應用于MEMS加速度計的小型恒溫系統的實現

李建飛 薛 兵 張俊峰朱小毅王曉蕾

1）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

2）北京港震機電技術有限公司，北京 102628

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）加速度計是采用微機電技術制作的產品，具有體積小、功耗低、外圍電路簡單等特點，廣泛應用于振動檢測領域；一些新型傾角儀的設計中也采用MEMS加速度計來記錄靜態加速度，然后進行后續計算。

而受環境溫度變化的影響，MEMS加速度計的零點值會發生變化，在輸出的加速度信號中疊加干擾量，使測量產生誤差。因此，本文研究一種小型恒溫系統的實現方法，其能以較小的功耗和體積，使MEMS加速度計的工作區域溫度保持恒定，從而屏蔽環境溫度變化對儀器工作的影響。

小型恒溫系統的設計目標是，以較小的功耗（小于0.5 W）實現較好的恒溫效果（內外溫度變化比小于1%），從而有效降低MEMS加速度計的零點漂移值（降低一個量級）；同時，恒溫系統內外最大的工作溫差大于50℃。

小型恒溫系統采用金屬Pt1000電阻作為溫度傳感器，配合電橋電路，實現測量溫度和設定恒溫工作點的功能；采用運算放大器構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熱來實現；散熱過程通過內外溫差的自然對流實現。并且為了降低功耗，采用可變恒溫工作點的設計方式，即根據環境溫度的變化動態調節電橋電路的參考電壓值；但系統的恒溫工作點必須高于環境溫度變化的最大值與元器件的工作溫升的和。

小型恒溫系統的安裝載體為電路板，其物理結構可分為保溫層、加熱源、溫控環、恒溫腔幾個部分；在恒溫腔內部安裝MEMS加速度計和電橋等關鍵元器件。試驗中發現，加溫元器件的分布所產生的熱傳導過程及熱量的分布不均勻，會引起MEMS加速度計零點的漂移；因此，我們摒棄單點加熱的方式，增加溫控環，盡可能的使加熱源均勻的分布在MEMS加速度計的四周，并使加熱源至MEMS加速度計的熱量傳導均勻。

溫控環的結構如下所述：由導熱系數較高的薄銅皮制作一個加熱環，圍繞MEMS加速度計和小部分的電路板；將加熱源分為兩處，放置在上下銅片處，產生的熱量通過銅片迅速擴散；在薄銅片形成的腔體內加注導熱系數較低的柔性膠，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加速度計上的熱量。

我們定義恒溫系統內外的溫度差與熱源所消耗的能量比值，稱為系統的熱阻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，我們測試系統的熱阻A0=152.11℃/W；根據不同的的環境溫度，恒溫工作點設定為Th1=51℃和Th1=31℃，電橋的測溫靈敏度均為ST1=0.921 mV/℃；系統的最大功耗為Pmax=0.387 W，可承受的最大內外溫差為ΔT=58.8℃。

實際測試，在恒溫體內部的溫度達到穩定時，外部溫度變化為10.98℃，內部溫度變化0.09℃，變化比率為0.0082。

實際測試應用了恒溫系統的MEMS加速度計的零點漂移情況，水平向的零點漂移值由未恒溫前的0.46 mg/℃降低到0.0298 mg/℃，垂直向的零點漂移值由未恒溫前的0.51 mg/℃降低至0.0855 mg/℃。

結果表明，恒溫系統在保持加速度計工作區域溫度穩定方面可以有效的發揮作用，穩定后恒溫腔的溫度波動與外界溫度波動的比值小于1%；在相同外界溫度變化范圍內，恒溫MEMS加速度計的零點漂移值比未加恒溫的MEMS加速度計減小近一個量級（其中水平向超過一個量級）；而恒溫后的MEMS加速度計又可以作為基準源校正高性能的力平衡反饋加速度計，這將在以后進行討論。