應(yīng)用于MEMS加速度計(jì)的小型恒溫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

李建飛 薛 兵 張俊峰朱小毅王曉蕾

1）中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

2）北京港震機(jī)電技術(shù)有限公司，北京 102628

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）加速度計(jì)是采用微機(jī)電技術(shù)制作的產(chǎn)品，具有體積小、功耗低、外圍電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于振動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域；一些新型傾角儀的設(shè)計(jì)中也采用MEMS加速度計(jì)來記錄靜態(tài)加速度，然后進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

而受環(huán)境溫度變化的影響，MEMS加速度計(jì)的零點(diǎn)值會(huì)發(fā)生變化，在輸出的加速度信號(hào)中疊加干擾量，使測(cè)量產(chǎn)生誤差。因此，本文研究一種小型恒溫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其能以較小的功耗和體積，使MEMS加速度計(jì)的工作區(qū)域溫度保持恒定，從而屏蔽環(huán)境溫度變化對(duì)儀器工作的影響。

小型恒溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是，以較小的功耗（小于0.5 W）實(shí)現(xiàn)較好的恒溫效果（內(nèi)外溫度變化比小于1%），從而有效降低MEMS加速度計(jì)的零點(diǎn)漂移值（降低一個(gè)量級(jí)）；同時(shí)，恒溫系統(tǒng)內(nèi)外最大的工作溫差大于50℃。

小型恒溫系統(tǒng)采用金屬Pt1000電阻作為溫度傳感器，配合電橋電路，實(shí)現(xiàn)測(cè)量溫度和設(shè)定恒溫工作點(diǎn)的功能；采用運(yùn)算放大器構(gòu)成積分電路作為控制器；加溫裝置由三極管和功率電阻通電后發(fā)熱來實(shí)現(xiàn)；散熱過程通過內(nèi)外溫差的自然對(duì)流實(shí)現(xiàn)。并且為了降低功耗，采用可變恒溫工作點(diǎn)的設(shè)計(jì)方式，即根據(jù)環(huán)境溫度的變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電橋電路的參考電壓值；但系統(tǒng)的恒溫工作點(diǎn)必須高于環(huán)境溫度變化的最大值與元器件的工作溫升的和。

小型恒溫系統(tǒng)的安裝載體為電路板，其物理結(jié)構(gòu)可分為保溫層、加熱源、溫控環(huán)、恒溫腔幾個(gè)部分；在恒溫腔內(nèi)部安裝MEMS加速度計(jì)和電橋等關(guān)鍵元器件。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，加溫元器件的分布所產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)過程及熱量的分布不均勻，會(huì)引起MEMS加速度計(jì)零點(diǎn)的漂移；因此，我們摒棄單點(diǎn)加熱的方式，增加溫控環(huán)，盡可能的使加熱源均勻的分布在MEMS加速度計(jì)的四周，并使加熱源至MEMS加速度計(jì)的熱量傳導(dǎo)均勻。

溫控環(huán)的結(jié)構(gòu)如下所述：由導(dǎo)熱系數(shù)較高的薄銅皮制作一個(gè)加熱環(huán)，圍繞MEMS加速度計(jì)和小部分的電路板；將加熱源分為兩處，放置在上下銅片處，產(chǎn)生的熱量通過銅片迅速擴(kuò)散；在薄銅片形成的腔體內(nèi)加注導(dǎo)熱系數(shù)較低的柔性膠，形成阻熱層，使銅片上分布的溫度梯度大大的衰減，傳遞到MEMS加速度計(jì)上的熱量。

我們定義恒溫系統(tǒng)內(nèi)外的溫度差與熱源所消耗的能量比值，稱為系統(tǒng)的熱阻A0，單位℃/W；定義電橋輸出的電壓的變化與溫度變化的比值，稱為電橋靈敏度ST，單位V/℃。

在搭建完成后，我們測(cè)試系統(tǒng)的熱阻A0=152.11℃/W；根據(jù)不同的的環(huán)境溫度，恒溫工作點(diǎn)設(shè)定為Th1=51℃和Th1=31℃，電橋的測(cè)溫靈敏度均為ST1=0.921 mV/℃；系統(tǒng)的最大功耗為Pmax=0.387 W，可承受的最大內(nèi)外溫差為ΔT=58.8℃。

實(shí)際測(cè)試，在恒溫體內(nèi)部的溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，外部溫度變化為10.98℃，內(nèi)部溫度變化0.09℃，變化比率為0.0082。

實(shí)際測(cè)試應(yīng)用了恒溫系統(tǒng)的MEMS加速度計(jì)的零點(diǎn)漂移情況，水平向的零點(diǎn)漂移值由未恒溫前的0.46 mg/℃降低到0.0298 mg/℃，垂直向的零點(diǎn)漂移值由未恒溫前的0.51 mg/℃降低至0.0855 mg/℃。

結(jié)果表明，恒溫系統(tǒng)在保持加速度計(jì)工作區(qū)域溫度穩(wěn)定方面可以有效的發(fā)揮作用，穩(wěn)定后恒溫腔的溫度波動(dòng)與外界溫度波動(dòng)的比值小于1%；在相同外界溫度變化范圍內(nèi)，恒溫MEMS加速度計(jì)的零點(diǎn)漂移值比未加恒溫的MEMS加速度計(jì)減小近一個(gè)量級(jí)（其中水平向超過一個(gè)量級(jí)）；而恒溫后的MEMS加速度計(jì)又可以作為基準(zhǔn)源校正高性能的力平衡反饋加速度計(jì)，這將在以后進(jìn)行討論。