of closed?loop control system for Silicon resonant accelerometer［J］．Journal of Chinese In?ertial Technology，2012，20（6）：744?748．

［17]王巖，張玲，邢朝洋，等．基于FPGA的高精度硅微諧振加速度計(jì)數(shù)據(jù)采集與參數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，23（3）：394?398．WANG Yan，ZHANG Ling，XING Chao?yang，et al．De?sign and implementation of high?precision data acquisition and parameter compensation system for Silicon resonant accelerometer［J］．Journal of Chinese Inertial Technology，2015，23（3）：394?398．

［18]王巖，趙克，張玲，等．高精度硅微諧振加速度計(jì)工程化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，24（2）：229?234．WANG Yan，ZHAO Ke，ZHANG Ling，etal．Design and implement of engineering application for Silicon acceler?ometer［J］．Journal of Chinese Inertial Technology，2016，24（2）：229?234．

［19]王超，胡啟方，王巖，等．硅微諧振式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化仿真［J］．導(dǎo)航與控制，2016，15（1）：41?46．WANG Chao，HU Qi?fang，WANG Yan，et al．Structure design and simulated optimization of Silicon resonant ac?celerometer［J］．Navigation and Control，2016，15（1）：41?46．

［20]王?。滦蛻T性技術(shù)發(fā)展及在宇航中的應(yīng)用［J］．紅外與激光工程，2016，45（3）：1?6．WANGWei．Development of new inertial technology and its application in aerospace field［J］．Infrared and Laser Engineering，2016，45（3）：1?6．

［21]倪建麗，葛紅娟，吳秀萍，等．BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在加速度計(jì)誤差補(bǔ)償中的應(yīng)用［J］．測(cè)控技術(shù)，2013，32（11）：14?17．NIJian?li，GE Hong?juan，WU Xiu?ping，et al．Applica?tion of BP neural network in accelerometer error compen?sation［J］．Measurement＆Control Technology，2013，32（11）：14?17．

［22]史震，陳帥，張建，等．基于改進(jìn)徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激光陀螺溫度補(bǔ)償［J］．光學(xué)精密工程，2014，22（11）：2975?2982．SHIZhen，CHEN Shuai，ZHANG Jian，etal．Temperature compensation of laser gyro based on improved RBF neural network［J］．Optics and Precision Engineering，2014，22（11）：2975?2982．

［23]解啟瞻，潘英俊，任春華．石英加速度計(jì)溫度漂移的小波網(wǎng)絡(luò)建模［J］．測(cè)控技術(shù)，2009，28（8）：15?17．XIEQi?zhan，PAN Ying?jun，REN Chun?hua．Temperature drift compensation of quartzose accelerometer based on wavelet network［J］．Measurement＆Control Technology，2009，28（8）：15?17．

［24]楊志梅，周小龍，徐大誠(chéng)．基于LM＿BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的MEMS加速度計(jì)溫度補(bǔ)償方法研究［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2015（11）：30?33．YANG Zhi?mei，ZHOU Xiao?long，XU Da?cheng．Research on compensation method of temperature characteristics for MEMSaccelerometer based on LM＿BP neural network［J］．Instrument Technology and Sensor，2015（11）：30?33．

Research Status and Developm en t Trend of Silicon Resonan t Accelerom eter

YANG Bo，KAN Bao?xi，XU Yu?xin，HU Qi?fang
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

U666．1

A

1674?5558（2017）07?01427

10．3969／j．issn．1674?5558．2017．04．017

楊博，女，碩士，精密儀器及機(jī)械專業(yè)，研究方向?yàn)镸EMS慣性儀表。

2017?07?03

裝備預(yù)先研究項(xiàng)目（編號(hào)：41417020402）；裝備預(yù)研共用技術(shù)項(xiàng)目（編號(hào)：41417010302）；北京市自然科學(xué)基金（編號(hào)：4142058）