[发明专利]一种基于抗磁体悬浮的MEMS惯性传感器

说明书

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。

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；