CN117870726A - 一种带锁止功能的mems惯性振动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带锁止功能的MEMS惯性振动平台。本发明包括压电振动台和静电锁止台。所述压电振动台为中心对称结构，包括支撑框、中心台面、L型梁以及传感器接口，所述传感器接口位于所述中心台面上表面，所述中心台面通过L型梁与支撑框直接接触；所述静电锁止台为中心对称结构，包括锁止凸台、限位器以及绝缘衬底，所述锁止凸台略大于压电振动台中心台面的长方体，所述限位器位于所述锁止凸台上表面，环绕整个锁止凸台；所述绝缘衬底位于锁止凸台下方，并与锁止凸台直接相连。本发明能够有效地提高MEMS惯性传感器的长期稳定性和测量准确性，降低校准过程的复杂性和成本，为多自由度惯性信息的准确采集提供了可靠的技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS惯性传感器件性能校准技术领域，更具体地说，涉及一种带锁止功能的MEMS惯性振动平台。
背景技术
基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术的惯性传感器能够提供多自由度惯性信息，在许多领域具有广泛的应用，包括惯性导航、精密仪器、生物医学等。但MEMS惯性传感器面临着长期稳定性的问题，当其发生性能变化，如比例因子漂移、灵敏度随时间退化等，MEMS惯性传感器采集到的振动数据等多自由度惯性信息会产生很大的检测误差，此时便需要重新校准MEMS惯性传感器。
由于MEMS惯性振动平台可以控制微小尺度下的振动和运动，一般通过对MEMS惯性振动平台产生的惯性信号进行自测，实现MEMS惯性传感器的校准。然而，把正在使用中的MEMS惯性传感器拆下进行一个个校准后还需要再次安装拆卸的传感器，既费时又费力、成本较高；但若把惯性传感器集成在MEMS惯性振动平台一同使用，惯性传感器处于半浮空状态并且由于外部振动噪声的耦合会导致惯性传感器输出性能下降；本发明设计的带锁止功能的MEMS惯性振动平台便是解决方法之一，本发明针对MEMS惯性传感器长期稳定性问题提出了创新的解决方案，通过设计一种带锁止功能的MEMS惯性振动平台，可以在校准模式和测量模式间切换，以解决传感器校准所带来的不便和稳定性问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种带锁止功能的MEMS惯性振动平台，拥有校准模式和测量模式两种工作模式，以实现MEMS惯性传感器校准的同时不会影响后续MEMS惯性传感器的使用，解决MEMS惯性传感器件所面临的长期稳定性问题，并降低校准成本。
本发明采用以下技术方案：
本发明包括压电振动台和静电锁止台。
所述压电振动台为中心对称结构，包括支撑框、中心台面、L型梁以及传感器接口，所述传感器接口位于所述中心台面上表面，所述中心台面通过L型梁与支撑框直接接触；
所述静电锁止台为中心对称结构，包括锁止凸台、限位器以及绝缘衬底，所述锁止凸台略大于压电振动台中心台面的长方体，所述限位器位于所述锁止凸台上表面，环绕整个锁止凸台；所述绝缘衬底位于锁止凸台下方，并与锁止凸台直接相连。
在一些实施例中，所述中心台面位于压电振动台中心位置，为正方形。所述L型梁有四条，L型梁为中心台面往外的延伸，作为支撑和弹性结构，环绕整个中心台面；所述支撑框与L型梁相连作为整个压电振动台的固定支撑结构，并与下方的静电锁止台进行键合固定为整体。
进一步，所述传感器接口数量为二十个，呈正方形分布并环绕整个中心台面，并与上方外置的MEMS惯性传感器件集成为整体。
在一些实施例中，所述的限位器有四个，四个限位器位于压电振动台四条L型梁与中心台面间隙在静电锁止台的垂直投影处，用于完成压电振动台中心台面的完全锁止。
在一些实施例中，所述绝缘衬底为略大于压电振动台的长方体，并与上方压电振动台进行键合固定为整体。
本发明设计了一种带锁止功能的MEMS惯性振动平台，对MEMS惯性振动平台的设计和应用提供了一种解决方案，能够有效地提高MEMS惯性传感器的长期稳定性和测量准确性，降低了校准过程的复杂性和成本，为多自由度惯性信息的准确采集提供了可靠的技术支持。具备以下有益效果：
1、该带锁止功能的MEMS惯性振动平台，通过静电锁止台的设计，使得测量模式下集成的MEMS惯性传感器处于锁止状态，有效避免外部振动噪声对MEMS惯性传感器输出性能的影响。这样的锁止功能可以确保在测量阶段MEMS惯性传感器性能不受干扰，提供准确的、低噪声的惯性信息输出。
2、该带锁止功能的MEMS惯性振动平台，通过集成MEMS惯性传感器，使其能够直接对振动台输出的标准加速度进行自测和校准。这种集成设计避免了频繁拆卸传感器的过程并能够在不影响MEMS惯性传感器正常使用的情况下进行校准，大幅降低了传感器重新安装校准的成本和时间消耗，同时提高了整个系统的可靠性。
3、该带锁止功能的MEMS惯性振动平台，可以使MEMS惯性振动平台在校准完成后轻松切换到测量模式。这种灵活性保证了传感器在需要时能够正常测量惯性信息，而在校准时又能自动进行闭环校准，保持长期稳定性。
附图说明
图1为带锁止功能的MEMS惯性振动平台结构示意图；
图2为带锁止功能的MEMS惯性振动平台剖面示意图；
图3为带锁止功能的MEMS惯性振动平台制备工艺图；
图4为压电振动台示意与工作原理图；
图5为静电锁止台示意与工作原理图；
图6为带锁止功能的MEMS惯性振动平台使用流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。
图1和图2表示了一种带锁止功能的MEMS惯性振动平台结构带锁止功能的MEMS惯性振动平台由压电振动台和静电锁止台组成。
本示例中的压电振动台设计为中心对称结构，传感器接口4位于中心台面2上表面，中心台面2位于压电振动台中心位置，设计为正方形，通过L型梁3与支撑框直接接触。四条L型梁3为中心台面2往外的延伸，作为支撑和弹性结构，环绕整个中心台面2。支撑框1与四条L型梁3相连作为整个压电振动台的固定支撑结构，并与下方静电锁止台的绝缘衬底7进行键合固定为整体。二十个传感器接口4呈正方形分布并环绕整个中心台面2，并与上方外置的MEMS惯性传感器件集成为整体。
本示例中的静电锁止台也设计为中心对称结构，锁止凸台5设计为略大于压电振动台中心台面2的长方体，四个限位器6位于锁止凸台5上表面，环绕整个锁止凸台5。绝缘衬底7为略大于压电振动台支撑框1的长方体，与锁止凸台5下表面直接相连，与上方压电振动台的支撑框1键合固定为整体。四个限位器6位于压电振动台四条L型梁3与中心台面2的间隙在静电锁止台的垂直投影处，完成压电振动台中心台面2的完全锁止的同时使得集成的MEMS惯性传感器处于锁止状态，其中锁止凸台顶层材料为二氧化硅、中间层材料为金、底层材料为硅，四个限位器材料为二氧化硅，绝缘衬底材料为硅。
本申请实施例还提供了带锁止功能的MEMS惯性振动平台制备工艺，见图3，带锁止功能的MEMS惯性振动平台制备工艺包括以下步骤：
步骤(a)、在SOI硅片上，先沉积一层约400nm的低阻硅并氧化生成二氧化硅薄膜，再沉积一层约100nm的金属Pt薄膜形成底部电极，在该金属层上通过多腔体PVD磁控溅射沉积一层约1μm的PZT薄膜，最后再沉积一层约100nm的金属Pt薄膜形成顶部电极。
步骤(b)、图形化并刻蚀顶部电极的100nm金属Pt，形成L型梁的驱动电极。
步骤(c)、通过原子层沉积(Atomic Layer Deposition,ALD)常温生长一层致密的二氧化硅薄膜隔绝顶部金属Au与顶部电极金属Pt的电气连接，图形化二氧化硅，刻蚀SiO2形成与顶部电极金属Pt相连接的二氧化硅通孔，图形化PZT，刻蚀PZT形成与底部电极金属Pt相连接的二氧化硅-PZT通孔。
步骤(d)、在二氧化硅层薄膜表面，溅射一层金属Au后通过金属剥离工艺(MetalLift-off Technology)刻蚀图形化，通过二氧化硅通孔与顶部电极的金属Pt相连，通过二氧化硅-PZT通孔与底部电极的金属Pt相连。
步骤(e)、正面湿法刻蚀PZT薄膜，离子束刻蚀(Ion Beam Etching，IBE)金属Pt与二氧化硅薄膜，干法刻蚀低阻硅，完成正面结构释放。
步骤(f)、背面反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching,RIE)二氧化硅薄膜与硅，完成背面空腔的释放。
至此，完成了压电振动台的制备。
步骤(g)、准备第二块硅片，反应离子刻蚀硅，并溅射一层金属Au。
步骤(h)、在第二块硅片上通过原子层沉积常温生长一层致密的二氧化硅薄膜，图形化并反应离子刻蚀二氧化硅薄膜形成限位器结构。
至此，完成了静电锁止台的制备。
步骤(i)、通过硅-硅直接键合工艺将制备完成的压电振动台背面与静电锁止台正面对准键合。
至此，完成了一种带锁止功能的MEMS惯性振动平台的制备。
图4为压电振动台示意与工作原理图，压电振动台由自下而上可以分为支撑层、底部电极、压电薄膜和顶部电极，其中支撑层材料为硅、底部电极和顶部电极材料为金属铂(Pt)、压电薄膜材料为锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)。本实施例中的压电振动台工作原理是基于压电材料(PZT)的逆压电效应，以此实现机械能和电能彼此的转换。具体地：当一定的交变电场施加在压电振动台的顶部电极和底部电极之间时，逆压电效应产生的横向应力迫使压电薄膜弯曲。因此，压电振动台通过逆压电效应将电势转化为压电薄膜的振动，即四条L型梁的协同弯曲振动，从而带动中心台面的多自由度机械运动，为集成于压电振动台的MEMS惯性传感器件提供标准加速度。利用集成的MEMS惯性传感器件对压电振动台输出的标准惯性量进行自测，通过对比MEMS惯性传感器自身输出，从而实现对MEMS惯性传感器的闭环自校准，以此解决MEMS惯性传感器件所面临的长期稳定性问题。
图5为静电锁止台示意与工作原理图，压电振动台中心台面底层材料为低阻硅，底部电极金属Pt接地时压电振动台中心台面下表面也为接地，在静电锁止台的锁止凸台上表面施加电压可以产生静电力：
其中，e0＝8.854×10-12F/m是空气的介电常数，V是施加的电压，A是压电振动台中心台面与静电锁止台锁止凸台的重叠区域面积，d是压电振动台中心台面下表面与静电锁止台锁止凸台上表面的间距。
上述静电力会将压电振动台中心台面吸附到静电锁止台的锁止凸台上表面，并与锁止凸台上表面的四个限位器接触。此时MEMS惯性传感器处于锁止状态，可以正常测量惯性信息并且避免由于外部振动噪声耦合导致惯性传感器输出性能的下降。限位器与锁止凸台上表面材料为二氧化硅，可以防止静电锁止台的锁止凸台上表面与压电振动台的中心台面下表面接触时表面发生粘连、破坏MEMS惯性振动平台结构。
图6为带锁止功能的MEMS惯性振动平台流程图，带锁止功能的MEMS惯性振动平台首先集成MEMS惯性传感器，然后进入校准模式：使用交变的电源信号激励压电振动台，带动压电振动台中心台面的多自由度机械运动，集成的MEMS惯性传感器件对压电振动台产生的标准加速度进行自测，实现MEMS惯性传感器的闭环自校准，完成校准。接着振动平台切换到测量模式：使用直流电源信号激励静电锁止台，静电锁止台产生的静电力将压电振动台中心台面吸附到静电锁止台的锁止凸台上表面，从而使集成的MEMS惯性传感器处于锁止状态，此时可以开始测量需要检测的惯性信息，并实现准确的、校准的、低噪声干扰的输出。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (5)
1.一种带锁止功能的MEMS惯性振动平台，包括压电振动台和静电锁止台，其特征在于：
所述压电振动台为中心对称结构，包括支撑框、中心台面、L型梁以及传感器接口，所述传感器接口位于所述中心台面上表面，所述中心台面通过L型梁与支撑框直接接触；
所述静电锁止台为中心对称结构，包括锁止凸台、限位器以及绝缘衬底，所述锁止凸台略大于压电振动台中心台面的长方体，所述限位器位于所述锁止凸台上表面，环绕整个锁止凸台；所述绝缘衬底位于锁止凸台下方，并与锁止凸台直接相连。
2.根据权利要求1所述的一种带锁止功能的MEMS惯性振动平台，其特征在于：所述中心台面位于压电振动台中心位置，为正方形；所述L型梁有四条，L型梁为中心台面往外的延伸，作为支撑和弹性结构，环绕整个中心台面；所述支撑框与L型梁相连作为整个压电振动台的固定支撑结构，并与下方的静电锁止台进行键合固定为整体。
3.根据权利要求1或2所述的一种带锁止功能的MEMS惯性振动平台，其特征在于：所述传感器接口数量为二十个，呈正方形分布并环绕整个中心台面，并与上方外置的MEMS惯性传感器件集成为整体。
4.根据权利要求2所述的一种带锁止功能的MEMS惯性振动平台，其特征在于：所述的限位器有四个，四个限位器位于压电振动台四条L型梁与中心台面间隙在静电锁止台的垂直投影处，用于完成压电振动台中心台面的完全锁止。
5.根据权利要求1或4所述的一种带锁止功能的MEMS惯性振动平台，其特征在于：所述绝缘衬底为略大于压电振动台的长方体，并与上方压电振动台进行键合固定为整体。
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