CN110231664B - 一种基于抗磁体悬浮的mems惯性传感器 - Google Patents

一种基于抗磁体悬浮的mems惯性传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于抗磁体悬浮的MEMS惯性传感器，包括：深硅刻蚀槽内部具有封闭的空间，通过将SOI硅片中支撑层的中间区域刻蚀掉得到；悬浮永磁体位于深硅刻蚀槽的封闭空间内，固定永磁体固定于上刻蚀槽外侧的顶部，用于提供作用于悬浮永磁体的悬浮力，以克服悬浮永磁体的重力，使得悬浮永磁体悬浮于封闭空间内；抗磁材料对称的固定在深硅刻蚀槽的内部，向悬浮永磁体提供对称的抗磁力，当MEMS惯性传感器受到外界作用力导致悬浮永磁体的位置发生变化时，抗磁力作为类弹性恢复力以约束悬浮永磁体的位置，悬浮永磁体的位移用于确定外界作用力对应的空间惯性加速度。本发明的惯性传感器不受摩擦力的影响。

Description

一种基于抗磁体悬浮的MEMS惯性传感器
技术领域
本发明涉及微电子器件加工制造技术领域，更具体地，涉及一种基于抗磁体悬浮的MEMS惯性传感器。
背景技术
在地表附近，地球重力场是最基本和最重要的物理场之一，对重力场的精密测量有着重要的意义。重力测量在资源勘探、辅助导航、国防军事和地球科学等方面有着广泛的应用前景。以重力加速度传感器为例，重力加速度传感器是一种测量重力加速度微小变化量的精密重力测量传感器。
重力加速度传感器机械结构基本模型为弹簧-振子结构，由弹簧、检验质量块以及空气或者结构带来的阻尼组成，检验质量块通常作为传感器的核心敏感单元，是基于柔性弹簧的恢复力做往复运动，检验质量运动感知外界加速度变化，外界加速度变化导致弹簧发生形变，用于测量不同区域空间位置的重力加速度或者同一位置不同时间的重力加速度，也即区域重力场或者时变重力场的测量。但这类重力加速度传感器，需要外界提供能量，弹簧和质量块直接接触产生摩擦，摩擦力影响传感器的性能，能量耗散，其分辨率受限于系统的噪声水平。
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)起源于集成电路(Integrated Circuit，IC)技术。相对于传统器件，MEMS器件具有尺寸小、易于与电路实现单片集成、易于批量化生产、低成本等优点，在消费电子、喷墨打印机、生物医疗等领域获得了广泛的应用。现有的重力加速度传感器分辨率受限于系统的噪声水平，重力加速度传感器自身的噪声机械热噪声和电路噪声组成。要想获得高分辨率的重力加速度传感器，需要同时控制机械热噪声和电路噪声，在结构上减小弹簧-振子的固有频率，或者增大位移传感灵敏度来提高重力加速度传感器系统信噪比。
现有的重力加速度传感器的弹簧-振子的固有频率与弹簧梁宽成三次方关系，与检验质量成反比。一方面我们需要使检验质量尽可能的大，因此弹簧-振子结构的厚度较大；另一方面要降低弹簧-振子的固有频率，需要降低弹簧梁宽，一般在10μm–20μm，由于刻蚀工艺深宽比在一般在1：10到1：20之间。为了进一步降低弹簧梁宽，保证较好的机械性能，需要使刻蚀槽尽可能的窄，更进一步，对深硅刻蚀工艺的深宽比提出更高要求。因此更窄的弹簧梁宽对深刻蚀机台的要求更苛刻，增加了MEMS器件制备的困难，没有充分发挥MEMS工艺的优势。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有重力加速度传感器，需要外界提供能量，弹簧和质量块直接接触产生摩擦，摩擦力影响传感器的性能，能量耗散，其分辨率受限于系统的噪声水平，以及现有MEMS重力加速度传感器无法发挥MEMS工艺优势的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于抗磁体悬浮的MEMS惯性传感器，包括：深硅刻蚀槽、抗磁材料、悬浮永磁体以及固定永磁体；
所述深硅刻蚀槽内部具有封闭的空间；所述深硅刻蚀槽包括两个对称的刻蚀槽，每个刻蚀槽通过将SOI硅片中支撑层的中间区域刻蚀掉得到；两个刻蚀槽开口方向相对，两个刻蚀槽中间被刻蚀掉的区域对应所述封闭的空间；所述悬浮永磁体位于所述深硅刻蚀槽的封闭空间内，所述固定永磁体固定于上刻蚀槽外侧的顶部，用于提供作用于悬浮永磁体的悬浮力，以克服悬浮永磁体的重力，使得悬浮永磁体悬浮于所述封闭空间内；
所述抗磁材料对称的固定在深硅刻蚀槽的内部，向悬浮永磁体提供对称的抗磁力，当所述MEMS惯性传感器收到外界作用力导致悬浮永磁体的位置发生变化时，所述抗磁力作为类弹性恢复力以约束悬浮永磁体的位置，所述悬浮永磁体的位移用于确定所述外界作用力对应的空间惯性加速度。
具体地，SOI片是“硅/绝缘层/硅”三层结构的新型硅基半导体材料，包括支撑层，绝缘层，器件层。支撑层的厚度可优选为300μm-1000μm，绝缘层的厚度可优选为0.5μm-5μm，器件层的厚度可优选为2μm-200μm。
具体地，SOI硅片中器件层用于为中间腐蚀绝缘层定义图形，在器件层上定义一些孔，用湿法或者干法腐蚀需要绝缘层腐蚀掉的区域，让支撑层上中间的区域掉下来，留出位置放置悬浮永磁体。
具体地，SOI硅片依次包括器件层、绝缘层和支撑层。将支撑层中间区域通过刻蚀和腐蚀掉其连接的绝缘层的方式去除，得到刻蚀槽。每个刻蚀槽的槽壁由余下的支撑层构成，槽顶或槽底由带有孔的器件层构成，余下的绝缘层连接槽壁和槽底或槽顶。
可以理解的是，类弹性恢复力指的是等效于柔性弹簧提供的弹性恢复力。
可选地，所述抗磁材料对称的固定在深硅刻蚀槽内部的左槽壁和右槽壁、和/或前槽壁和后槽壁、和/或槽顶和槽底，可用于检测悬浮永磁体的六个自由度的运动情况，包括三个平动和三个转动情况。
可选地，所述深硅刻蚀槽上包括光纤插槽，所述光纤插槽用于引入检测光纤；
所述检测光纤的端面和悬浮永磁体组成法布里-珀罗腔，所述检测光纤由其端面向悬浮永磁体发射检测光束，检测光束达到悬浮永磁体后反射，反射光束与检测光束在法布里-珀罗腔形成双光束干涉；
当所述悬浮永磁体位置发生变化后，所述法布里-珀罗腔的间距发生变化，所述双光束干涉的光谱信号发生变化；通过所述光谱信号的变化确定悬浮永磁体的空间位移变化值，以确定抗磁体悬浮结构所受的外界作用力对应的空间惯性加速度。
可选地，所述光纤插槽位于深硅刻蚀槽内部的左槽壁或右槽壁，用于检测悬浮永磁体在左右方向的位移变化值；和/或
所述光纤插槽位于深硅刻蚀槽内部的前槽壁或后槽壁，用于检测悬浮永磁体在前后方向的位移变化值；和/或
所述光纤插槽位于深硅刻蚀槽内部的槽顶或槽底，用于检测悬浮永磁体在上下方向的位移变化值。
可选地，两个刻蚀槽结构相同，通过固连封装。
可选地，所述支撑层可以对悬浮永磁体进行限位保护，从而保护悬浮永磁体免受随机振动和冲击过载造成损伤。
可选地，所述深硅刻蚀槽所用材料可以为单晶硅或者适宜微纳加工的半导体材料。
可选地，所述固定永磁体可以为钕铁硼永磁材料或者衫钴永磁材料及其它可用永磁材料。
可选地，所述悬浮永磁体可以为钕铁硼永磁材料或者衫钴永磁材料及其它可用永磁材料。
可选地，所述抗磁材料可以为热解石墨材料或者铋及其它可用抗磁材料。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的基于抗磁体悬浮的MEMS惯性传感器，将抗磁力作为类弹性恢复力，不需要柔性弹簧提供恢复力，避免了抗磁材料和悬浮永磁体的直接接触，即可实现对悬浮永磁体的限位恢复功能，使得其可以有效检测惯性加速度。本发明利用抗磁悬浮惯性传感器解决亚μg量级的微弱震动监测，实现不需要能量输入，无源悬浮，无摩擦力影响的MEMS惯性传感器。其Z轴方向工作的悬浮永磁体会受到重力加速度作用下垂，通过位于其上方的固定永磁体来提供悬浮力，抵消悬浮永磁体竖直方向受到的重力。通过参数设计使得悬浮永磁体所受重力等于固定永磁体提供的吸引磁力，使得悬浮永磁体在Z轴方向可以悬浮。
(2)本发明通过对光纤端面与悬浮永磁体表面间距的精确设计，采用无接触式的光学位移传感对悬浮永磁体的位移进行精确测量。
(3)本发明提供的惯性传感器基于MEMS工艺制备成MEMS器件，并不会增加整个惯性传感器的加工工艺，仅仅只在结构设计上进行参数优化即可达到所需要求，易于实现，不会增大原本器件的制作难度。
(4)本发明提供的基于抗磁体悬浮的MEMS惯性传感器，能够应用于其他环境下的加速度测量中，本发明将悬浮永磁体作为感应空间加速度变化的部件，由于悬浮永磁体的密度大，同体积下其质量较大，机械热噪声低，因此测量精度较高，可以感知到更微弱的外界加速度变化，例如感知到1ng-100ng量级的外界加速度变化。通过调节悬浮永磁体的质量、体积大小和固定永磁体的质量、体积大小有相同的效果，极大地增强了本方案的应用范围。
附图说明
图1是本发明实施例提供的抗磁悬浮结构示意图；
图2是本发明实施例提供的MEMS惯性传感器的部分结构示意图；
图3是本发明实施例提供的基于抗磁体悬浮的MEMS惯性传感器的整体结构示意图；
图4是本发明实施例提供的F-P腔结构示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为固定永磁体，2为抗磁材料，3为悬浮永磁体，4为金属焊盘，5为深硅刻蚀槽，6为光纤插槽，7为光纤，8为沉积金属薄膜，9为固定粘胶。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
针对现有抗磁悬浮技术，本发明的目的在于提供一种利用SOI片制作基于抗磁悬浮的惯性传感器，其中通过对制作方法中关键器件层、支撑层的选取以得到MEMS惯性传感器，与现有技术相比能够有效制作所需要的抗冲击保护结构，采用SOI工艺和深硅刻蚀工艺，在硅结构中形成深槽用于固定抗磁材料及光学位移检测所需要的光纤，将悬浮体放入上下一对深槽结构中，通过封装将悬浮体限制在腔体中进行限位保护。利用SOI片支撑层的限位作用既可实现面外方向运动的保护，又可大大简化封装工艺；通过固定永磁体，悬浮永磁体与抗磁材料的组合，使悬浮永磁体实现稳定悬浮。抗磁力产生的等效刚度和悬浮永磁体构成的类弹簧质量块系统可以达到较低的本征频率，从而获得较高的灵敏度。
通过理论计算与仿真验证，设计出材料的结构尺寸，实现悬浮永磁体稳定悬浮。而本发明采用无接触式的光学位移传感对悬浮体的位移进行精确测量。本发明中的基于抗磁体悬浮的惯性传感器，使用无源的抗磁体悬浮技术和无接触的光学位移检测技术，实现低功耗的精密重力测量。能够解决传统重力加速度传感器制造成本高且制造周期长的问题，以及解决现有MEMS重力加速度传感器摩擦力的影响和能量耗散的问题。
本发明提供了基于抗磁体悬浮的MEMS惯性传感器，包括：抗磁悬浮系统结构，深硅刻蚀保护结构及光学位移传感组件；
抗磁悬浮结构包括：固定永磁体，悬浮永磁体，抗磁材料；
深硅刻蚀保护结构包括：金属焊盘，上下一对深硅刻蚀槽；
光学位移传感组件包括：光纤，金属薄膜，光纤插槽；
固定永磁体位于悬浮永磁体正上方，固定永磁体提供悬浮力克服悬浮永磁体竖直方向的重力使悬浮永磁体悬浮，抗磁材料位于悬浮永磁体的周围，抗磁材料提供抗磁力代替柔性弹簧的弹性回复力来稳定悬浮永磁体；所述悬浮永磁体在固定永磁体和抗磁材料的约束下受外界力的作用而运动；
SOI片，是“硅/绝缘层/硅”三层结构的新型硅基半导体材料，包括支撑层，绝缘层，器件层。支撑层的厚度可优选为300μm-1000μm，绝缘层的厚度可优选为0.5μm-5μm，器件层的厚度可优选为2μm-200μm。所述SOI片具有出色的腐蚀停止能力，可获得完整、无缺陷、厚度均匀和精确控制的结构；支撑层的限位作用既可实现悬浮永磁体的面外方向运动保护，又可大大简化封装工艺。
所述深硅刻蚀保护结构中，采用SOI片和深硅刻蚀工艺制备，在SOI片支撑层中形成深硅刻蚀槽，将悬浮体放入上下一对深槽结构中，通过金属焊盘封装将悬浮体限制在腔体中进行限位保护。SOI片器件层作为上下保护装置，将抗磁材料放置其上，保护悬浮永磁体竖直方向运动。所述深硅刻蚀结构表面通过物理气相沉积法沉积工艺制备金属焊盘；所述金属焊盘位于上下一对深刻蚀槽表面，通过深硅刻蚀槽实现固连封装；所述上下一对深硅刻蚀槽结构相同。
所述光学位移传感组件中，通过深硅刻蚀工艺制备的光纤插槽用于固定光纤。所述的悬浮永磁体在其表面通过物理气相沉积法沉积一层金薄膜用于光反射，所述的光纤端面与悬浮永磁体表面形成F-P腔，来实现对悬浮永磁体的光学位移检测。
其中，上述抗磁材料放置在深硅刻蚀槽底部，用于保护悬浮永磁体，防止悬浮永磁体撞击深硅刻蚀槽底部。
可选地，所述深硅刻蚀保护结构所用材料可以为单晶硅或者适宜微纳加工的半导体材料。
可选地，所述固定永磁体可以为钕铁硼永磁材料或者衫钴永磁材料及其它可用永磁材料。
可选地，所述悬浮永磁体可以为钕铁硼永磁材料或者衫钴永磁材料及其它可用永磁材料。
可选地，所述抗磁材料可以为热解石墨材料或者铋及其它可用抗磁材料。
可选地，所述抗磁悬浮系统结构的本征谐振频率很低，可以为1Hz-50Hz。
可选地，所述基于抗磁体悬浮的惯性传感器的分辨率很高，可以为1ng-10ng。
可选地，本发明不仅仅适用于加速度计，还适用于微震仪，重力仪等惯性传感器。本发明中的抗磁悬浮系统结构尤其可对单方向加速度敏感。
本发明中尤其与传统的SOI加工工艺不同的是，本发明是采用SOI硅片中较厚的硅层作为支撑层来制备深硅刻蚀槽，采用SOI硅片中较薄的器件层作为保护层，采用SOI硅片中的绝缘层作为牺牲层，能够实现基于抗磁体悬浮的惯性传感器的制备。该惯性传感器中的支撑层可以对悬浮永磁体进行面外方向的限位保护，从而保护悬浮永磁体免受随机振动和冲击过载造成损伤，即，利用SOI片的支撑层的限位作用即可实现面外方向运动的保护，可大大简化封装工艺要求。
本发明中悬浮永磁体的厚度可选为200μm-1000μm之间，深硅刻蚀槽的深宽刻蚀比不低于20。
本发明中基于抗磁体悬浮的惯性传感器优选是光学位移传感器中，整个腔体由光纤端面、悬浮永磁体表面形成法布里-珀罗腔(F-P腔)。光源发出的入射光通过光纤耦合进入，在光纤端面、悬浮永磁体表面形成双光束干涉。当悬浮永磁体位移发生变化时，F-P腔的间距发生变化，导致干涉信号的光谱发生变化，通过解调技术可获得悬浮永磁体位移变化值。本发明中可以充分利用深硅刻蚀所得光纤插槽来布置光纤，使悬浮永磁体单位位移产生较大的变化，光纤插槽可以置于深硅刻蚀槽的四个方向与光纤端面平行，从而提高光学位移的灵敏度和位移检测精度。
本发明实施例提供了一种抗磁悬浮结构如图1所示，包括固定永磁体1、抗磁材料2以及悬浮永磁体3；固定永磁体位1于悬浮永磁体3正上方，固定永磁体1提供悬浮力克服悬浮永磁体3竖直方向所受的重力使悬浮永磁体3悬浮，抗磁材料2位于悬浮永磁体3水平方向，抗磁材料2提供抗磁力代替柔性弹簧的弹性回复力来稳定悬浮永磁体3；悬浮永磁体3在固定永磁体1和抗磁材料2的约束下受外界力的作用而运动。
具体地，MEMS惯性传感器的部分结构如图2所示，包括：抗磁材料2，金属焊盘4，深硅刻蚀槽5，光纤插槽6。通过SOI片制备深硅刻蚀槽5和光纤插槽6，深硅刻蚀槽5用于保护悬浮永磁体在水平方向的运动，光纤插槽6用于制备光纤通过的基座；通过物理气相沉积法制备金属焊盘4，用于抗磁体悬浮的惯性传感器的封装，例如将上刻蚀槽和下刻蚀槽封装起来。抗磁材料2通过固定粘胶(如H70E或其它粘合剂)粘附在深硅刻蚀槽5的底部和侧壁，用于保护悬浮永磁体在不同方向上的运动，起到限位保护作用。通过各向同性刻蚀工艺，制备光纤插槽6，用于固定光纤7，实现对悬浮永磁体位移的检测。
上述抗磁悬浮系统整体示意图如图3所示，抗磁悬浮系统整体结构包括：固定永磁体1，悬浮永磁体3，金属焊盘4，深硅刻蚀槽5，光纤插槽6以及光纤7；所述固定永磁体1通过H70E胶或其它粘合剂固定在深硅刻蚀槽5的上表面，以此提供的悬浮力来抵消悬浮永磁体3在竖直方向所受到的重力；悬浮永磁体3位于上下一对深硅刻蚀槽5的内部，通过封装将上下一对深硅刻蚀槽5固连在一起，实现对悬浮永磁体3各个方向的限位保护；光纤插槽6通过H70E胶或其它粘合剂固定在深硅刻蚀槽5的多个光纤插槽6上，用于固定光纤7，实现对悬浮永磁体1的位移检测。
上述基于抗磁体悬浮的惯性传感器的F-P腔结构示意图如图4所示，所述F-P腔结构包括：固定永磁体1，深硅刻蚀槽5，光纤7，沉积金属薄膜8以及固定粘胶9。所述整个F-P腔体由光纤7端面、悬浮永磁体3表面形成法布里-珀罗腔(F-P腔)。光源发出的入射光通过光纤7耦合进入，在光纤7端面、悬浮永磁体3表面形成双光束干涉。当悬浮永磁体3位移发生变化时，F-P腔的间距发生变化，导致干涉信号的光谱发生变化，通过解调技术可获得悬浮永磁体位移变化值。
本发明中可以充分利用深硅刻蚀所得光纤插槽6来布置光纤7，使悬浮永磁体3单位位移产生较大的变化，光纤插槽6可以置于深硅刻蚀槽的上下方向、和/或左右方向、和/或前后方向与光纤端7平行，从而提高光学位移的灵敏度和位移检测精度。
本发明通过设计能够应用于其他环境下的加速度测量中，通过调节悬浮永磁体1的质量、体积大小和固定永磁体3的质量、体积大小有相同的效果，极大地增强了本方案的应用范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于抗磁体悬浮的MEMS惯性传感器，其特征在于，包括：深硅刻蚀槽、抗磁材料、悬浮永磁体以及固定永磁体；
所述深硅刻蚀槽内部具有封闭的空间；所述深硅刻蚀槽包括两个对称的刻蚀槽，每个刻蚀槽通过将SOI硅片中支撑层的中间区域刻蚀掉得到；两个刻蚀槽开口方向相对，两个刻蚀槽中间被刻蚀掉的区域对应所述封闭的空间；
所述悬浮永磁体位于所述深硅刻蚀槽的封闭空间内，所述固定永磁体固定于上刻蚀槽外侧的顶部，用于提供作用于悬浮永磁体的悬浮力，以克服悬浮永磁体的重力，使得悬浮永磁体悬浮于所述封闭空间内；
所述抗磁材料对称的固定在深硅刻蚀槽的内部，向悬浮永磁体提供对称的抗磁力，当所述MEMS惯性传感器收到外界作用力导致悬浮永磁体的位置发生变化时，所述抗磁力作为类弹性恢复力以约束悬浮永磁体的位置，所述悬浮永磁体的位移用于确定所述外界作用力对应的空间惯性加速度；
所述抗磁材料对称的固定在深硅刻蚀槽内部的左槽壁和右槽壁、和/或前槽壁和后槽壁、和/或槽顶和槽底，用于检测悬浮永磁体的六个自由度的运动情况，包括三个平动和三个转动情况；
所述深硅刻蚀槽上包括光纤插槽，所述光纤插槽用于引入检测光纤；
所述检测光纤的端面和悬浮永磁体组成法布里-珀罗腔，所述检测光纤由其端面向悬浮永磁体发射检测光束，检测光束达到悬浮永磁体后反射，反射光束与检测光束在法布里-珀罗腔形成双光束干涉；
当所述悬浮永磁体位置发生变化后，所述法布里-珀罗腔的间距发生变化，所述双光束干涉的光谱信号发生变化；通过所述光谱信号的变化确定悬浮永磁体的空间位移变化值，以确定所述抗磁材料和悬浮永磁体组成的抗磁体悬浮结构所受的外界作用力对应的空间惯性加速度。
2.根据权利要求1所述的抗磁体悬浮的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述光纤插槽位于深硅刻蚀槽内部的左槽壁或右槽壁，用于检测悬浮永磁体在左右方向的位移变化值；和/或
所述光纤插槽位于深硅刻蚀槽内部的前槽壁或后槽壁，用于检测悬浮永磁体在前后方向的位移变化值；和/或
所述光纤插槽位于深硅刻蚀槽内部的槽顶或槽底，用于检测悬浮永磁体在上下方向的位移变化值。
3.根据权利要求1所述的抗磁体悬浮的MEMS惯性传感器，其特征在于，两个刻蚀槽结构相同，通过固连封装。
4.根据权利要求1所述的抗磁体悬浮的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述支撑层对悬浮永磁体进行限位保护，从而保护悬浮永磁体不受随机振动和冲击过载。
5.根据权利要求1所述的抗磁体悬浮的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述深硅刻蚀槽所用材料为单晶硅。
6.根据权利要求1所述的基于抗磁体悬浮的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述固定永磁体为钕铁硼永磁材料或者衫钴永磁材料。
7.根据权利要求1所述的基于抗磁体悬浮的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述悬浮永磁体为钕铁硼永磁材料或者衫钴永磁材料。
8.根据权利要求1所述的基于抗磁体悬浮的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述抗磁材料为热解石墨材料或者铋。
CN201910542840.3A 2019-06-21 2019-06-21 一种基于抗磁体悬浮的mems惯性传感器 Active CN110231664B (zh)

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