石英撓性加速度計(jì)溫度穩(wěn)定性改進(jìn)設(shè)計(jì)

崔 粲，聶魯燕，李立勇，吳萌萌，宋欣萌

（1.天津航海儀器研究所，天津 300131；2.哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001）

加速度計(jì)作為敏感載體線加速度的核心儀表，裝備于陸海空天各領(lǐng)域的慣性系統(tǒng)中，保證了我國(guó)慣性導(dǎo)航的基本需求[1,2]。從20 世界60 年代以來(lái)，石英撓性加速度計(jì)因其較高的精度、良好的重復(fù)性以及較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)發(fā)展迅速。但由于石英撓性加速度計(jì)中的零部件使用了多種異構(gòu)材料，因材料的應(yīng)力釋放、蠕變、老化、自然退磁等因素，導(dǎo)致儀表輸出的各項(xiàng)參數(shù)隨著時(shí)間和溫度的變化產(chǎn)生漂移，最終影響慣性系統(tǒng)的導(dǎo)航精度[3,4]。特別是隨著無(wú)溫控捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，溫度變化引起的輸出變化占到加速度計(jì)參數(shù)漂移的大部分比重，因此，對(duì)石英撓性加速度計(jì)溫度穩(wěn)定性要求越來(lái)越高[5,6]。目前國(guó)際主流的石英撓性加速度計(jì)產(chǎn)品，如美國(guó) Honeywell 公司的QA3000-030 偏值和標(biāo)度因數(shù)溫度穩(wěn)定性為＜15 μg/℃和＜120 ppm/℃，歐洲InnaLabs 的AI-Q-2030 型加速度計(jì)該參數(shù)為＜40 μg/℃和＜40 ppm/℃[7,8]。

在應(yīng)用過(guò)程中，影響加速度計(jì)工作穩(wěn)定性的主要因素是其偏值和標(biāo)度因數(shù)的穩(wěn)定性。為了降低熱載荷對(duì)石英撓性加速度計(jì)的影響，國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)展了大量的研究工作，目前常用的方法有以下四種：（1）從熱設(shè)計(jì)出發(fā)，通過(guò)改善加速度計(jì)的零件形狀、結(jié)構(gòu)布局，選用熱膨脹系數(shù)極低的零件材料，采用溫度沖擊等工藝技術(shù)措施，以降低加速度計(jì)對(duì)溫度的敏感性[9]；（2）針對(duì)永磁材料的可逆溫度特性，采用力矩器熱敏磁分路補(bǔ)償法或者是電路補(bǔ)償法，即在結(jié)構(gòu)中增加特定的溫度系數(shù)的材料或者是電子元件，以抵消因溫度變化所引起的磁鋼磁性能參數(shù)的變化量[3,10]；（3）采用溫度控制方法，即通過(guò)增加溫控裝置等措施改善加速度計(jì)的工作環(huán)境溫度，使加速度計(jì)工作環(huán)境溫度保持恒定[11]；（4）采用溫度補(bǔ)償方法，即研究加速度計(jì)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)溫度模型，找出加速度計(jì)輸出隨溫度變化的規(guī)律，通過(guò)慣性系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)加速度計(jì)的輸出進(jìn)行補(bǔ)償[6,12]。以上幾種方法中，方法（1）和（2）是從根本上降低石英撓性加速度計(jì)的溫度敏感性，提高其溫度穩(wěn)定性，但最近十年來(lái)由于基礎(chǔ)材料性能的限制，很難從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和永磁材料上進(jìn)一步提高加速度計(jì)溫度穩(wěn)定性，效果不明顯；方法（3）不適用于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)；得益于近年來(lái)電子電路和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，方法（4）所述的溫補(bǔ)方案發(fā)展較快，但該種方法無(wú)法從根本上改進(jìn)加速度計(jì)的溫度穩(wěn)定性。

同時(shí)，標(biāo)度因數(shù)溫度穩(wěn)定性因其影響機(jī)理簡(jiǎn)單、規(guī)律易分析，相關(guān)文獻(xiàn)較多。因此本文以偏值溫度穩(wěn)定性為重點(diǎn)，基于石英撓性加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，討論了提高石英撓性加速度計(jì)參數(shù)溫度穩(wěn)定性的方案及改進(jìn)措施，并通過(guò)實(shí)測(cè)得到了驗(yàn)證。

1 石英撓性加速度計(jì)表頭原理

石英撓性加速度計(jì)的工作原理如圖1 所示。當(dāng)加速度計(jì)敏感到外界加速度ai時(shí)，石英擺片和力矩線圈組成的擺部件會(huì)偏離平衡位置，引起差動(dòng)電容傳感器的電容值產(chǎn)生變化，伺服電路檢測(cè)到電容變化并轉(zhuǎn)化為電流反饋到力矩器，力矩線圈受到電流作用產(chǎn)生電磁力令擺部件回到平衡位置，同時(shí)，該電流作為加速度計(jì)的加速度信號(hào)輸出。因此，加速度的大小與電流信號(hào)大小成正比，加速度方向與電流極性相關(guān)。

圖1 石英撓性加速度計(jì)工作原理圖Fig.1 The operating principle of quartz flexible accelerometer

石英撓性加速度計(jì)擺片的動(dòng)力學(xué)模型為：

式中，J為擺部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；θ為擺部件相對(duì)平衡位置的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；C為阻尼系數(shù)；Ke為擺部件的剛度；M為加速度作用于擺上產(chǎn)生的力矩。由式(1)可得石英撓性加速度計(jì)的傳遞函數(shù)，并由此得出加速度計(jì)的系統(tǒng)框圖，如圖2 所示。

圖2 石英撓性加速度計(jì)系統(tǒng)框圖Fig.2 System diagram of quartz flexible accelerometer

圖2 中，ai為輸入加速度；m為擺部件的質(zhì)量；L為擺長(zhǎng)，Md為干擾力矩；β為彈性恢復(fù)角；Kpo為信號(hào)傳感器的增益；ΔU為伺服放大器輸入端失調(diào)；KA為伺服放大器的增益；I為加速度計(jì)的輸出電流；Kt為力矩器的力矩系數(shù)。

根據(jù)圖2，得到偏值K0和標(biāo)度因數(shù)K1的表達(dá)式：

其中，Kt=K(B1+B2)nlar，K為量綱參數(shù)；B1、B2為上、下磁鋼工作磁通密度；n為力矩器線圈匝數(shù)；la為線圈單匝的有效長(zhǎng)度；r為線圈中心至撓性支撐的距離。

2 加速度計(jì)參數(shù)溫度穩(wěn)定性

2.1 偏值溫度穩(wěn)定性分析

偏值隨溫度的變化稱為偏值溫度系數(shù)。常規(guī)加速度計(jì)的偏值溫度系數(shù)約為(30～100) μg/℃。隨著慣性系統(tǒng)的小型化和低功耗要求，對(duì)加速度計(jì)提出了偏值溫度系數(shù)＜10 μg/℃甚至更高的要求。

偏值的大小及其穩(wěn)定性是石英撓性加速度計(jì)高線性度的重要保證，尤其是在測(cè)量微小加速度時(shí)，偏值的穩(wěn)定性尤為重要。根據(jù)式(2)可知，石英撓性加速度計(jì)輸出偏值主要是因干擾力矩Md、彈性恢復(fù)角β、伺服放大器輸入端失調(diào)ΔU的作用產(chǎn)生。忽略電路誤差，熱環(huán)境下加速度計(jì)的偏值誤差主要來(lái)源于擺部件結(jié)構(gòu)尺寸和彈性恢復(fù)角的變化。其中，擺部件結(jié)構(gòu)尺寸的變化主要來(lái)源于異種材料裝配引起的機(jī)械性能失配和擺片膜層應(yīng)力變化，彈性恢復(fù)角的變化主要來(lái)源于異種材料裝配引起的機(jī)械性能失配和撓性梁的制造誤差。

（1）部件裝配

作為加速度計(jì)的核心敏感器件—擺部件，是由擺片和線圈部件通過(guò)粘接劑粘接組成。其中，擺片材料為熔融石英玻璃，而受限于加工和成本，線圈骨架材料一般為硬鋁合金。

由于石英玻璃擺片、粘接劑、線圈骨架的機(jī)械性能（線膨脹系數(shù)、彈性模量、硬度等）不同（如表1所示），在實(shí)際加工裝配使用過(guò)程中，隨著溫度變化，不同材料的零件變形量不同，會(huì)發(fā)生相對(duì)位移趨勢(shì)，在骨架、擺片和膠層中產(chǎn)生拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，從而引起骨架變形、擺片變形或偏轉(zhuǎn)。利用有限元仿真軟件Ansys，通過(guò)溫度場(chǎng)和靜力場(chǎng)的耦合仿真，得到了溫度從20℃升高到60℃時(shí)，線圈骨架及擺片的變形情況，如圖3 所示。電容極板面隨變形產(chǎn)生位移，引起兩側(cè)的電容差變化，形成偏值變化。

表1 擺部件材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of pendulum components

圖3 線圈骨架和擺片的變形情況（溫度從20℃到60℃）Fig.3 Distoetion of coil framework and pendulous（the temperature increased from 20?C to 60?C）

通過(guò)仿真計(jì)算，在其它因素不變的情況下，影響偏值溫度系數(shù)的主要裝配因素為：擺部件材料機(jī)械性能匹配性、擺片兩側(cè)粘接厚度和粘接面積的對(duì)稱性。相關(guān)參考文獻(xiàn)更多的關(guān)注于擺片本身的模型或者理想化的擺部件模型，對(duì)由于材料不匹配造成的溫度特性分析較少。

（2）擺片膜層工藝

在傳統(tǒng)的石英撓性加速度計(jì)設(shè)計(jì)中存在導(dǎo)電的擺片膜（三臺(tái)階、支撐環(huán)、擺片表面的電極和撓性梁上的電流引線），如圖4 所示。它們是通過(guò)在擺片表面噴涂鉻或鈦底層和金膜制成的。底層的厚度約為(40～60) nm，金涂層的厚度從撓性梁表面的200 nm到600 nm 不等。盡管金屬膜的厚度較小，但由于熔融石英和金的線性膨脹溫度系數(shù)差異很大（分別為0.5×10-6/K 和14×10-6/K），它們?cè)谑[片上產(chǎn)生了明顯的變形。

圖4 石英擺片結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of pendulous

金屬薄膜形成的工藝誤差會(huì)導(dǎo)致石英擺片在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生熱變形。膜厚的工藝誤差可達(dá)10%，尺寸誤差可達(dá)50 μm[13]。圖5 為有限元仿真環(huán)境下?lián)闲粤旱淖冃吻闆r，其中圖5(a)顯示了由于工藝誤差引起的前后兩側(cè)金屬厚度差異為10%的懸架梁變形，厚度分別為200 nm 和220 nm；圖5(b)顯示了兩側(cè)引線寬度不同的撓性梁在-55℃的仿真結(jié)果，寬度分別為0.9 mm 和0.95 mm。

圖5 撓性梁的變形（溫度-55℃，表征系數(shù)×2000）Fig.5 Deformation of flexible beams (temperature -55℃,characterization ratio×2000)

撓性梁在其中心區(qū)域有一個(gè)較大的變形，但梁在靠近框架和擺片固定的區(qū)域保持平坦。梁的曲率在溫度作用下發(fā)生變化，金屬膜和梁之間存在應(yīng)力。在某些溫度下，應(yīng)力會(huì)失去穩(wěn)定性，彎曲的梁會(huì)突然改變一定的形狀，導(dǎo)致偏值發(fā)生變化，在溫度循環(huán)過(guò)程中偏值會(huì)重復(fù)出現(xiàn)跳臺(tái)階現(xiàn)象。

除了變形外，所述膜層誤差還導(dǎo)致在溫度變化下產(chǎn)生形變。根據(jù)仿真計(jì)算，溫度從-55℃變化至+95℃，撓性梁金膜中的應(yīng)力水平會(huì)超過(guò)金的彈性極限，這種效應(yīng)是導(dǎo)致塑性變形的一個(gè)原因。

不考慮動(dòng)態(tài)熱過(guò)程，靜態(tài)溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)下，正反面導(dǎo)線厚度相差 10%時(shí)，偏值溫度系數(shù)為100 μg/℃，而且滯回達(dá)到200 μg，一次熱循環(huán)后的不可重復(fù)性超過(guò) 20 μg。針對(duì)電流引線正反面之間50 μm 的寬度差，偏值溫度系數(shù)、滯回和不可重復(fù)性分別為75 μg/℃、160 μg和17 μg（1σ）。

2.2 標(biāo)度因數(shù)溫度穩(wěn)定性分析

標(biāo)度因數(shù)的大小及其穩(wěn)定性會(huì)直接影響到加速度計(jì)的測(cè)量精度。根據(jù)式(3)可知，石英撓性加速度計(jì)輸出標(biāo)度因數(shù)由擺部件擺性和力矩系數(shù)決定。確切地說(shuō)，標(biāo)度因數(shù)與力矩器的結(jié)構(gòu)尺寸以及磁鋼的磁性能有關(guān)。圖6 為加速度計(jì)磁路示意圖。除了上文所述的擺部件擺性變化，力矩器的結(jié)構(gòu)變化與永磁體的磁性能隨溫度的變化決定了力矩器磁路的變化，進(jìn)而影響到標(biāo)度因數(shù)的穩(wěn)定性。同時(shí)伺服回路中傳感器增益和伺服放大器增益誤差也將產(chǎn)生較小影響。

圖6 加速度計(jì)磁路示意圖Fig.6 Schematic diagram of accelerometer magnetic circuit

標(biāo)度因數(shù)隨溫度變化的主要原因有以下兩方面：

（1）永磁材料的溫度磁滯現(xiàn)象

永磁材料內(nèi)部各晶格中的原子分布并非是規(guī)則排列的，局部具有各向異性，受自身及環(huán)境載荷的影響，晶格中離子和電子等微觀粒子產(chǎn)生遷移，硬磁材料內(nèi)部的穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生變化，上述不穩(wěn)定變化使得力矩器磁路氣隙性能穩(wěn)定性改變，進(jìn)而影響加速度計(jì)參數(shù)的穩(wěn)定性。如圖7 所示為永磁材料矯頑力HCT、磁滯回線（磁化強(qiáng)度M、飽和磁化強(qiáng)度MS之比與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的關(guān)系）與溫度T的變化曲線。量的研究表明，溫度磁滯現(xiàn)象是影響標(biāo)度因數(shù)的主要因素。幾乎每種溫度相關(guān)的永磁材料，如鋁鎳鈷或釹鐵硼都有溫度磁滯現(xiàn)象，且磁滯曲線都很相似。

圖7 永磁材料矯頑力、磁滯回線與溫度的關(guān)系Fig.7 Relationship of permanent magnetic material’s coercive force,magnetic hysteresis loop and temperature

（2）磁路結(jié)構(gòu)變形

擺片軸向變形或偏轉(zhuǎn)，會(huì)引起線圈軸向位置變化，工作位置有效磁通密度B1、B2的變化會(huì)引起標(biāo)度因數(shù)的不穩(wěn)定。由于粘接的不對(duì)稱性、不同材料的機(jī)械性能差異都會(huì)引起不同零件的變形差異，會(huì)對(duì)線圈骨架上產(chǎn)生拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，引起扭曲或位置變化，引起線圈位置變化或擺長(zhǎng)變化，會(huì)引起標(biāo)度因數(shù)的不穩(wěn)定。例如：擺長(zhǎng)變化1 μm，標(biāo)度因數(shù)變化可達(dá)50 ppm。

3 提高加速度計(jì)參數(shù)溫度穩(wěn)定性的措施

3.1 改進(jìn)擺片結(jié)構(gòu)

為隔離骨架變形、粘接劑蠕變對(duì)擺片電容極板面的影響，可以在傳統(tǒng)擺片結(jié)構(gòu)上圍繞粘接面設(shè)計(jì)隔離槽，對(duì)由于粘接產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行釋放和隔離，如圖8(a)所示?？梢钥闯觯汗羌芎蛿[片內(nèi)圓的變形不會(huì)直接引起電容極板面的相應(yīng)變形，進(jìn)而起到降低偏值溫度系數(shù)的作用。骨架粘接兩側(cè)膠的厚度分別為0.03 mm 和0.024 mm，通過(guò)改變隔離槽的展開(kāi)角度，對(duì)比溫度變化帶來(lái)的不同影響，有限元仿真結(jié)果如圖8(b)所示。

圖8 帶有隔離槽的擺片F(xiàn)ig.8 Schematic diagram of pendulous with isolation groove

隔離槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有多種形式，如C 型、?型等，都能起到隔離骨架變形對(duì)電容極板面影響的目的，可以結(jié)合共振頻率、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、擺片加工工藝等綜合考慮。

3.2 改進(jìn)裝配工藝

裝配工藝上的措施，其宗旨是減小溫度變化引起的不對(duì)稱變形?？梢詮臏p小變形或減小應(yīng)力傳遞兩方面考慮。

（1）提高粘接對(duì)稱性，降低粘接劑彈性模量

電容極板面的變形是線圈骨架通過(guò)粘接劑傳遞過(guò)去的，通過(guò)擺部件粘接膠量的量化，提高粘接面積和粘接厚度的對(duì)稱性，同時(shí)適當(dāng)降低粘接劑的彈性模量，也可以減小擺片的變形。其中，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)加速度計(jì)偏值溫度系數(shù)與擺片兩側(cè)黏合劑厚度的關(guān)系（撓性梁厚度0.020 mm）有限元仿真結(jié)果如圖9 所示。

圖9 偏值溫度系數(shù)與兩側(cè)粘接劑厚度的關(guān)系Fig.9 Relationship of adhesive thickness and bias temperature

兩側(cè)骨架的粘接厚度越相近，偏值溫度系數(shù)越小。理想情況下，如果擺片兩側(cè)粘接厚度差＜0.005 mm，引起的偏值溫度系數(shù)＜5 μg/℃，現(xiàn)實(shí)中由于膠體的流動(dòng)性，需要結(jié)合粘接劑特性和裝配工藝研究。

（2）通過(guò)二次過(guò)渡粘接

在擺片與骨架之間增加一個(gè)玻璃片，玻璃片軸向與擺片粘接，玻璃片徑向與骨架粘接，骨架的變形不會(huì)直接引起擺片變形，玻璃片起到隔離應(yīng)力傳遞的作用，從而可以減小由此帶來(lái)的擺片變形，進(jìn)而提高加速度計(jì)偏值的溫度穩(wěn)定性，如圖10 所示。

圖10 二次過(guò)渡粘接結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of the secondary transition bonding

在梁厚度0.024 mm 時(shí)，對(duì)比結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后值，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)具有明顯的溫度穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)，表2 為仿真計(jì)算數(shù)據(jù)。

表2 偏值溫度系數(shù)計(jì)算（不考慮線圈）Tab.2 Bias temperature coefficient (without coil)

3.3 改進(jìn)骨架材料

為了減小骨架溫度變形帶來(lái)的粘接應(yīng)力和擺片變形，骨架應(yīng)該具備這樣幾個(gè)特點(diǎn)：低線脹系數(shù)、高彈性模量、高抗折強(qiáng)度、高電阻率、低加工應(yīng)力。通過(guò)對(duì)材料物理性能、加工難度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性等物理和化學(xué)參數(shù)的對(duì)比，目前可以用于工程應(yīng)用的骨架材料如表3 所示。

表3 不同骨架材料參數(shù)Tab.3 Different skeleton material parameters

傳統(tǒng)的力矩器線圈骨架材料為硬鋁，隨著材料研制的進(jìn)步，比較成熟的氮化鋁陶瓷因其線膨脹系數(shù)更低、彈性模量較大不易變形，同時(shí)導(dǎo)熱率更高，可以用于力矩器線圈骨架，提高擺部件尺寸穩(wěn)定性。圖11為硬鋁與氮化鋁力矩器線圈骨架變形情況對(duì)比，可以看出，溫度從20℃升高到60℃的情況下，氮化鋁陶瓷骨架變形量（圖11(b)，1.1 μm）遠(yuǎn)小于硬鋁骨架（圖11(a)，6.5 μm），降低半個(gè)數(shù)量級(jí)，能有效地抑制溫度變化引起的骨架變形，進(jìn)而改善加速度計(jì)溫度穩(wěn)定性。

圖11 硬鋁骨架與氮化鋁陶瓷骨架形變對(duì)比Fig.11 Deformation comparison of duralumin and Al2N3 ceramic skeletons

目前采用氮化鋁線圈骨架的高分辨率重力測(cè)量加速度計(jì)，偏值溫度系數(shù)得到改善，均在±10 μg/℃以內(nèi)。

3.4 改進(jìn)擺片鍍膜工藝

擺片膜層通常為Cr+Au 的雙層金屬膜系，膜層應(yīng)力是在鍍膜過(guò)程中以及成膜后老化過(guò)程逐步形成和發(fā)展的。

因Au 在石英基體上較差的附著力，需要增加Cr的中間層來(lái)提高附著力，從圖12 可以看出，Cr 膜內(nèi)應(yīng)力高，Au 膜的內(nèi)應(yīng)力相對(duì)小很多。同時(shí)由于Cr 和Au 膜層界面不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生持續(xù)的擴(kuò)散現(xiàn)象，造成膜層應(yīng)力和電性能的不穩(wěn)定，從而影響加速度計(jì)偏值的溫度穩(wěn)定性。

圖12 擺片鉻層和金應(yīng)力實(shí)測(cè)圖Fig.12 Stress map of Cr and Au layer in pendulum

通過(guò)改進(jìn)鍍膜工藝，可以減小膜層引入的誤差。目前的手段主要為嚴(yán)格控制鍍膜過(guò)程各工藝環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)擺片膜層應(yīng)力的降低，同時(shí)提升雙面膜層應(yīng)力對(duì)稱性，提升膜層均勻性，穩(wěn)定膜層應(yīng)力狀態(tài)。

由于鍍膜過(guò)程中的工藝參數(shù)比較復(fù)雜，都會(huì)影響膜層應(yīng)力狀態(tài)和膜層質(zhì)量，需要采取綜合試驗(yàn)來(lái)確定最佳組合。從膜層應(yīng)力上考慮，不同的鍍膜方法、鍍膜材料以及工藝參數(shù)等都會(huì)影響膜層應(yīng)力大小。從膜層對(duì)稱性上考慮，需要在梁的兩面同時(shí)進(jìn)行金屬鍍膜。從膜層穩(wěn)定性考慮，剛鍍好的膜層內(nèi)部應(yīng)力都是不穩(wěn)定的，極易受外界溫度變化影響，均需要經(jīng)過(guò)后期的穩(wěn)定化處理。

膜層穩(wěn)定化處理目的是減小成膜過(guò)程中的內(nèi)應(yīng)力和熱應(yīng)力。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，膜層在形成后初期變化最大，膜層越薄，膜層電性能隨時(shí)間變化越大。膜層穩(wěn)定化處理在減小膜層內(nèi)部應(yīng)力、提高膜層附著力的同時(shí)，也會(huì)引起電性能的變化，包括電容和電阻，偏值和標(biāo)度因數(shù)的溫度穩(wěn)定性。具體穩(wěn)定化處理過(guò)程及工藝參數(shù)，特別是綜合效果需要通過(guò)不同相關(guān)參數(shù)組合確定。

圖13 為鍍膜工藝改進(jìn)前后，在ZYGO 激光干涉儀測(cè)量下，擺片電容面膜層形貌的對(duì)比，其中傳統(tǒng)工藝的膜層PV 值為0.9λ，均方根誤差為0.096λ，在對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后膜層PV 為0.59λ，均方根誤差為0.079λ，可以看出，膜厚均勻性得到明顯改善。

圖13 鍍膜工藝改進(jìn)前后膜層形貌對(duì)比Fig.13 Comparison of film morphology before and after coating process improvement

3.5 改進(jìn)永磁材料

具有高穩(wěn)定性潛力的永磁材料主要是鋁鎳鈷永磁材料及釤鈷永磁材料。鋁鎳鈷永磁材料具有較高的剩磁、較低的剩磁溫度系數(shù)（-2×10-4/℃）和矯頑力溫度系數(shù)，但是因矯頑力較低，抵抗外界干擾能力較差等原因，難以滿足石英加速度計(jì)的高穩(wěn)定性要求。釤鈷永磁材料具有較高的矯頑力（Hcj>25kOe），抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)，同時(shí)可以利用重稀土元素補(bǔ)償?shù)脑斫档褪４艤囟认禂?shù)，顯著提高加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)溫度穩(wěn)定性，因此成為高精度加速度計(jì)優(yōu)選的永磁材料。

3.6 改進(jìn)磁路設(shè)計(jì)

工作氣隙磁場(chǎng)（B1+B2）不僅與永磁材料有關(guān)，還與工作氣隙磁場(chǎng)均勻性、磁阻有關(guān)。最理想的磁路中，應(yīng)該任何位置都是相同的B值，但由于受到體積和間距限制，磁場(chǎng)均勻分布難以實(shí)現(xiàn)。退而求其次，磁路設(shè)計(jì)中，應(yīng)使得磁場(chǎng)分布盡量對(duì)稱，起到B1+B2盡量不變的效果，如圖14 所示。

圖14 理想工作氣隙磁場(chǎng)分布Fig.14 Ideal working air gap magnetic field distribution

加速度計(jì)磁路結(jié)構(gòu)的連接包括磁鋼與導(dǎo)磁板連接、磁鋼與導(dǎo)磁環(huán)連接等，目前傳統(tǒng)連接方式為膠接。粘接劑隨溫度的蠕變會(huì)對(duì)磁路磁導(dǎo)、電磁力中心位置等產(chǎn)生影響，降低標(biāo)度因數(shù)的溫度穩(wěn)定性。如圖15所示為Maxwell 磁場(chǎng)有限元仿真軟件環(huán)境下，磁鋼與導(dǎo)磁環(huán)連接、磁鋼與磁極片連接間隙因蠕變產(chǎn)生位移時(shí)，輸出電磁力矩的變化，計(jì)算結(jié)果為160 ppm/1 μm和242 ppm/1 μm。

圖15 粘接劑蠕變引起的電磁力矩變化Fig.15 Electromagnetic torque variation due to adhesive creep

由粘接劑蠕變分析可知，溫變施加過(guò)程中，將產(chǎn)生形變約為0.2 μm，加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)將會(huì)變化（32～48）ppm。如果使用彈性模量較小的膠粘劑，標(biāo)度因數(shù)變化將會(huì)更大。

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，不同材料之間的無(wú)膠粘劑連接成為可能。分別在磁極片和導(dǎo)磁環(huán)中部各設(shè)計(jì)一個(gè)過(guò)孔，可以增大軸向磁阻，減小軸向磁力線發(fā)散，提高徑向磁路的利用率，同時(shí)可以作為激光焊接的通道。采用激光焊接技術(shù)代替膠粘劑粘接，避免了粘接劑蠕變，可以實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的磁路連接設(shè)計(jì)。

3.7 加速度計(jì)輸出溫度穩(wěn)定性改進(jìn)效果分析

通過(guò)對(duì)加速度計(jì)參數(shù)的溫度穩(wěn)定性研究，分析出了偏值和標(biāo)度因數(shù)的深層次影響因素，如材料機(jī)械性能不匹配、膜層應(yīng)力、膠層變形不對(duì)稱、膠層蠕變以及磁鋼性能變化等，由此給出了提高加速度計(jì)參數(shù)溫度穩(wěn)定性的措施。根據(jù)上文仿真計(jì)算，可預(yù)測(cè)相關(guān)措施對(duì)加速度計(jì)溫度性能提升情況，如表4 所示。

表4 加速度計(jì)輸出溫度穩(wěn)定性仿真結(jié)果Tab.4 Simulation results of accelerometer output temperature stability

以上相關(guān)措施都能極大地改善溫度對(duì)加速度計(jì)性能的影響。但顯而易見(jiàn)的是，部分措施只存在理想條件下，現(xiàn)實(shí)中是不可能實(shí)現(xiàn)的，如骨架粘接的完全對(duì)稱、無(wú)蠕變的粘接劑等，但這些對(duì)裝配工藝和粘接劑的改進(jìn)方向同樣有借鑒意義。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

受限于基礎(chǔ)材料性質(zhì)（如粘接劑、磁鋼的溫度性能）和加工裝配工藝（對(duì)稱粘接、鍍膜等），石英撓性加速度計(jì)的實(shí)際生產(chǎn)中不可能實(shí)現(xiàn)如仿真分析如此理想的結(jié)果，同時(shí)，上文所述改進(jìn)措施的影響不是孤立的。因此很難針對(duì)上述措施做單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

在此基礎(chǔ)上，分析以上改進(jìn)措施對(duì)加速度計(jì)溫度穩(wěn)定性的綜合影響。以某型石英撓性加速度計(jì)為例，對(duì)比兩批次每批各16 只加速度計(jì)產(chǎn)品參數(shù)的溫度系數(shù)。針對(duì)溫度穩(wěn)定性，做了抗干擾力矩?cái)[片設(shè)計(jì)、骨架材料升級(jí)、改進(jìn)鍍膜工藝、粘接劑性能優(yōu)化、永磁材料改進(jìn)、磁路結(jié)構(gòu)優(yōu)化等措施。兩批次中有代表性的加速度計(jì)溫度系數(shù)穩(wěn)定性如圖16 所示，溫度系數(shù)穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖17 所示。

圖16 改進(jìn)前后加速度計(jì)溫度穩(wěn)定性Fig.16 Temperature stability of accelerometer before and after improvement

圖17 改進(jìn)前后加速度計(jì)溫度穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)Fig.17 Temperature stability statistics of accelerometer before and after improvement

可以看出，由于零件加工公差的存在以及裝配誤差的引入，雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果不如仿真結(jié)果效果明顯，但仍能看出上文所述改進(jìn)措施對(duì)加速度計(jì)溫度穩(wěn)定性的改善，無(wú)論是偏值還是標(biāo)度因數(shù)，改進(jìn)后的產(chǎn)品溫度系數(shù)明顯減小，加速度計(jì)偏值溫度系數(shù)降低了約30 μg/℃，標(biāo)度因數(shù)溫度系數(shù)降低了約10 ppm/℃。

5 結(jié)論

本文從石英撓性加速度計(jì)的基本原理入手，在加速度計(jì)的靜態(tài)模型基礎(chǔ)上，研究分析了加速度計(jì)偏值、標(biāo)度因數(shù)隨溫度變化的原因，確定了偏值、標(biāo)度因數(shù)受溫度的影響機(jī)理，并從擺片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、膜層成型、線圈骨架粘接、材料選擇及磁路設(shè)計(jì)等方面提出了改進(jìn)措施。運(yùn)用仿真分析方法，對(duì)以上改進(jìn)措施進(jìn)行量化分析，歸納總結(jié)了加速度計(jì)輸出溫度穩(wěn)定性的改進(jìn)方向。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)所述理論和方法進(jìn)行了驗(yàn)證，改進(jìn)后的石英撓性加速度計(jì)全溫條件下（-40℃至+60℃）溫度穩(wěn)定性得到明顯改善，典型產(chǎn)品的偏值和標(biāo)度因數(shù)溫度系數(shù)分別減小約30 μg/℃和10 ppm/℃，降低到6.8 μg/℃和13.7 ppm/℃，顯著改善了加速度計(jì)的溫度穩(wěn)定性。