CN111561928A - 一种mems惯性传感器及其制造方法和控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MEMS惯性传感器及其制造方法和控制系统，其特征在于，MEMS惯性传感器包括密封盖，质量块，弹性粱，可动电极，固定电极和衬底，该MEMS惯性传感器通过光刻、电铸、溅射、键合等工艺完成制造，包含MEMS惯性传感器的控制系统还包括差分电容检测器，调制解调器和低通滤波器。本发明制造的MEMS惯性传感器具有低误差，高精准度，运行稳定的特点，包含MEMS惯性传感器的控制系统具有较高的信噪比和线性性能。

Description

一种MEMS惯性传感器及其制造方法和控制系统
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)领域，尤其涉及一种MEMS惯性传感器及其制造方法和控制系统。
背景技术
MEMS器件具有体积小、成本低、性能可靠等优点，在汽车、医疗和军事等领域有着广泛的应用前景。现有技术中MEMS器件的制造存在很多问题，比如加工工艺的稳定性不足，生产出的MEMS器件结构和性能与预期值有较大的偏差，降低了MEMS器件的性能。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种MEMS惯性传感器及其制造方法和控制系统，使制造的MEMS惯性传感器具有较低的误差，测得的数据有较高的精准度，并且运行稳定。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种MEMS惯性传感器，其包括：密封盖，质量块，弹性粱，可动电极，固定电极，衬底；其中所述密封盖与所述衬底键合，构成传感器的密封结构，容纳传感器其他部件，至少两个弹性粱的一端通过固定端与所述衬底固定连接，所述至少两个弹性粱平行于所述衬底设置，其另一端固定于所述质量块，所述质量块的下部设置有所述可动电极，所述衬底上与所述可动电极相对设置有至少两个所述固定电极，所述密封盖内部充有惰性气体。
一种上述MEMS惯性传感器的制造方法，其包括以下步骤：
(1)对基片进行研磨、抛光，并使用溶液进行超声波清洗；
(2)对基片进行增沾处理；
(3)旋涂光刻胶；
(4)对光刻胶进行前烘，使胶膜干燥；
(5)对光刻胶进行曝光处理；
(6)后烘和超声处理；
(7)使用显影液进行显影；
(8)对基片进行坚膜处理；
(9)电铸第一层金属镍，并对电铸层进行研磨处理；
(10)溅射铜种子层；
(11)重复步骤(3)至(9)，形成多层结构；
(12)使用有机溶液去除光刻胶，释放结构；
(13)键合密封盖与基片，完成MEMS惯性传感器。
其中步骤(1)中首先用浓硫酸和过氧化氢溶液浸泡并超声波清洗，浸泡时间为10分钟，然后使用酒精浸泡并超声波清洗，时间为5分钟，之后用去离子水冲洗干净，再用氮气吹干。
其中，步骤(2)中使用六甲基乙硅氮烷进行增粘处理。
其中，步骤(3)中旋涂光刻胶采用的旋转速度为700r/min。
其中，步骤(4)中采用的前烘方式为真空热平板烘烤。
其中，步骤(5)中曝光方式采用扫描步进投影曝光。
其中，步骤(7)中使用的显影液为四甲基氢氧化胺水溶液。
其中，步骤(8)中坚膜方式采用红外灯照射法。
一种采用上述MEMS惯性传感器的控制系统，其包括，MEMS惯性传感器，差分电容检测器，调制解调器和低通滤波器；MEMS惯性传感器可动电极与固定电极之间的电容变化经载波信号调制后，由差分电容检测器检测到并进行放大，将信号转换为电压信号输出，该调幅后的信号与参考信号进行同步解调，解调后的信号经过低通滤波器进行低通滤波后输出到系统控制芯片从而得到最终的惯性信号。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明的MEMS惯性传感器精度高，运行稳定可靠，MEMS惯性传感器的制造方法得到的器件达标率高，能够保证MEMS器件的运行性能。
附图说明
附图1是本发明MEMS惯性传感器的结构图。
附图2是本发明MEMS惯性传感器的控制系统示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，所述实施例的示例在附图中示出，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1所示，MEMS惯性传感器100，包括：密封盖101，质量块102，弹性粱103，可动电极104，固定电极105，衬底106；其中所述密封盖101与所述衬底106键合，构成传感器的密封结构，容纳传感器其他部件，至少两个弹性粱103的一端通过固定端107与所述衬底106固定连接，所述至少两个弹性粱103平行于所述衬底106设置，其另一端固定于所述质量块102，所述质量块102的下部设置有所述可动电极104，所述衬底106上与所述可动电极104相对设置有至少两个所述固定电极105，所述密封盖101内部充有惰性气体。
MEMS惯性传感器100的可动电极104与至少两个固定电极105构成了差分电容结构，通过测量可动电极104与固定电极105之间电容的变化值可以得到加速度的变化值。
上述MEMS惯性传感器的制造方法，其包括以下步骤：
(1)对基片进行研磨、抛光，并使用溶液进行超声波清洗；
首先用浓硫酸和过氧化氢溶液浸泡并超声波清洗，浸泡时间为10分钟，然后使用酒精浸泡并超声波清洗，时间为5分钟，之后用去离子水冲洗干净，再用氮气吹干。
(2)对基片进行增沾处理；
涂胶前基片需要进行处理以便光刻胶能够更好的附着在上面，本发明使用六甲基乙硅氮烷进行增粘处理。
(3)旋涂光刻胶；
涂胶要求粘附良好，均匀，薄厚适当，本发明采用旋涂的方式涂光刻胶，旋转甩胶的速度为700r/min。
(4)对光刻胶进行前烘，使胶膜干燥；
液态的光刻胶甩胶后变成固态薄膜但仍含有一部分溶剂，容易沾染灰尘，所以对光刻胶进行烘烤以使光刻胶内剩余的溶剂挥发，得到干燥的光刻胶膜，本发明采用的前烘方式为真空热平板烘烤，本方式加热均匀，温度控制方便。
(5)对光刻胶进行曝光处理；
经过前烘后的光刻胶会在基片表面固化，就可以进行曝光，本发明采用的曝光方式为扫描步进投影曝光，能够对基片表面不平整进行补偿，提高基片的均匀性。
(6)后烘和超声处理；
通过对曝光后的基片进行后烘和超声处理，能够提高光刻胶的粘附性并减少驻波，消除光刻胶膜内的应力，进一步提高表面平整度。
(7)使用显影液进行显影；
使用显影液去除不需要的光刻胶，显出图形，本发明采用的显影液为四甲基氢氧化胺水溶液，在显影完成后要经过漂洗和旋干，去除残余的显影液。
(8)对基片进行坚膜处理；
通过对基片进行坚膜处理能去除光刻胶中剩余的溶剂，进一步增强光刻胶对基片表面的附着力，本发明坚膜方式采用红外灯照射法。
(9)电铸第一层金属镍，并对电铸层进行研磨处理；
为防止出现电铸缺陷，在电铸前进行等离子铸前处理，然后电铸第一层金属镍，电铸完成后进行研磨处理，减小不均匀性。
(10)溅射铜种子层；
溅射铜种子层形成电铸层的悬空层。
(11)重复步骤(3)至(9)，形成多层结构；
(12)使用有机溶液去除光刻胶，释放结构；
(13)键合密封盖与基片，完成MEMS惯性传感器。
通过键合机将密封盖和基片进行键合，形成密封的MEMS惯性传感器器件。
一种采用上述MEMS惯性传感器的控制系统，其包括，MEMS惯性传感器，差分电容检测器，调制解调器和低通滤波器；MEMS惯性传感器可动电极与固定电极之间的电容变化经载波信号调制后，由差分电容检测器检测到并进行放大，将信号转换为电压信号输出，该调幅后的信号与参考信号进行同步解调，解调后的信号经过低通滤波器进行低通滤波后输出到系统控制芯片从而得到最终的惯性信号。
本发明的MEMS惯性传感器控制系统具有良好的线性性能、较低的误差，能够滤除噪音，抑制温度漂移和时间漂移，具有高信噪比的优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种MEMS惯性传感器，其特征在于，包括：密封盖，质量块，弹性粱，可动电极，固定电极，衬底；其中所述密封盖与所述衬底键合，构成传感器的密封结构，容纳传感器其他部件，至少两个弹性粱的一端通过固定端与所述衬底固定连接，所述至少两个弹性粱平行于所述衬底设置，其另一端固定于所述质量块，所述质量块的下部设置有所述可动电极，所述衬底上与所述可动电极相对设置有至少两个所述固定电极，所述密封盖内部充有惰性气体。
2.一种根据权利要求1所述的MEMS惯性传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对基片进行研磨、抛光，并使用溶液进行超声波清洗；
(2)对基片进行增沾处理；
(3)旋涂光刻胶；
(4)对光刻胶进行前烘，使胶膜干燥；
(5)对光刻胶进行曝光处理；
(6)后烘和超声处理；
(7)使用显影液进行显影；
(8)对基片进行坚膜处理；
(9)电铸第一层金属镍，并对电铸层进行研磨处理；
(10)溅射铜种子层；
(11)重复步骤(3)至(9)，形成多层结构；
(12)使用有机溶液去除光刻胶，释放结构；
(13)键合密封盖与基片，完成MEMS惯性传感器。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，步骤(1)中首先用浓硫酸和过氧化氢溶液浸泡并超声波清洗，浸泡时间为10分钟，然后使用酒精浸泡并超声波清洗，时间为5分钟，之后用去离子水冲洗干净，再用氮气吹干。
4.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，步骤(2)中使用六甲基乙硅氮烷进行增粘处理。
5.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，步骤(3)中旋涂光刻胶采用的旋转速度为700r/min。
6.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，步骤(4)中采用的前烘方式为真空热平板烘烤。
7.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，步骤(5)中曝光方式采用扫描步进投影曝光。
8.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，步骤(7)中使用的显影液为四甲基氢氧化胺水溶液。
9.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，步骤(8)中坚膜方式采用红外灯照射法。
10.一种包含权利要求1所述的MEMS惯性传感器的控制系统，其特征在于，还包括，差分电容检测器，调制解调器和低通滤波器；MEMS惯性传感器可动电极与固定电极之间的电容变化经载波信号调制后，由差分电容检测器检测到并进行放大，将信号转换为电压信号输出，该调幅后的信号与参考信号进行同步解调，解调后的信号经过低通滤波器进行低通滤波后输出到系统控制芯片从而得到最终的惯性信号。
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