[發明專利]一種基于抗磁體懸浮的MEMS慣性傳感器

有效

• 申請號: 201910542840.3
• 申請日: 2019-06-21
• 公開（公告）號: CN110231664B
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發明（設計）人: 王秋;劉驊鋒;胡宸源;涂良成
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01V7/00
• 分類號: G01V7/00;G01V7/02;G01P15/08;G01P15/03;G01P1/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青;李智

本發明公開一種基于抗磁體懸浮的MEMS慣性傳感器，包括：深硅刻蝕槽內部具有封閉的空間，通過將SOI硅片中支撐層的中間區域刻蝕掉得到；懸浮永磁體位于深硅刻蝕槽的封閉空間內，固定永磁體固定于上刻蝕槽外側的頂部，用于提供作用于懸浮永磁體的懸浮力，以克服懸浮永磁體的重力，使得懸浮永磁體懸浮于封閉空間內；抗磁材料對稱的固定在深硅刻蝕槽的內部，向懸浮永磁體提供對稱的抗磁力，當MEMS慣性傳感器受到外界作用力導致懸浮永磁體的位置發生變化時，抗磁力作為類彈性恢復力以約束懸浮永磁體的位置，懸浮永磁體的位移用于確定外界作用力對應的空間慣性加速度。本發明的慣性傳感器不受摩擦力的影響。

技術領域

本發明涉及微電子器件加工制造技術領域，更具體地，涉及一種基于抗磁體懸浮的MEMS慣性傳感器。

背景技術

在地表附近，地球重力場是最基本和最重要的物理場之一，對重力場的精密測量有著重要的意義。重力測量在資源勘探、輔助導航、國防軍事和地球科學等方面有著廣泛的應用前景。以重力加速度傳感器為例，重力加速度傳感器是一種測量重力加速度微小變化量的精密重力測量傳感器。

重力加速度傳感器機械結構基本模型為彈簧-振子結構，由彈簧、檢驗質量塊以及空氣或者結構帶來的阻尼組成，檢驗質量塊通常作為傳感器的核心敏感單元，是基于柔性彈簧的恢復力做往復運動，檢驗質量運動感知外界加速度變化，外界加速度變化導致彈簧發生形變，用于測量不同區域空間位置的重力加速度或者同一位置不同時間的重力加速度，也即區域重力場或者時變重力場的測量。但這類重力加速度傳感器，需要外界提供能量，彈簧和質量塊直接接觸產生摩擦，摩擦力影響傳感器的性能，能量耗散，其分辨率受限于系統的噪聲水平。

微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)起源于集成電路(Integrated Circuit，IC)技術。相對于傳統器件，MEMS器件具有尺寸小、易于與電路實現單片集成、易于批量化生產、低成本等優點，在消費電子、噴墨打印機、生物醫療等領域獲得了廣泛的應用。現有的重力加速度傳感器分辨率受限于系統的噪聲水平，重力加速度傳感器自身的噪聲機械熱噪聲和電路噪聲組成。要想獲得高分辨率的重力加速度傳感器，需要同時控制機械熱噪聲和電路噪聲，在結構上減小彈簧-振子的固有頻率，或者增大位移傳感靈敏度來提高重力加速度傳感器系統信噪比。

現有的重力加速度傳感器的彈簧-振子的固有頻率與彈簧梁寬成三次方關系，與檢驗質量成反比。一方面我們需要使檢驗質量盡可能的大，因此彈簧-振子結構的厚度較大；另一方面要降低彈簧-振子的固有頻率，需要降低彈簧梁寬，一般在10μm–20μm，由于刻蝕工藝深寬比在一般在1：10到1：20之間。為了進一步降低彈簧梁寬，保證較好的機械性能，需要使刻蝕槽盡可能的窄，更進一步，對深硅刻蝕工藝的深寬比提出更高要求。因此更窄的彈簧梁寬對深刻蝕機臺的要求更苛刻，增加了MEMS器件制備的困難，沒有充分發揮MEMS工藝的優勢。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于解決現有重力加速度傳感器，需要外界提供能量，彈簧和質量塊直接接觸產生摩擦，摩擦力影響傳感器的性能，能量耗散，其分辨率受限于系統的噪聲水平，以及現有MEMS重力加速度傳感器無法發揮MEMS工藝優勢的技術問題。

為實現上述目的，本發明提供一種基于抗磁體懸浮的MEMS慣性傳感器，包括：深硅刻蝕槽、抗磁材料、懸浮永磁體以及固定永磁體；

所述深硅刻蝕槽內部具有封閉的空間；所述深硅刻蝕槽包括兩個對稱的刻蝕槽，每個刻蝕槽通過將SOI硅片中支撐層的中間區域刻蝕掉得到；兩個刻蝕槽開口方向相對，兩個刻蝕槽中間被刻蝕掉的區域對應所述封閉的空間；所述懸浮永磁體位于所述深硅刻蝕槽的封閉空間內，所述固定永磁體固定于上刻蝕槽外側的頂部，用于提供作用于懸浮永磁體的懸浮力，以克服懸浮永磁體的重力，使得懸浮永磁體懸浮于所述封閉空間內；