基于热应力形变分析的制造技术

基于热应力形变分析的

【技术实现步骤摘要】
基于热应力形变分析的MEMS惯性器件温漂误差估计方法


[0001]本专利技术属于新型微惯性器件领域，具体涉及一种
MEMS
惯性器件温漂误差估计方法
。

技术介绍

[0002]随着科学技术的不断发展与进步，依托于更多的自然资源以支持人类向着更加文明和谐
、
高水平可持续发展的美好愿景日益强烈
。
地球两极拥有丰富的自然资源储备和充沛的航运潜力，能更好地助力人类社会发展到更高阶段
。
然而，两极地区的环境温度具有大温差变化的特点，北极冬季最低气温可达
‑
50℃
以下，其夏季最高气温可达
30℃
以上
。
基于此，冰天雪地的陆地环境和浮冰涌动的水文条件极容易给自然资源开采
、
油气勘探
、
航道运输
、
科考活动带来诸多潜在风险
。
例如，北极油气管道和航运路线需要及时巡查并监测其工作状态，预防因外部环境因素引起的安全事故给生态环境带来灾难性后果
。
需要注意的是，严寒天气下
(
气温低于
‑
20℃)
依靠人工巡线监测是极其困难和危险的，严重时难以保证相关任务顺利进行，甚至会危及工作人员安全
。
为此，利用无人系统代替人工完成低温环境下室外作业正成为恶略环境下任务执行的主要手段
。
利用无人驾驶飞行器航线管理系统代替人工巡线监测，既保证工作人员安全又可以保证所执行任务的顺利进行
。
这表明，无人系统正在逐步接替有人系统的功能和职责，日渐成为执行两极地区任务的首要选择
。
[0003]无人系统可靠执行预定计划
、
智能应对外部环境威胁需要自身搭载的航姿系统为其提供精准的姿态信息
。
在当前技术限制下，无人系统具有载重效率低且费效比高的技术劣势，承载高精度
、
小型化
、
低成本的子系统是无人系统的首要选择，因此，
MEMS
微惯性导航系统是是首选的技术方案
。MEMS
微惯性导航系统采用电容式
MEMS
微惯性器件作为核心部件，基于惯性导航算法可实现载体姿态检测以及惯性导航，电容式
MEMS
微惯性器件的输出精度决定了
MEMS
微惯性导航系统的姿态信息精度
。
同时，高集成度
、
低功耗
、
低成本是其独特的技术优势
。
然而，由于电容式
MEMS
微惯性器件由具有温度依赖性的硅基材料制成，当其从常温环境
(20℃)
转移至极区等酷寒环境
(
‑
30℃
以下
)
时，环境温度突然跃变不可避免地会激励硅基材料物理特性变化，并由此进一步诱导其内部结构一致性改变，进而激励温漂误差并降低电容式
MEMS
微惯性器件的精准性和可靠性，严重时甚至可能导致无人系统的宕机或损坏，进一步威胁执行任务的顺利完成
。
[0004]消除电容式
MEMS
微惯性器件温漂误差的根本方法在于完全解耦硅基材料的温度依赖性，消除环境温度大幅度变化对其内部结构一致性的影响
。
由于受到当前材料加工技术的限制，通过优化材料加工工艺达成完全消除硅基材料温度依赖性的技术目标难以实现
。
温度控制系统控制环境温度稳定于目标温度，可以有效减弱环境温度变化对其控制对象的温度冲击，以此间接实现解耦硅基材料的温度依赖性
。
需要注意的是，温度控制系统的系统构成较为复杂，这与电容式
MEMS
微惯性器件的高集成度
、
低功耗
、
低成本的技术优势相冲突
。
温漂误差估计模型以环境温度相关量为模型输入
、
以温漂误差为模型输出，基于先验数学模型实现任意精度下由环境温度相关量精准估计温漂误差
。
全面精准的环境温度相关
量是准确估计温漂误差的基础，环境温度相关量的缺失势必会导致温漂误差估计失“真”且失“准”。
此外，具有复杂模型结构的先验数学模型会降低估计实时性，并可能引入因补偿不及时导致补偿精度降低的风险
。
[0005]综上所述，由于现有温漂误差估计方法的准确性和实时性较差，因此，如何又“准”又“快”地估计并补偿温漂误差成为提升电容式
MEMS
微惯性器件环境适应性最为有效的技术手段
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为解决现有温漂误差估计方法的准确性和实时性差的问题，而提出了一种基于热应力形变分析的
MEMS
惯性器件温漂误差估计方法
。
[0007]本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案是：基于热应力形变分析的
MEMS
惯性器件温漂误差估计方法，所述方法具体包括以下步骤：
[0008]步骤一
、
根据
MEMS
惯性器件传感电路的梳齿结构，确定出引起
MEMS
惯性器件温漂误差的全部温度参量；
[0009]步骤二
、
建立电容式
MEMS
惯性器件温漂误差模型，根据步骤一中确定出的温度参量构造训练数据集；
[0010]利用训练数据集对
MEMS
惯性器件温漂误差模型进行训练；
[0011]步骤三
、
根据
MEMS
惯性器件实际工作时的环境温度计算
Δ
T、
Δ
T2和
Δ
T
‑
1/2
，将计算出的
Δ
T、
Δ
T2和
Δ
T
‑
1/2
输入训练好的
MEMS
惯性器件温漂误差模型，利用
MEMS
惯性器件温漂误差模型输出实际的温漂误差
。
[0012]优选地，所述步骤一的具体过程为：
[0013]步骤一一
、
将传感电路的梳齿结构抽象成由动极板和定极板构成的平板电容器，当环境温度为
T0时，梳齿结构处于非形变的动基座情况，此时传感电路检测的电容值
Δ
C
′
为：
[0014][0015]其中，
b0为动极板与定极板重叠的长度，
c0为动极板与定极板重叠的宽度，
d0为质量块处于中心平衡时的梳齿距离，
ε
为介电常数，
Δ
d
为惯性信息激励下动极板的绝对偏移位移，
k
为静电力常量；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于热应力形变分析的
MEMS
惯性器件温漂误差估计方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：步骤一
、
根据
MEMS
惯性器件传感电路的梳齿结构，确定出引起
MEMS
惯性器件温漂误差的全部温度参量；步骤二
、
建立电容式
MEMS
惯性器件温漂误差模型，根据步骤一中确定出的温度参量构造训练数据集；利用训练数据集对
MEMS
惯性器件温漂误差模型进行训练；步骤三
、
根据
MEMS
惯性器件实际工作时的环境温度计算
Δ
T、
Δ
T2和
Δ
T
‑
1/2
，将计算出的
Δ
T、
Δ
T2和
Δ
T
‑
1/2
输入训练好的
MEMS
惯性器件温漂误差模型，利用
MEMS
惯性器件温漂误差模型输出实际的温漂误差
。2.
根据权利要求1所述的基于热应力形变分析的
MEMS
惯性器件温漂误差估计方法，其特征在于，所述步骤一的具体过程为：步骤一一
、
将传感电路的梳齿结构抽象成由动极板和定极板构成的平板电容器，当环境温度为
T0时，梳齿结构处于非形变的动基座情况，此时传感电路检测的电容值
Δ
C
′
为：其中，
b0为动极板与定极板重叠的长度，
c0为动极板与定极板重叠的宽度，
d0为质量块处于中心平衡时的梳齿距离，
ε
为介电常数，
Δ
d
为惯性信息激励下动极板的绝对偏移位移，
k
为静电力常量；步骤一二
、
当环境温度变化时，硅微结构的热应力变化量
σ
为：
σ
＝
α
E(T
‑
T0)
其中，
Δ
T
＝
T1‑
T0，
T1为变化后环境温度，
T0为变化前环境温度，
α
为热膨胀系数，
E
为硅基材料的弹性模量；将梳齿结构的长梁的宽度表示为
h
，将梳齿结构的长梁的长度表示为
i
，将梳齿结构的长梁的厚度表示为
n
，则长梁上任意位置的弯矩
M(h)
为：其中，
x
为积分变量；在弯矩
M(h)
的作用下，定极板的梳齿厚度
a1为：其中，
a0为静基座情况下的定极板梳齿厚度；在弯矩
M(h)
的作用下，动极板与定极板重叠的长度
b1为：其中，
e0为静基座情况下的动极板的梳齿厚度；在弯矩
M(h)
的作用下，动极板与定极板重叠的长度
c1为：
在弯矩
M(h)
的作用下，平衡状态时动极板和定极板的梳齿间距
d1为：在弯矩
M(h)
的作用下，动极板的梳齿厚度
e1为：当环境温度由
T0变化为
T1时，则梳齿结构处于形变的动基座情况，此时传感电路检测的电容值
Δ
C
″
为：
ln(
·
)
是自然对数，令
[a0e0/3
α
(a0+e0)]
＝
A
，则有：则环境温度变化前后，传感电路中测量的电容误差为：即电容误差
Δ
C
∝
f(
Δ
T,
Δ
T2,
Δ
T
‑
1/2
)
，当环境温度变化时，电容误差与环境温度变化量
Δ
T、
环境温度变化量的平方
Δ
T2以及环境温度变化量的倒数平方根
Δ
T
‑
1/2
有关；步骤一三
、
根据
MEMS
惯性器件的输出与
MEMS
惯性器件传感电路检测的电容值的相关性，确定出引起
MEMS
惯性器件温漂误差的温度参量为
Δ
T、
Δ
T2和
Δ
T
‑
1/2
。3.
根据权利要求2所述的基于热应力形变分析的
MEMS
惯性器件温漂误差估计方法，其特征在于，所述
MEMS
惯性器件温漂误差模型为
RBF
神经网络模型
。4.
根据权利要求3所述的基于热应力形变分析的
MEMS
惯性器件温漂误差估计方法，其特征在于，所述
RBF...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐兵，汪籽粒，赵砚池，孙伟淇，管梦涵，葛靖宇，金莫寒，郭广彦，冯舒扬，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：