CN113494908A - Mems惯性传感器、惯性测量单元及惯性导航系统 - Google Patents

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CN113494908A CN202010195682.1A CN202010195682A CN113494908A CN 113494908 A CN113494908 A CN 113494908A CN 202010195682 A CN202010195682 A CN 202010195682A CN 113494908 A CN113494908 A CN 113494908A
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Abstract

本申请提供了一种MEMS惯性传感器，可用于智能汽车、新能源汽车、传统汽车、高铁列车、无人机、智能机器人、摄像稳定平台、智能手机等载体中。所述MEMS惯性传感器包括：衬底；传感组件，所述传感组件包括MEMS悬浮框架，以及，内嵌于所述MEMS悬浮框架内的MEMS功能结构；第一支撑臂，所述第一支撑臂分别与所述MEMS悬浮框架和所述衬底固定连接，所述第一支撑臂用于使所述传感组件悬浮于所述衬底上。本申请提供的MEMS惯性传感器能够阻断封装应力通过衬底、盖板耦合到MEMS惯性器件功能结构上，提升了MEMS惯性传感器的稳定性，并且有利于提升导航的定位精度。

Description

MEMS惯性传感器、惯性测量单元及惯性导航系统
技术领域
本申请涉及微机电系统技术领域，特别涉及一种MEMS惯性传感器、惯性测量单元及惯性导航系统。
背景技术
微机电系统(micro electro mechanical system，MEMS)是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，一般被认为是由微型机械传感器、执行机构和微电子电路组成的微型系统，是一个独立的智能系统。
MEMS惯性传感器件包括MEMS加速度计，MEMS陀螺仪等MEMS器件，是一种基于微机电系统的可用于检测加速度、角速度信号变化的传感器芯片，广泛应用于汽车、手机、导航、医疗等产业，是重要的人机互动界面的连接纽带。
通常MEMS惯性传感器的零偏误差是由于应力引起的，而MEMS惯性器件的封装应力通常会通过衬底、盖板耦合到MEMS惯性器件功能结构上。
相关技术中，为了减小因为封装应力造成的零偏误差，可以采用中心锚点设计取代分布式锚点设计，此时，通过中心锚点将MEMS惯性器件功能结构和衬底相连接。
但是，在上述设计中，由于MEMS惯性传感器是通过衬底粘胶固定在封装管壳的底板上的，封装过程中产生的应力会导致衬底变形，封装应力仍然能够通过衬底、中心锚点耦合到MEMS惯性器件功能结构上，导致MEMS惯性传感器的结构变形和输出变化，降低了MEMS惯性传感器的使用性能。
发明内容
本申请提供一种MEMS惯性传感器、惯性测量单元及惯性导航系统，能够阻断封装应力通过衬底、盖板耦合到MEMS惯性器件功能结构上，提升了MEMS惯性传感器的稳定性，并且有利于提升导航的定位精度。本申请的方案适用于智能汽车、新能源汽车、传统汽车、高铁列车、无人机、智能机器人、摄像稳定平台、智能手机等载体中。
第一方面，提供了一种MEMS惯性传感器，包括：衬底；传感组件，传感组件包括MEMS悬浮框架，以及，内嵌于MEMS悬浮框架内的MEMS功能结构；第一支撑臂，该第一支撑臂分别与MEMS悬浮框架和衬底固定连接，第一支撑臂用于使传感组件悬浮于衬底上。
本申请实施例提供的MEMS惯性传感器能够使得传感组件能够悬浮于衬底之上，不会与衬底相互接触，并且第一支撑臂与MEMS悬浮框架固定连接，而不是与MEMS功能结构固定连接，封装过程中产生的应力仅能通过衬底、第一支撑臂传递至MEMS悬浮框架上，而无法传递至MEMS功能结构上。
本申请实施例提供的MEMS惯性传感器能够阻断封装应力通过衬底耦合到MEMS功能结构上，从而提升了MEMS惯性传感器的稳定性，具体包括零位温度稳定性和零位长期稳定性、并能够提升MEMS惯性传感器多次开机的零位重复性。上述性能是惯性传感器的核心性能指标，通过上述结构改进，能够保证MEMS惯性传感器(例如加速度计或陀螺仪)在车载环境中性能的一致性和重复性，避免了零位造成的导航位置误差发散，能够提升自动驾驶汽车在GPS信号弱、视觉导航难度大的情况下的导航精度。
可选地，该MEMS惯性传感器可以是MEMS加速度计或者MEMS陀螺仪等惯性测量器件，此外还可以是压力传感器、磁传感器、振动传感器等MEMS器件，但不限于此。
在一种可能的设计中，MEMS惯性传感器还包括固定于衬底上并且围绕传感组件设置的固定支撑外框，MEMS悬浮框架通过第一支撑臂与固定支撑外框固定连接。本申请实施例第一支撑臂通过固定支撑外框与衬底固定连接，使得传感组件能够悬浮在衬底的上方，通过以上设置，能够提高连接的稳定性，提高整个传感器的机械性能，从而提高MEMS 传感器的使用性能。
在一种可能的设计中，衬底上设置有凹槽，以使得传感组件的下表面高于衬底的内表面，进而使得传感组件悬浮于所述衬底之上。
在一种可能的设计中，传感组件的下表面高于固定支撑外框的下表面，以使得传感组件悬浮于所述衬底之上。
在一种可能的设计中，固定支撑外框上设置有引线接点，引线接点通过引线与MEMS 功能结构电连接，从而能够将测量信号输出至外部设备。
在一种可能的设计中，MEMS惯性传感器还包括盖板，所述盖板盖合于所述固定支撑外框上，以实现对传感组件的密封隔离。盖板能够为MEMS惯性传感器提供机械保护，通过盖板与固定支撑外框、固定支撑外框与衬底之间的密封连接，能够在MEMS惯性传感器的内部围成一个密闭的腔室，该腔室用于容纳传感组件，能够防止异物进入，且可以提供真空环境，以减小MEMS功能结构中质量块等敏感结构运动的阻尼。
在一种可能的设计中，固定支撑外框与所述盖板之间设置有绝缘层。绝缘层能够实现固定支撑外框与盖板之间的电学隔离，通过设置绝缘层，能够将盖板设置成和固定支撑外框相同的导电材料构成，从而能够降低在受热情况下由于不同材料热膨胀系数不同而引起的热失配应力。
可选地，绝缘层的材料可以是常规半导体工艺中的绝缘材料，例如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、三氧化二铝(Al2O3)等中的任意一种。
可选地，可以使用热氧化、低压化学气相淀积(low pressure chemical vapordeposition， LPCVD)或者等离子增强型化学气相淀积(plasma enhanced chemical vapordeposition， PECVD)等方法盖板上形成该绝缘层。
可选地，可以采用物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)工艺、化学气相沉积 (chemical vapor deposition，CVD)工艺或原子层沉积(atomic layerdeposition，ALD)等工艺在盖板上形成该绝缘层。
例如，可以使用热氧化的方法在盖板的表面生长出该绝缘层。
再例如，可以采用LPCVD工艺在盖板的表面沉积低应力氮化硅以形成绝缘层。该低应力氮化硅的应力可以为低于100MPa(兆帕)的张应力，譬如，可以为几十兆帕的张应力。
可选地，为了降低材料失配应力，绝缘层在保证绝缘效果的前提下，应当尽量的设置薄一些，例如，绝缘层的厚度可以在1-5微米，例如可以为2微米、2.5微米、3微米或者4微米等。
可选地，可以通过键合的方式将固定支撑外框分别与绝缘层进行固定连接。
可选地，为了实现更加可靠的密封效果，在盖板和绝缘层之间还可以设置焊料层。例如，该焊接层可以通过钎焊、扩散焊、激光焊等任意一种形成。
可选地，也可以调换绝缘层和焊料层的相对位置，即也可以将该焊接层设置于绝缘层和固定支撑外框之间，本申请对此不做限定。
在一种可能的设计中，固定支撑外框与衬底之间设置绝缘层。绝缘层能够实现固定支撑外框与衬底之间的电学隔离，通过设置绝缘层，能够将衬底设置成和固定支撑外框相同的导电材料构成，从而能够降低在受热情况下由于不同材料热膨胀系数不同而引起的热失配应力。
在一种可能的设计中，固定支撑外框和衬底之间固定设置有加强支撑外框，加强支撑外框的内表面上设置有向MEMS惯性传感器的内部进行延伸的加强支撑臂，加强支撑臂用于支撑MEMS悬浮框架。通过以上设置，可以提高传感组件悬浮的可靠性。具体地，当MEMS惯性传感器的尺寸较大时，传感组件的重量可能较大，此时可以通过第一支撑臂和加强支撑臂同时对传感组件进行支撑，从而能够将传感组件可靠的悬浮在衬底之上。
在一种可能的设计中，固定支撑外框和加强支撑外框，以及第二支撑臂与所述MEMS 悬浮框架之间设置有绝缘层。
在一种可能的设计中，加强支撑外框和衬底之间设置有绝缘层。
在一种可能的设计中，MEMS功能结构包括固定梳齿和绝缘连接件，固定梳齿通过绝缘连接件与悬浮框架相连接，绝缘连接件用于实现MEMS悬浮框架和固定梳齿之间的电隔离。绝缘连接件由绝缘材料构成，绝缘连接件设置于MEMS悬浮框架和固定梳齿之间，固定梳齿仅能通过绝缘连接件与MEMS悬浮框架进行连接。也就是说，绝缘连接件一方面用于实现MEMS悬浮框架和固定梳齿之间的机械连接，另一方面能够用于实现MEMS 悬浮框架和固定梳齿之间的电隔离。
在本申请实施例中，绝缘连接件呈“凹”字型，“凹”字型的内侧表面用于连接固定梳齿，“凹”字型的外侧表面用于连接MEMS悬浮框架。
可选地，绝缘连接件也可以为其他形状，例如“圆弧”型，“V”字型，“W”字型等等，本申请对此不做限定。
在一种可能的设计中，绝缘连接件上设置有多个应力释放孔。从而能够阻隔应力由 MEMS悬浮框架耦合至MEMS功能结构的固定梳齿等敏感结构上。
可选地，该应力释放孔可以为通孔，也可以为盲孔，本申请对此不做限定。
在本申请实施例中，该应力释放孔的截面形状为矩形，此外也可以为圆形、椭圆形、方形、三角形等，本申请对此不做限定。
在一种可能的设计中，MEMS悬浮框架、所述绝缘连接件和所述固定梳齿一体成型，所述绝缘连接件通过热氧化工艺形成。通过以上设置，能够提高整个MEMS惯性传感器的机械强度，使得本申请的MEMS惯性传感器更耐冲击和振动。
在一种可能的设计中，MEMS功能结构还包括质量块、支撑梁、可动梳齿，质量块通过支撑梁内嵌于MEMS悬浮框架内，可动梳齿连接在质量块上，可动梳齿和固定梳齿平行相间设置。
第二方面，提供了一种MEMS惯性传感器，包括：衬底；支撑平台，该支撑平台具有镂空结构，该支撑平台上端固定安装有MEMS功能结构；第一支撑臂，该第一支撑臂分别与支撑平台和衬底固定连接，该第一支撑臂用于使支撑平台和MEMS功能结构悬浮于衬底上。
本申请实施例提供的MEMS惯性传感器将MEMS功能结构固定安装于支撑平台上，该支撑平台悬浮于衬底之上，从而能够阻断封装应力通过衬底、盖板耦合到MEMS功能结构上，提升了MEMS惯性传感器的稳定性，并且有利于提升导航的定位精度。
此外，本申请实施例中支撑平台具有镂空结构，从而能够减轻支撑平台的重量，在受到强烈的冲击以及振动的情况下第一支撑臂不会发生断裂，这样使得本申请提供的MEMS惯性传感器具有更牢靠的机械性能，从而有利于提高产品的稳定性。
在一种可能的设计中，MEMS惯性传感器还包括固定于衬底上并且围绕支撑平台设置的固定支撑外框，支撑平台通过第一支撑臂与固定支撑外框固定连接。本申请实施例第一支撑臂通过固定支撑外框与衬底固定连接，使得支撑平台能够悬浮在衬底的上方，通过以上设置，能够提高连接的稳定性，提高整个传感器的机械性能，从而提高MEMS传感器的使用性能。
在一种可能的设计中，衬底上设置有凹槽，以使得支撑平台的下表面高于衬底的内表面，进而使得支撑平台悬浮于衬底之上。
在一种可能的设计中，支撑平台的下表面高于固定支撑外框的下表面，以使得传感组件悬浮于衬底之上。
在一种可能的设计中，支撑平台与MEMS功能结构之间设置有绝缘层。
在一种可能的设计中，支撑平台由绝缘材料构成。
在一种可能的设计中，支撑平台包括支撑边框，该支撑边框内部形成中空结构。
在一种可能的设计中，该支撑边框的内表面设置有向MEMS惯性传感器的内部进行延伸的第二支撑臂，该第二支撑臂用于支撑MEMS功能结构。
在一种可能的设计中，该第二支撑臂包括两个，并且相对设置，每个第二支撑臂上分别固定设置有一个定梳齿锚点，该定梳齿锚点的两侧分别设置有多个定梳齿；该支撑边框上固定设置有多个质量块锚点，该质量块锚点通过支撑梁与质量块相连接，该质量块上设置有可动梳齿，可动梳齿与定梳齿相间平行设置。
在一种可能的设计中，该支撑平台呈筛网状结构，内部包括多个上下贯通的通孔。
可选地，该通孔多个通孔的形状可以为矩形、圆形、椭圆形、梯形、三角形等中的任意一种或者多种。
在一种可能的设计中，固定支撑外框上设置有引线接点，所述引线接点通过导电连桥与MEMS功能结构电连接，该MEMS功能结构和该导电连桥由同一种导电材料通过一体形成工艺制成。通过以上设置，能够减少加工工序，并且由于通过导电连桥取代现有的金属导线，该MEMS功能结构与导电连桥由同一种材料构成，能够提高材料的一致性以及结构对称性，进而降低材料热失配应力。
可选地，该导电材料可以为半导体材料。
例如，该导电材料可以为硅或锗的元素半导体。
再例如，该导电材料可以为硅锗、碳化硅、砷化镓、砷化铟、氮化镓和磷化铟的化合物半导体。
再例如，该导电材料可以为诸如碳化硅锗、磷化砷镓和磷化铟镓等合金半导体。
可选地，该MEMS功能结构与导电连桥可以由同一块掺杂单晶硅材料加工得到，该掺杂单晶硅材料本身是电的良导体。
例如，可以通过重掺杂或者轻掺杂的方式注入硼元素。
在一种可能的设计中，MEMS惯性传感器还包括盖板，该盖板盖合于固定支撑外框上，以实现对所述MEMS功能结构的密封隔离。
第三方面，提供了一种惯性测量单元，包括控制电路、温度传感器，以及前述第一或二方面中任一种可能的设计中所提供的MEMS惯性传感器，该温度传感器用于探测 MEMS惯性传感器的温度，控制电路用于接收MEMS惯性传感器发送的原始测量信号以及温度传感器发送的温度信号，并且根据温度信号对原始测量信号进行矫正，以确定惯性测量结果。
可选地，该载体可以为智能汽车、新能源汽车、传统汽车、高铁列车、无人机、智能机器人、摄像稳定平台、智能手机、船等任意载体。
可选地，该惯性测量结果可以是载体的加速度或者角速度。
可选地，该控制电路可以为专用集成电路(application specific integratedcircuit，ASIC)。
可选地，该惯性测量单元包括三个正交设置的加速度计和三个正交设置的陀螺仪，该 MEMS惯性传感器为该三个加速度计中的一个，或者，为该三个陀螺仪中的一个。
可选地，该控制电路包括接口电路和数字处理电路。
第四方面，提供了一种惯性导航系统，包括导航计算机，以及前述第三方面提供的惯性测量单元，该导航计算机用于接收惯性测量单元发送的惯性测量结果，根据惯性测量结果确定载体的速度、位置或者姿态中的至少一种。
可选地，导航计算机包括处理器芯片。例如，该处理器芯片可以是现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array，FPGA)芯片或者是ARM芯片。
可选地，该惯性导航系统可以应用于智能汽车、新能源汽车、传统汽车、高铁列车、无人机、智能机器人、摄像稳定平台、智能手机等载体中。
附图说明
图1是本申请实施例提供的MEMS惯性传感器的剖面结构示意图。
图2是图1中可动结构层的俯视图。
图3是本申请实施例提供的MEMS惯性传感器的另一例的剖面结构示意图。
图4是本申请实施例提供的MEMS惯性传感器的再一例的剖面结构示意图。
图5是图4中加强支撑层的俯视图。
图6是本申请实施例提供的MEMS惯性传感器的再一例的剖面结构示意图。
图7是本申请实施例提供的MEMS惯性传感器的再一例的剖面结构示意图。
图8是本申请实施例提供的MEMS惯性传感器的再一例的剖面结构示意图。
图9是本申请实施例提供的绝缘连接件的结构示意图。
图10是绝缘连接件的制作工艺示意图。
图11是本申请实施例提供的MEMS惯性传感器的再一例的剖面结构示意图。
图12是图11中MEMS惯性传感器的俯视图。
图13是图11中支撑平台层的俯视图。
图14是本申请实施例提供的支撑平台层的另一例的俯视图。
图15是本申请实施例提供的支撑平台层的再一例的俯视图。
图16是本申请实施例提供的惯性测量单元的机械安装示意图。
图17是本申请实施例提供的惯性测量单元的工作原理图。
图18是本申请实施例提供的惯性导航系统的工作原理图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“侧”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于安装的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A 和B，单独存在B这三种情况。
为了便于更好的理解本申请实施例，下面首先对本申请涉及的相关概念进行介绍。
1、MEMS
微机电系统(micro electro mechanical system，MEMS)是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，一般被认为是由微型机械传感器、执行机构和微电子电路组成的微型系统，是一个独立的智能系统。
MEMS芯片制造技术利用微细加工技术，特别是半导体圆片制造技术，制造出各种微型机械结构，结合专用控制集成电路，组成智能化的微传感器、微执行器、微光学器件等MEMS元器件。
常见的MEMS产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、 MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品。
MEMS产品具有体积小、成本低、可靠性高、抗恶劣环境能力强、功耗低、智能化程度高、易校准、易集成的优点，被广泛应用于消费类电子产品，如手机、平板电脑、玩具、数码相机、游戏机、空中鼠标、遥控器、GPS等；在国防工业，如智能炸弹、导弹、航空航天、航海、潜水、无人飞机等，以及工业类产品，如汽车、通讯、机器人、智能交通、工业自动化、环境监测、平台稳定控制、现代化农业、安全监控等，MEMS产品是物联网技术的基石，是工业现代化的核心元器件。
2、MEMS惯性传感器
惯性传感器是对物理运动做出反应的器件，如线性位移或角度旋转，并将这种反应转换成电信号，通过电子电路进行放大和处理。惯性传感器主要用于检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动，是解决导航、定向和运动载体控制的重要部件。加速度计和陀螺仪是最常见的惯性传感器。
测量物体线加速度的传感器称为加速度计(accelerometer)，加速度信号经过一次积分得到速度信号，经过两次积分得到位移信号，通过在运动物体上正交的安装三只加速度计可以测得运动物体在空间中的速度和位移。
测量物体自身转动速率的传感器称为陀螺仪(gyroscope)，角速率信号随时间的积分是角度信号，那么通过在运动物体上正交的安装三只陀螺仪芯片可以测得运动物体在三维空间中的转动。
MEMS惯性传感器件包括MEMS加速度计，MEMS陀螺仪等MEMS器件，是一种基于微机电系统的可用于检测加速度、角速度信号变化的传感器芯片，广泛应用于汽车、手机、导航、医疗等产业，是重要的人机互动界面的连接纽带。
MEMS加速度计是利用传感质量的惯性力测量的传感器，通常由标准质量块(传感元件)和检测电路组成。
MEMS陀螺仪是一种基于MEMS的可用于检测角速度信号变化的运动芯片，主要利用振动来诱导和探测科里奥利力而设计形成。
MEMS加速度计和MEMS陀螺仪由于是基于惯性敏感原理的传感器，因此也可以被称为MEMS惯性器件。也就是说，本申请文件中的MEMS惯性传感器也可以被称为MEMS 惯性器件。
3、MEMS惯性测量单元
惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)是测量物体三轴姿态角(或角速率) 以及加速度的装置。一般的，一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺仪检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。在导航中有着很重要的应用价值。而基于MEMS技术的惯性测量单元可以被称之为MEMS惯性测量单元。
MEMS惯性测量单元普遍应用于手机、智能家居、物联网(internet of things，IoT)、无人驾驶汽车、无人机、智能机器人、物流机器人、吊舱稳定等市场领域。在不同的应用场景下，其中被称为“皇冠上明珠”的关键组件——MEMS惯性测量单元扮演着其相当重要的功能性角色。伴随着第四次工业革命，人工智能产品走下“桌面”，都必须采用用于运动测量的MEMS惯性测量。
为方便表述，如无特殊说明，下文中单独出现的IMU或者惯性测量单元即指代前述的MEMS惯性测量单元。
简单而言，IMU应用于手机产品端可以实现体感游戏、镜头防抖、增强现实等；IMU在智能家居方面如扫地机、家政机器人可以实现路径规划，提高清扫覆盖率等；IMU在导航领域可以有助稳定姿态，实现汽车、飞机等的无人驾驶。
消费级IMU的特点是单片多轴集成，一般单芯片包含3轴加速度计以及3轴陀螺仪。IMU芯片中的三轴MEMS加速度计可以实现重力感应，在终端设备应用中可以将视频、图像等进行旋转。而三轴MEMS陀螺仪能够检测终端设备的三轴旋转，如果组合使用 MEMS陀螺仪和MEMS加速度计可以捕获和跟踪终端设备的三维运动，从而用于导航定位、手势识别、动作识别等。其他终端应用领域包括增强实现(augmented reality，AR)/ 虚拟现实(virtualreality，VR)、无人机姿态稳定、电子云台等。
近年来，随着自动驾驶汽车业务的兴起，由中等精度的MEMS惯性传感器组成的IMU需求量大增的同时伴随着成本降低的迫切需求。IMU作为和天基定位系统全球定位系统(global positioning system，GPS)、全球卫星导航系统(global navigation satellitesystem， GLONASS)或者北斗卫星导航系统(Bei Dou navigation satellite system，BDS)等配合使用的运动传感器，其优点是短时精度高、输出刷新率高，正好弥补了GPS的刷新率低的缺点。
在车载导航中IMU的不可替代性和重要性主要表现在：
(1)GPS信号是频率约1.6GHz的码分多址(code division multiple access，CDMA) 波段，波长仅仅为19cm；在城市道路上经常会受到高大建筑物、隧道、高架桥、茂密树林的影响造成丢星或者失锁，影响卫定位和测速精度或无法定位，此时具有一定精度的惯性传感器能够通过航位推算提供短时(15秒～1分钟)的导航定位；
(2)导航模组在一个GPS更新周期内，从接收到GPS卫星信号开始进行位置速度解算需要一定的时间，那么会造成位置、速度的解算结果和实时位置、速度的偏差，IMU由于短时精度高，可以对GPS延时误差进行补偿；
(3)IMU在惯性导航系统(inertial navigation system，INS)深组合中可以用于补偿车速造成的伪据率测量的多普勒频移，从而快速捕获GPS卫星。
4、INS
INS全称inertial navigation system，即惯性导航系统，也会被简称为惯性系统或惯性导航。惯性导航系统的工作机理是建立在牛顿经典力学的基础上的。
不同于其他类型的导航系统，INS是完全自主的，它既不向外部发射信号，也不从外部接收信号。INS必须精确地知道在导航起始时运载体的位置，惯性测量值用来估算在启动之后所发生的位置变化。
INS是一种利用安装在运载体(例如汽车或者飞行器)上的陀螺仪和加速度计来测定运载体位置的一个系统。通过陀螺仪和加速度计的测量数据，可以确定运载体在惯性参考坐标系中的运动，同时也能够计算出运载体在惯性参考坐标系中的位置。
INS通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成，惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪(例如前述的MEMS加速度计、MEMS陀螺仪)。其中，3个自由度陀螺仪用来测量运载体的三个转动运动；3个加速度计用来测量运载体的3个平移运动的加速度。计算机根据测得的加速度信号计算出运载体的速度和位置数据，根据测得的角速率信号计算出运载体在三维空间的转动数据。控制显示器显示各种导航参数。
5、MEMS惯性传感器的零偏指标
如前所述，目前MEMS惯性传感器测量的是转动角速率和运动加速度，而导航系统中需要的是车的转角和运动速度、运动位移。因此，对于陀螺仪的输出信号需要经历过1 次积分过程得到载车的俯仰角、横滚角和偏航角，因此MEMS振动陀螺仪也被称为MEMS 速率积分陀螺仪。同样加速度计输出信号经历1次积分得到速度信号，和GPS测量得到的车速进行卡尔曼滤波得到真实车速；经过2次积分得到载车的位移，并和GPS测量得到的经纬度信息进行卡尔曼滤波得到真实的位置信息。
那么惯性传感器的零位误差和测量误差将造成积分误差的累积，长时间的捷联惯导会导致姿态角、航向、速度、位置误差迅速增大，造成结果发散。因此MEMS惯性传感器减小零偏误差是最关键的设计因素。
通常MEMS惯性传感器的零偏误差评估体系包括如下指标：零偏、零偏稳定性、零偏温度稳定性、零偏长期稳定。下面分别对上述相关概念进行说明。
(1)零偏
陀螺仪和加速度计在没有输入量的情况下的非零输出值,一般取一段时间内的测量值均值以排除噪声影响。单位为deg/h(速率积分陀螺)，g(加速度计)。通常在INS系统中零偏会被认为是常值误差而被减掉，那么该操作是否能够有效的抑制累积积分误差，取决于零偏值本身是否准确。
(2)零偏稳定性
陀螺仪和加速度计的零偏随时间、温度等因素的变化灵敏度，用于评估陀螺仪和加速度计零偏的在全部工作温度，以及全生命周期的最大零位偏移。即，零偏稳定性是表征一次通电过程中零偏随时间变化的最大偏差。常用的评价方法为Allen方差和1σ平均法；单位为：deg/h(速率积分陀螺)；g(加速度计)。
(3)零偏温度稳定性
零偏温度稳定性是表征在不同温度下(-40～+85℃)范围内零偏变化的范围。
(4)零偏长期稳定性
零偏长期稳定性表征的是零偏在数周、数月、数年的时间范围内的变化。
导致上述零偏误差的一个重要因素是应力，其中包括材料失配应力、封装应力两大因素。在MEMS结构设计和工艺设计中通常采用同种材料制作衬底、固定电极、可动电极等结构，如现在成熟的MEMS器件采用全硅结构，抑制MEMS器件结构自身材料造成的应力。
封装应力通常影响MEMS惯性传感器的温度稳定性以及长期稳定性。封装粘接胶以及封装管壳衬底材料和硅材料的热胀系数差会造成温变过程中封装应力变化、应力分布变化，从而造成MEMS惯性传感器固定梳齿和可动梳齿之间的非理想位移和变形，最终导致传感器输出漂移。另外，MEMS惯性传感器常采用聚合物作为芯片粘接胶，而聚合物的材料属性长时间稳定性较差，从而造成了惯性传感器的长时间零位漂移。在封装层面可以优化粘胶工艺和胶点设计降低封装应力。在MEMS惯性传感器结构设计方面，可以设计封装应力隔离结构降低MEMS惯性传感器的敏感度。
通常MEMS惯性传感器的零偏误差是由于应力引起的，而MEMS惯性器件的封装应力通常是通过衬底、盖板耦合到MEMS惯性器件功能结构上的。
本申请提供一种MEMS惯性传感器、MEMS惯性测量单元、惯性导航系统以及MEMS 惯性传感器的制造工艺，能够阻断封装应力通过衬底、盖板耦合到MEMS惯性器件功能结构上，提升了MEMS惯性传感器的稳定性，并且有利于提升导航的定位精度。
第一方面，本申请实施例首先提供一种MEMS惯性传感器100，该MEMS惯性传感器100能够对惯性力进行测量，并最终将该惯性力以电信号的方式进行输出。本申请中的MEMS惯性传感器也可以被称为MEMS惯性器件，或者也可以被简称为惯性传感器或者惯性器件、惯性测量器件等。
本申请中的MEMS惯性传感器100可以是MEMS加速度计或者MEMS陀螺仪等惯性测量器件，此外还可以是压力传感器、磁传感器、振动传感器等MEMS器件，但不限于此。
图1是本申请实施例提供的MEMS惯性传感器100的剖面结构示意图。图2是图1 中可动结构层的俯视图，图1实际上与图2中的AA视角的剖面图相对应。如图1和2所示，本申请实施例提供的MEMS惯性传感器100包括衬底1、传感组件8、第一支撑臂4。
衬底1为MEMS惯性传感器100提供机械支撑和机械保护。
传感组件8用于实现对惯性力的测量，例如对加速度或者角速度等进行测量，是MEMS惯性传感器100的核心部件。进一步地，传感组件8包括MEMS悬浮框架2和 MEMS功能结构3。
其中，MEMS功能结构3包括用于实现惯性测量功能的基本结构，例如质量块、可动梳齿等。而MEMS悬浮框架2用于辅助MEMS功能结构3实现该惯性测量功能。例如， MEMS悬浮框架2用于实现对MEMS功能结构3的安装以及定位。
如图1、2所示，在本申请实施例中，MEMS悬浮框架2呈框架状，环绕设置在MEMS 功能结构3的外周，MEMS功能结构3内嵌于MEMS悬浮框架2的内部，从而实现对 MEMS功能结构3的安装。通过上述二者的相互配合，能够对惯性力进行测量，并且将该惯性力以电信号的方式进行输出。
传感组件8通过第一支撑臂4安装在衬底1上，并且使得传感组件8能够不与衬底1直接进行接触，而悬置于衬底1的上方。
具体地，本申请实施例中的第一支撑臂4分别与MEMS悬浮框架2和衬底1固定连接，并且通过第一支撑臂4对传感组件8进行支撑，使得传感组件8能够悬浮于衬底1之上。
在这里，相互固定连接的两个部件不会发生相对移动。例如，第一支撑臂4分别与MEMS悬浮框架2和衬底1固定连接，则第一支撑臂4与MEMS悬浮框架2的位置关系不会发生相对移动，第一支撑臂4与衬底1的位置关系也不会发生相对移动，进而使得 MEMS悬浮框架2与衬底1的位置关系也不会发生相对移动，即MEMS悬浮框架2也与衬底1固定连接。
通过以上设置，使得传感组件8能够悬浮于衬底1之上，不会与衬底1相互接触，并且第一支撑臂4与MEMS悬浮框架2固定连接，而不是与MEMS功能结构3固定连接，封装过程中产生的应力仅能通过衬底1、第一支撑臂4传递至MEMS悬浮框架2上，而无法传递至MEMS功能结构3上。
本申请实施例提供的MEMS惯性传感器100能够阻断封装应力通过衬底1耦合到MEMS功能结构3上，从而提升了MEMS惯性传感器100的稳定性，具体包括零位温度稳定性和零位长期稳定性、并能够提升MEMS惯性传感器100多次开机的零位重复性。上述性能是惯性传感器的核心性能指标，通过上述结构改进，能够保证MEMS惯性传感器100(例如加速度计或陀螺仪)在车载环境中性能的一致性和重复性，避免了零位造成的导航位置误差发散，能够提升自动驾驶汽车在GPS信号弱、视觉导航难度大的情况下的导航精度。
可选地，在本申请实施例中，传感组件8悬浮于衬底1之上，可以是传感组件8的下表面(即面向衬底1一侧的表面)与衬底1的内表面(即面向传感组件8一侧的表面)保持基本平行，并且二者之间存在间隙。
在本申请实施例中，MEMS悬浮框架2通过第一支撑臂4实现与衬底1的机械连接，即第一支撑臂4的一侧可以与MEMS悬浮框架2固定连接，另一侧可以与衬底1固定连接，从而使得整个传感组件8能够悬浮于衬底1之上。
在这里，第一支撑臂4与衬底1进行固定连接，可以直接连接，也可以是间接连接，本申请对此不做限定。
作为一个可能的实施例，第一支撑臂4可以直接固定于衬底1之上，即第一支撑臂4可以直接固定在衬底1的内表面之上。
如图1、2所示，在本申请实施例中，第一支撑臂4通过固定支撑外框5与衬底1固定连接。具体地，本申请实施例提供的MEMS惯性传感器100还包括固定支撑外框5，该固定支撑外框5环绕传感组件8进行设置，并且该固定支撑外框5固定连接于衬底1之上。 MEMS悬浮框架2通过第一支撑臂4与固定支撑外框5固定连接，进而实现MEMS悬浮框架2与衬底1的固定连接，如图1和2所示。
固定支撑外框5环绕所述传感组件8进行设置，同时也环绕衬底1的周边进行设置，并且与衬底1固定连接，第一支撑臂4连接于固定支撑外框5的内侧面上，并且向内延伸，最终与MEMS悬浮框架2固定连接，进而使得传感组件8能够悬浮在衬底1的上方。
本申请实施例第一支撑臂4通过固定支撑外框5与衬底1固定连接，使得传感组件8能够悬浮在衬底1的上方，通过以上设置，能够提高连接的稳定性，提高整个传感器的机械性能，从而提高MEMS传感器100的使用性能。
为了保证传感组件8的下表面能够高于衬底1的内表面，从而使得传感组件8能悬浮于衬底之上，如图1所示，在本申请实施例中，可以在衬底1的内表面开设凹槽1a，以使得所述传感组件8的下表面高于所述衬底的内表面，进而使得传感组件悬浮在凹槽1a之上。此时，固定支撑外框5可以环绕凹槽1a进行设置。
图3示出了本申请实施例提供的MEMS惯性传感器100的另一例的剖面结构示意图。如图3所示，为了保证传感组件8能悬浮于衬底1之上，也可以设置传感组件8的下表面高于固定支撑外框5的下表面。
具体地，固定支撑外框5的下表面与衬底1固定连接，其必然要高于或者等于衬底1的内表面，因此通过以上设置，也能够使得传感组件8的下表面要高于衬底1的内表面，从而使得传感组件8能悬浮于衬底1之上。
此时，可以设置固定支撑外框5和传感组件8的上表面在同一高度上，并且设置固定支撑外框5的厚度要大于传感组件8的厚度，进而能够保证传感组件8的下表面高于固定支撑外框5的下表面。
如图1所示，本申请实施例提供的MEMS惯性传感器100还包括盖板6，盖板6盖合于固定支撑外框5之上，从而实现对传感组件8的密封隔离。
盖板6能够为MEMS惯性传感器100提供机械保护，通过盖板6与固定支撑外框5、固定支撑外框5与衬底1之间的密封连接，能够在MEMS惯性传感器100的内部围成一个密闭的腔室，该腔室用于容纳传感组件8，能够防止异物进入，且可以提供真空环境，以减小MEMS功能结构3中质量块等敏感结构运动的阻尼。
应理解，盖板6在盖合于固定支撑外框5之后，盖板6的内表面应当与传感组件8之间存在间隙，也就是说，盖板6和传感组件8不互相接触，从而使得封装应力不会通过盖板6传递至该传感组件8。
如图1所示，在本申请实施例中，盖板6呈帽状，包括顶壁以及沿着顶壁周向设置，并且向固定支撑外框5方向进行延伸的的侧壁，可以通过该侧壁与固定支撑外框5固定连接，使得盖板6的内表面(即顶壁的内表面)的高度要高于传感组件8的上表面，从而使得盖板6和传感组件8不互相接触。
如图1、2所示，在本申请实施例中，固定支撑外框5可以呈框架状，并且围绕传感组件8进行设置，固定支撑外框5和传感组件8之间通过第一支撑臂4进行连接。
由于固定支撑外框5、第一支撑臂4、传感组件8位于MEMS惯性传感器100的中间，并且位于同一水平高度，因此固定支撑外框5、第一支撑臂4、传感组件8也共同构成了 MEMS惯性传感器100的中间层。
此外，由于该中间层中包括有MEMS功能结构3，该功能结构3包括质量块等可动部件，因此该中间层也可以被称作可动结构层。
可选地，可动结构层中的固定支撑外框5、第一支撑臂4、MEMS悬浮框架2和MEMS 功能结构3可以分别形成之后，通过组装形成一个整体。
此时，固定支撑外框5、第一支撑臂4、MEMS悬浮框架2可以由绝缘材料制成。MEMS功能结构3可以由导电材料制成。
在本申请实施例中，为了提高可动结构层各部件之间连接的可靠性，以提高整个MEMS惯性传感器100的机械稳定性，可动结构层(即固定支撑外框5、第一支撑臂4、 MEMS悬浮框架2和MEMS功能结构3)可以通过一体成型工艺制成。
此时，由于MEMS功能结构3中的部分结构(例如质量块等)需要具有导电性能，因此，可动结构层可以由同一块导电材料经过刻蚀等工艺一体成型。
可选地，该导电材料可以为半导体材料。
例如，该导电材料可以为硅或锗的元素半导体。
再例如，该导电材料可以为硅锗、碳化硅、砷化镓、砷化铟、氮化镓和磷化铟等化合物半导体。
再例如，该导电材料可以为诸如碳化硅锗、磷化砷镓和磷化铟镓等合金半导体。
在本申请实施例中，可动结构层由同一块掺杂单晶硅材料加工得到，该掺杂单晶硅材料本身是电的良导体。
例如，可以通过重掺杂或者轻掺杂的方式注入硼元素。
在该基础之上，由于可动结构层具有导电的特性，如果衬底1和/或盖板6也具有导电性能，则需要进行相应的电隔离设置。
可选地，衬底1可以由非导电材料构成。
可选地，盖板6可以由非导电材料构成。
例如，该非导电材料可以为陶瓷材料(氧化铝或者氮化铝)或者玻璃材料。
在本申请实施例中，为了降低在受热情况下由于不同材料热膨胀系数不同而引起的热失配应力，衬底1、盖板6以及可动结构层可以由相同的材料构成(即均由掺杂单晶硅材料构成)，也就是说，此时衬底1、盖板6也具有导电的性能。
因此，在本申请实施例中，MEMS惯性传感器100还包括设置于盖板6和固定支撑外框5之间的绝缘层7，以实现盖板6和固定支撑外框5之间的电学隔离(也即实现盖板6 与整个可动结构层之间的电学隔离)。
类似地，MEMS惯性传感器100还包括设置于衬底1和固定支撑外框5之间的绝缘层7，以实现衬底1和固定支撑外框5之间的电学隔离(也即实现衬底1与整个可动结构层之间的电学隔离)。
可选地，固定支撑外框5两侧的绝缘层7的材料可以相同，也可以不同，本申请对此不做限定。
在本申请实施例中，绝缘层7的材料可以是常规半导体工艺中的绝缘材料，例如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、三氧化二铝(Al2O3)等中的任意一种。
可选地，可以使用热氧化、低压化学气相淀积(low pressure chemical vapordeposition，LPCVD)或者等离子增强型化学气相淀积(plasma enhanced chemical vapordeposition， PECVD)等方法在衬底1和/或盖板6上形成上述绝缘层。
可选地，可以采用物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)工艺、化学气相沉积 (chemical vapor deposition，CVD)工艺或原子层沉积(atomic layerdeposition，ALD)等工艺在衬底1和/或盖板6上形成上述绝缘层。
例如，可以使用热氧化的方法在衬底1和盖板6的表面生长出该绝缘层7。
再例如，可以采用LPCVD工艺在衬底1和盖板6的表面沉积低应力氮化硅以形成绝缘层7。该低应力氮化硅的应力可以为低于100MPa(兆帕)的张应力，譬如，可以为几十兆帕的张应力。
可选地，为了降低材料失配应力，绝缘层7在保证绝缘效果的前提下，应当尽量的设置薄一些，例如，绝缘层7的厚度可以在1-5微米，例如可以为2微米、2.5微米、3微米或者4微米等。
可选地，可以通过键合的方式将固定支撑外框5分别与两侧的绝缘层7进行固定连接。
如图1所示，为了实现更加可靠的密封效果，在盖板6和绝缘层7之间还可以设置焊料层9。例如，该焊接层9可以通过钎焊、扩散焊、激光焊等任意一种形成。
在其他实施方式中，也可以调换绝缘层7和焊料层9的相对位置，即也可以将该焊接层9设置于绝缘层7和固定支撑外框5之间，本申请对此不做限定。
图4示出了本申请实施例提供的MEMS惯性传感器100的再一例的剖面结构示意图。与前述图1、3所示的实施例不同的是，图4所示的实施例中，MEMS惯性传感器100还包括加强支撑外框10和加强支撑臂11，并且MEMS悬浮框架2通过加强支撑臂11与加强支撑外框10固定连接，通过以上设置，可以提高传感组件8悬浮的可靠性。
具体地，当MEMS惯性传感器100的尺寸较大时，传感组件8的重量可能较大，此时可以通过第一支撑臂4和加强支撑臂11同时对传感组件8进行支撑，从而能够将传感组件8可靠的悬浮在衬底1之上。
如图4所示，由于加强支撑外框10和加强支撑臂11处于同一高度，因此上述二者可以共同构成MEMS惯性传感器100的加强支撑层。该加强支撑层可以实现对传感组件8 的加强支撑，能够提高传感组件8悬浮的可靠性。
图5是图4中加强支撑层的俯视图。如图4、5所示，在本申请实施例中，加强支撑外框10呈框架状，环绕设置在凹槽1a的周侧，并且与固定支撑外框5对应设置，此时固定支撑外框5通过加强支撑外框10与衬底1固定连接。
加强支撑外框10的内侧表面设置加强支撑臂11，加强支撑臂11从加强支撑外框10的内表面向MEMS惯性传感器100的内侧进行延伸，并且与MEMS悬浮框架2的下表面固定连接，能够对MEMS悬浮框架2起到支撑作用。
如图4所示，在本申请实施例中，加强支撑臂11与MEMS悬浮框架2的底面(即下表面)进行连接，即此时加强支撑臂11能够对MEMS悬浮框架2能够起到支撑的作用。
进一步地，为了提高支撑的效果，可以增大第二支撑臂11的尺寸，从而能够增大第二支撑臂11与MEMS悬浮框架2的下表面的接触面积。
在本申请实施例中，加强支撑臂11可以对应MEMS悬浮框架2以及第一支撑臂4进行设置，以形成完整(封闭)的框架状结构，该框架装结构与加强支撑外框10的内表面固定连接，从而能够对MEMS悬浮框架2进行可靠的支撑。在其他实施方式中，加强支撑臂11也可以是不完整(不封闭)的框架状结构，即也可以为当前的封闭框架状的部分，同样能够对MEMS悬浮框架2起到支撑作用。
可选地，加强支撑层(即加强支撑外框10和加强支撑臂11)可以通过一体成型工艺制成，从而能够提高加强支撑外框10和第二支撑臂11之间连接的可靠性。
例如，加强支撑层可以由同一块材料经过刻蚀等工艺一体成型。
为了降低材料失配应力，加强支撑层可以和衬底1、盖板6以及可动结构层由相同的材料构成，即此时加强支撑层也由掺杂单晶硅材料构成。此时加强支撑层可以由同一块硅晶圆通过刻蚀等工艺一体成型。
如图4所示，由于加强支撑层能够导电，为了实现可动结构层和衬底1之间的电学隔离，此时也可以在可动结构层和加强支撑层之间设置绝缘层7。
具体地，此时可以在固定支撑外框5和加强支撑外框10，以及加强支撑臂11与MEMS悬浮框架2之间设置该绝缘层7。
此外，如图4、5所示，如果加强支撑臂11同时也对第一支撑臂4进行支撑，则此时需要在加强支撑臂11与第一支撑臂4之间设置该绝缘层7。
应理解，本申请的加强支撑臂11并不限于图5中所示的框架状结构。在其他实施方式中，加强支撑臂11可以为条状或者其他任意形状，从加强支撑外框10的内表面向内进行延伸，也就是说，此时，该条状的加强支撑臂11一端与加强支撑外框10的内表面连接，另一端的上表面与MEMS悬浮框架2的下表面连接，从而能够对MEMS悬浮框架2起到支撑作用。
图6示出了本申请实施例提供的MEMS惯性传感器100的再一例的剖面结构示意图。如图6所示，为了实现可动结构层和衬底1之间的电学隔离，也可以在加强支撑层和衬底之间设置绝缘层7。
具体地，此时可以在加强支撑外框10和衬底1之间设置有绝缘层7。
图7示出了本申请实施例提供的MEMS惯性传感器100的再一例的剖面结构示意图。如图7所示，为了实现可动结构层和衬底1之间的电学隔离，也可以在可动结构层和加强支撑层之间绝缘层7，并且同时在加强支撑层和衬底之间设置绝缘层7。
图8示出了本申请实施例提供的MEMS惯性传感器100的再一例的剖面结构示意图。如图8所示，为了实现可动结构层和衬底1之间的电学隔离，此时位于上述二者之间的加强支撑层可以由绝缘材料构成。此时，加强支撑层(即加强支撑外框10和加强支撑臂11) 一方面对传感组件8起到支撑的作用，另一方面，也能够起到电学隔离的作用。
可选地，此时加强支撑层可以由陶瓷材料(氧化铝或者氮化铝)或者玻璃材料构成。
下面以MEMS惯性传感器100为加速度计为例，并且结合附图2对本申请实施例中的传感组件8作进一步介绍。
如图2所示，传感组件8包括MEMS悬浮框架2和MEMS功能结构3，MEMS悬浮框架2呈封闭的框架状，环绕设置在MEMS功能结构3的外侧，MEMS功能结构3内嵌于MEMS悬浮框架2的内部。MEMS功能结构3包括质量块3a、可动梳齿3b、固定梳齿 3c、支撑梁3d、绝缘连接件3e。
其中，质量块3a通过多个支撑梁3d内嵌于MEMS悬浮框架2内，支撑梁3d具有一定的弹性，使得质量块3a在惯性力的作用下能够向一侧移动，而当惯性力消失时，质量块3a能够恢复到原位。
可动梳齿3b连接在质量块3a上，并且向相对该质量块3a的外侧方向进行延伸，可动梳齿3b包括多个平行设置的梳齿，并且相邻梳齿的间距相同。通过质量块3a，多个可动梳齿3b之间电连接。
固定梳齿3c通过绝缘连接件3e连接在MEMS悬浮框架2内侧，并且向质量块3a方向进行延伸，固定梳齿3c包括多个平行设置的梳齿，并且相邻梳齿的间距相同。固定梳齿3c与可动梳齿3b相对配合设置，具体地，固定梳齿3c与可动梳齿3b相间平行间隔设置，并且二者之间构成平行板电容器。
为了实现多个固定梳齿3c之间的电学隔离，如图2所示，在本申请实施例中，固定梳齿3c通过绝缘连接件3e与MEMS悬浮框架2相连接。绝缘连接件3e连接在MEMS 悬浮框架2上，固定梳齿3c连接在绝缘连接件3e上，绝缘连接件3e用于实现MEMS悬浮框架2和固定梳齿3c之间的电隔离。
具体地，在本申请实施例中，MEMS功能结构3包括绝缘连接件3e，绝缘连接件3e 由绝缘材料构成，绝缘连接件3e设置于MEMS悬浮框架2和固定梳齿3c之间，固定梳齿3c仅能通过绝缘连接件3e与MEMS悬浮框架2进行连接。
也就是说，绝缘连接件3e一方面用于实现MEMS悬浮框架2和固定梳齿3c之间的机械连接，另一方面能够用于实现MEMS悬浮框架2和固定梳齿3c之间的电隔离。
图9示出了绝缘连接件3e的结构示意图。如图2、9所示，在本申请实施例中，绝缘连接件3e呈“凹”字型，“凹”字型的内侧表面用于连接固定梳齿3c，“凹”字型的外侧表面用于连接MEMS悬浮框架2。
在其他实施例中，绝缘连接件2a也可以为其他形状，例如“圆弧”型，“V”字型，“W”字型等等，本申请对此不做限定。
如图9所示，绝缘连接件3e中设置有多个应力释放孔31，相邻两个应力释放孔31之间设置有连接绝缘连接件3e两侧的加强支撑梁32。该应力释放孔31能够释放(或者说，吸收)应力，从而能够阻隔应力由MEMS悬浮框架2耦合至MEMS功能结构3的固定梳齿3c等敏感结构上。
可选地，该应力释放孔31可以为通孔，也可以为盲孔，本申请对此不做限定。
在本申请实施例中，该应力释放孔31的截面形状为矩形，此外也可以为圆形、椭圆形、方形、三角形等，本申请对此不做限定。
可选地，可以通过在MEMS悬浮框架2的内侧开设凹槽，之后将该绝缘连接件3e嵌入该凹槽内，之后继续将该固定梳齿3c嵌入绝缘连接件3e内，以此实现对固定梳齿3c 的安装。
在本申请实施例中，MEMS悬浮框架2、绝缘连接件3e和固定梳齿3c一体成型，并且绝缘连接件3e通过热氧化工艺形成。通过以上设置，能够提高整个MEMS惯性传感器 100的机械强度，使得本申请的MEMS惯性传感器100更耐冲击和振动。
下面结合附图10对本申请实施例中绝缘连接件3e的制造工艺进行介绍。
图10是绝缘连接件3e的制作工艺示意图。如图10所示，该制成工艺包括：
在步骤(a)中，可以首先在硅晶圆上通过刻蚀等工艺形成均匀排布的深槽31’，相邻的两个31’之间形成连接梁32’。
在步骤(b)中，对深槽31’和连接梁32’所在的区域进行热氧化处理，将深槽31’的槽壁以及连接梁32’处的硅氧化成二氧化硅，以此形成具有应力释放孔31和加强支撑梁 32的绝缘连接件3e。
在步骤(c)中，通过刻蚀工艺将绝缘连接件3e侧部的硅去除，以使得绝缘连接件3e内侧和外侧的硅完全断开，形成图10(c)中的硅Si-1和硅Si-2两部分，硅Si-1和硅Si-2 二者之间通过绝缘连接件3e实现机械连接，同时二者电学独立。应用于图2所示的结构中，该硅Si-1即MEMS悬浮框架2，该硅Si-2即固定梳齿3c。
前文对绝缘连接件3e的制作工艺进行了介绍，通过设置绝缘连接件3e，可以实现多个固定梳齿3c之间的电隔离，此时，多个固定梳齿3c以及可动梳齿3b可以通过引线输出电信号。如图1和2所示，在固定支撑外框5上还设置有多个引线接点14，引线接点 14通过引线与MEMS功能结构3进行电连接，引线接点14用于向控制电路等外部装置输出电信号。一些情况下，该引线接点也可以被称为焊点、焊盘、pad点等。
值得一提的是，由于固定支撑外框5能够导电，因此，引线接点14和固定支撑外框5之间还应当进行相应的电隔离设置。例如，可以在引线接点14和固定支撑外框5之间设置绝缘层，此外也可以通过其他方式实现二者的电隔离，本申请对此不作限定。
具体地，如图2所示，引线接点14可以设置5个，其中4个通过引线分别与四个固定梳齿3c进行电连接。其余一个通过引线与质量块3a进行电连接。在每条引线的通路上，还应当与其他部分进行相应的电学隔离设置，因此，可以将每条引线埋设于绝缘材料内。
在惯性力的作用下，质量块3a发生平动，使得可动梳齿3b和固定梳齿3c之间的间隙发生改变，可动梳齿3b和固定梳齿3c形成的电容器的容值发生改变，并且将该容值的变化量通过引线、引线接点14输出到控制电路等外部装置，利用业已成熟的差分测量技术测量上下电容的差值大小及正负方向，可以计算得到加速度的大小和方向。
应理解，本申请实施例对MEMS惯性传感器100的类型不做限定，在本申请实施例中，MEMS惯性传感器100为加速度计，而在其他实施方式中，MEMS惯性传感器100 也可以为陀螺仪或者其他MEMS器件，此时根据具体情况，可以适应性的改变MEMS悬浮框架2和MEMS功能结构3的结构或者组成，上述适应性的改变也理应囊括在本申请的保护范围内。
图11是本申请实施例提供的MEMS惯性传感器100的再一例的剖面结构示意图。图12是图11中MEMS惯性传感器100的俯视图。图13是图11中支撑平台层的俯视图。图 11实际上与图12、图13中的BB视角的剖面图相对应。
如图11-13所示，MEMS惯性传感器100包括：衬底21；支撑平台22，支撑平台22 具有镂空结构，支撑平台22上端固定安装有MEMS功能结构23；第一支撑臂24，第一支撑臂24分别与支撑平台22和衬底21固定连接，第一支撑臂24用于使支撑平台22和 MEMS功能结构23悬浮于衬底21上。
本申请实施例提供的MEMS惯性传感器100将MEMS功能结构23固定安装于支撑平台22上，该支撑平台22悬浮于衬底21之上，从而能够阻断封装应力通过衬底21耦合到MEMS功能结构23上，提升了MEMS惯性传感器100的稳定性，并且有利于提升导航的定位精度。
此外，本申请实施例中支撑平台22具有镂空结构，从而能够减轻支撑平台22的重量，在受到强烈的冲击以及振动的情况下第一支撑臂24不会发生断裂，这样使得本申请提供的MEMS惯性传感器100具有更牢靠的机械性能，从而有利于提高产品的稳定性。
应理解，根据MEMS惯性传感器100类型的不同，MEMS功能结构23也不相同，例如，MEMS惯性传感器100可以为加速度计或者陀螺仪，相对应的MEMS功能结构23 也不相同，本申请对MEMS惯性传感器100的类型不做限定，即本申请对MEMS功能结构23的具体结构也不做限定。
在这里，第一支撑臂24与衬底21固定连接，可以直接连接，也可以是间接连接，本申请对此不做限定。
作为一个可能的实施例，第一支撑臂24可以直接固定于衬底21之上，即第一支撑臂 24可以直接固定在衬底21的内表面之上。
如图11-13所示，在本申请实施例中，MEMS惯性传感器100还包括固定于衬底21 上并且围绕支撑平台22设置的固定支撑外框25，支撑平台22通过第一支撑臂24与固定支撑外框25固定连接。本申请实施例第一支撑臂24通过固定支撑外框25与衬底21固定连接，使得支撑平台22能够悬浮在衬底21的上方，通过以上设置，能够提高连接的稳定性，提高整个传感器的机械性能，从而提高MEMS传感器100的使用性能。
可选地，为了保证支撑平台22的下表面能够高于衬底21的内表面，从而使得支撑平台22能悬浮于衬底之上，如图11所示，在本申请实施例中，还可以在衬底21的内表面开设凹槽，以使得支撑平台22的下表面高于所述衬底的内表面，进而使得支撑平台22悬浮在凹槽之上。此时，固定支撑外框25可以环绕凹槽进行设置。
如图11所示，为了保证支撑平台22能悬浮于衬底21之上，也可以设置支撑平台22的下表面高于固定支撑外框25的下表面。
可选地，MEMS惯性传感器100还可以包括盖板(图中11-13中未示出)，该盖板盖合于固定支撑外框25上，以实现对所述MEMS功能结构23的密封隔离。
如图11、13所示，由于支撑平台22、第一支撑臂24以及固定支撑外框25处于同一高度，因此上述三者可以共同构成MEMS惯性传感器100的支撑平台层。
在本申请实施例中，为了提高支撑平台层各部件之间连接的可靠性，以提高整个MEMS惯性传感器100的机械稳定性，支撑平台层(即固定支撑外框25、第一支撑臂24、支撑平台22)可以通过一体成型工艺制成。
可选地，该支撑平台层可以由绝缘材料一体成型，例如，该绝缘材料可以为陶瓷材料 (氧化铝或者氮化铝)或者玻璃材料。
可选地，该支撑平台层也可以由导电材料一体成型。该导电材料可以是半导体材料，例如可以是硅材料。
如图11、12所示，支撑平台层与MEMS功能结构23之间可以设置绝缘层26。例如，支撑平台22、第一支撑臂24与MEMS功能结构23可以设置绝缘层26，以此来实现电隔离。
在这里，支撑平台22具有镂空结构，是指在支撑平台22的内部去除掉一部分，从而能够减轻支撑平台22的重量。本申请对支撑平台22如何进行镂空设置不做限定。如图13所示，在本申请实施例中，支撑平台22可以包括支撑边框220，该支撑边框220内部形成中空结构。
并且，该支撑平台22还包括第二支撑臂221，该第二支撑臂221从支撑边框220的内表面向MEMS惯性传感器100的内部进行延伸，该第二支撑臂221用于支撑MEMS功能结构23。
如图12、13所示，在本申请实施例中，第二支撑臂221包括两个，并且相对设置，在其他实施方式中，第二支撑臂221也可以设置其他任意个(例如1个、3个、4个等)，并且按照任意形式(方向、位置等)进行设置，本申请对此不做限定。
图14是本申请实施例提供的支撑平台层的另一例的俯视图。在图14所示的实施例中，该支撑平台22包括支撑边框220而不包括第二支撑臂221，此时可以通过支撑边框220的上表面(即背离衬底21一侧的表面)来安装MEMS功能结构23。
图15是本申请实施例提供的支撑平台层的再一例的俯视图。在图15所示的实施例中，支撑平台22呈筛网状结构，内部包括多个上下贯通的通孔222。
可选地，该多个通孔222的形状可以为矩形、圆形、椭圆形、梯形、三角形等中的任意一种或者多种。
可选地，可以根据需求任意设置该多个通孔222的位置、大小、密度等，本申请对此不做限定。
如图12所示，MEMS功能结构23包括质量块231、质量块锚点232、支撑梁233、可动梳齿234、定梳齿锚点235以及定梳齿236。
该定梳齿锚点235包括两个，并且分别设置于两个第二支撑臂221之上，定梳齿锚点 235的两侧分别设置有多个定梳齿236，四个质量块锚点232设置于支撑边框220的四个角之上，并且通过支撑梁233与质量块231相连接，质量块231呈“H”形，质量块231 上设置有多个可动梳齿234，可动梳齿234与定梳齿236相间平行设置。
如图11、12所示，固定支撑外框25上设置有引线接点27，引线接点27通过导电连桥28与MEMS功能结构23电连接，该MEMS功能结构23和该导电连桥28由同一种导电材料通过一体形成工艺制成。通过以上设置，能够减少加工工序，并且由于使用导电连桥28取代现有的金属导线，该MEMS功能结构23与导电连桥28由同一种材料构成，能够提高材料的一致性以及结构对称性，进而降低材料热失配应力。
可选地，该导电材料可以为半导体材料。
例如，该导电材料可以为硅或锗的元素半导体。
再例如，该导电材料可以为硅锗、碳化硅、砷化镓、砷化铟、氮化镓和磷化铟的化合物半导体。
再例如，该导电材料可以为诸如碳化硅锗、磷化砷镓和磷化铟镓等合金半导体。
可选地，该MEMS功能结构23与导电连桥28可以由同一块掺杂单晶硅材料加工得到，该掺杂单晶硅材料本身是电的良导体。
例如，可以通过重掺杂或者轻掺杂的方式注入硼元素。
另一方面，本申请实施例还提供了一种惯性测量单元500。图16是本申请实施例提供的惯性测量单元500的机械安装示意图，图17是本申请实施例提供的惯性测量单元500的工作原理图。
该惯性测量单元500包括控制电路、温度传感器，以及前述任一实施例提供的MEMS惯性传感器100，该MEMS惯性传感器100用于测量载体的惯性力，该温度传感器用于探测该MEMS惯性传感器100的温度，控制电路用于接收MEMS惯性传感器100发送的原始测量信号以及温度传感器发送的温度信号，并且根据该温度信号对原始测量信号进行矫正，以确定惯性测量结果。
可选地，该载体可以为智能汽车、新能源汽车、传统汽车、无人机、智能机器人、船等任意载体。
可选地，该惯性测量结果可以是载体的加速度或者角速度。
可选地，该控制电路可以为专用集成电路(application specific integratedcircuit，ASIC)。
可选地，该惯性测量单元500包括三个正交设置的加速度计和三个正交设置的陀螺仪，MEMS惯性传感器100为该三个加速度计中的一个，或者，为该三个陀螺仪中的一个。
可选地，该三个加速度计可以全部为本申请实施例提供的MEMS惯性传感器100，或者，该三个陀螺仪可以全部为本申请实施例提供的MEMS惯性传感器100。
如图16所示，在本申请实施例中，惯性测量单元500的三个加速度计中，至少X轴的加速度计为前述实施例提供的MEMS惯性传感器100，并且与另外两个轴的两个加速度计正交设置。
如图17所示，在本申请实施例中，该控制电路包括接口电路300和数字处理电路400。
接口电路300用于向包括MEMS惯性传感器100在内的三个加速度计发送驱动信号，并且向温度传感器发送测温信号。接口电路还用于接收加速度计发送的原始加速度信号，和加速度计的温度信号。
类似地，接口电路300还用于向陀螺仪发送驱动信号，并且向温度传感器发送测温信号。接口电路还用于接收陀螺仪发送的原始陀螺信号，和陀螺仪的温度信号。
进一步地，接口电路300还用于将该原始加速度信号、原始陀螺信号和温度信号处理成特定格式的数字信号传送至数字处理电路400，数字处理电路400用于对该加速度信号、陀螺信号进行矫正。
具体地，在数字处理电路400中进行X、Y、Z三轴加速度计的正交误差补偿、杠杆效应补偿、陀螺的加速度敏感度补偿等误差补偿，并利用温度信号对各轴向加速度、角速度信号进行温补矫正，最终得到经过矫正的加速度、角速度输出。
由于该惯性测量单元500采用了上述任一实施例提供的MEMS惯性传感器100，因此使得该惯性测量单元也具有与MEMS惯性传感器100相应的技术效果，在此不再赘述。
再一方面，本申请实施例还提供了一种惯性导航系统1000，该惯性导航系统1000包括导航计算机600，以及与该导航计算机600电连接的前述任意一实施例提供的惯性测量单元500。图18是本申请实施例提供的惯性导航系统1000的工作原理图。
该导航计算机用于接收惯性测量单元500发送的对载体的惯性测量结果，并且根据该惯性测量结果确定载体的速度、位置或者姿态中的至少一种。
如图18所示，惯性测量单元500安装在惯性导航系统1000中，并将惯性导航系统1000安装在载体中(车、船、飞机等)。
可选地，惯性导航系统1000可以安装在自动驾驶汽车中。
可选地，该惯性导航系统1000可以应用于智能汽车、新能源汽车、传统汽车、高铁列车、无人机、智能机器人、摄像稳定平台、智能手机等载体中。
可选地，导航计算机600包括处理器芯片。例如，该处理器芯片可以是现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array，FPGA)芯片或者是ARM芯片。
将惯性测量单元500输出的矫正/补偿后的加速度、角速度输出送入导航计算机600，并通过导航计算机600的解算模块进行姿态解算，一般的姿态解算算法包括四元数法、欧拉角法等，得到载体的实时姿态，包括俯仰角、横滚角、偏航角；利用加速度计的速度解算(加速度积分)得到载体的速度(X、Y、Z)并通过姿态变换矩阵将载体速度映射到导航坐标系(东、北、天)，并进一步通过位置解算(速度积分)得到载体在导航坐标系中位置变化。INS通过其GPS接收机和导航卫星进行通讯，得到实时的载体在导航坐标系中的运动速度和位置，其中通过GPS得到的载体速度信息和IMU解算得到的载体速度进行组合滤波(卡尔曼滤波、遗忘滤波、神经网络滤波等)使得两者信息相互校准，得到实时、准确的载体速度、位置信息输出。此外，通过解算GPS输出的位置、和速度信息可以得到运动载体的航迹角，能够和陀螺姿态解算得到的载体姿态进行有限度的组合滤波，增加姿态解算的准确性。
由于该惯性测量单元采用了上述任意一实施例提供的MEMS惯性传感器100，因此使得该惯性导航系统1000也具有与MEMS惯性传感器100相应的技术效果，在此不再赘述。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (17)

1.一种MEMS惯性传感器，其特征在于，包括：
衬底；
传感组件，所述传感组件包括MEMS悬浮框架，以及，内嵌于所述MEMS悬浮框架内的MEMS功能结构；
第一支撑臂，所述第一支撑臂分别与所述MEMS悬浮框架和所述衬底固定连接，所述第一支撑臂用于使所述传感组件悬浮于所述衬底上。
2.根据权利要求1所述的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述MEMS惯性传感器还包括固定于所述衬底上并且围绕所述传感组件设置的固定支撑外框，所述MEMS悬浮框架通过所述第一支撑臂与所述固定支撑外框固定连接。
3.根据权利要求2所述的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述衬底上设置有凹槽，所述传感组件的下表面高于所述衬底内凹槽的表面，使得所述传感组件悬浮于所述衬底之上。
4.根据权利要求2所述的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述传感组件的下表面高于所述固定支撑外框的下表面，以使得所述传感组件悬浮于所述衬底之上。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述固定支撑外框上设置有引线接点，所述引线接点通过引线与所述MEMS功能结构电连接。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述MEMS惯性传感器还包括盖板，所述盖板盖合于所述固定支撑外框上，以实现对所述传感组件的密封隔离。
7.根据权利要求6所述的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述固定支撑外框与所述盖板之间设置有绝缘层。
8.根据权利要求2-7中任一项所述的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述固定支撑外框与所述衬底之间设置绝缘层。
9.根据权利要求2-8中任一项所述的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述固定支撑外框和所述衬底之间固定设置有加强支撑外框，所述加强支撑外框的内表面上设置有向所述MEMS惯性传感器的内部进行延伸的加强支撑臂，所述加强支撑臂用于支撑所述MEMS悬浮框架。
10.根据权利要求9所述的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述固定支撑外框和所述加强支撑外框，以及所述第二支撑臂与所述MEMS悬浮框架之间设置有绝缘层。
11.根据权利要求9或10所述的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述加强支撑外框和所述衬底之间设置有绝缘层。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述MEMS功能结构包括固定梳齿和绝缘连接件，所述固定梳齿通过所述绝缘连接件与所述悬浮框架相连接，所述绝缘连接件用于实现所述MEMS悬浮框架和所述固定梳齿之间的电隔离。
13.根据权利要求12所述的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述绝缘连接件上设置有多个应力释放孔。
14.根据权利要求12或13所述的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述MEMS悬浮框架、所述绝缘连接件和所述固定梳齿一体成型，所述绝缘连接件通过热氧化工艺形成。
15.根据权利要求12-14中任一项所述的MEMS惯性传感器，其特征在于，所述MEMS功能结构还包括质量块、支撑梁、可动梳齿，所述质量块通过所述支撑梁内嵌于所述MEMS悬浮框架内，所述可动梳齿连接在所述质量块上，所述可动梳齿和所述固定梳齿平行相间设置。
16.一种惯性测量单元，其特征在于，包括控制电路、温度传感器，以及如所述权利要求1-15中任一项提供的MEMS惯性传感器，所述温度传感器用于探测所述MEMS惯性传感器的温度，所述控制电路用于接收所述MEMS惯性传感器发送的原始测量信号以及所述温度传感器发送的温度信号，并且根据所述温度信号对所述原始测量信号进行矫正，以确定惯性测量结果。
17.一种惯性导航系统，其特征在于，包括导航计算机，以及与所述导航计算机电连接的如权利要求16提供的惯性测量单元，所述导航计算机用于接收所述惯性测量单元发送的惯性测量结果，并且根据所述惯性测量结果确定载体的速度、位置或者姿态中的至少一种。
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