[发明专利]一种全对称的MEMS全硅摆式加速度计及惯性导航系统

说明书

本发明属于加速度计领域，涉及一种全对称的MEMS全硅摆式加速度计及惯性导航系统。加速度计为上下对称结构，包括：底支撑硅层、中间硅层、顶支撑硅层，以及介于中间硅层与底支撑硅层的底层隔离硅层，介于中间硅层与和顶支撑硅层之间的顶层隔离硅层；各硅层通过硅硅键合方式固连，通过氧化绝缘层进行电气绝缘；底支撑硅层和顶支撑硅层结构相同且镜像对称的硅层，底层隔离硅层和顶层隔离硅层结构相同且镜像对称的隔离硅层；隔离硅层用于隔离中间硅层和硅层之间的寄生电容，底支撑硅层、底层隔离硅层、顶层隔离硅层和顶支撑硅层都为中心对称结构；中间硅层沿自身的两个弹性梁的中垂线对称。

技术领域

本发明属于加速度计领域，涉及一种全对称的MEMS全硅摆式加速 度计及惯性导航系统。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System，微机电系统)器件是一种 微纳器件，主要包括传感器和执行器，在航空航天领域、国防科技领域、 工业生产领域和日常生活等领域发挥重要的作用。

高精度MEMS加速度计凭借其在体积、成本、功耗，以及可靠性等 方面的优势，在工业及军事领域有着广泛的应用需求。目前，主要应用于 振动监测、微重力测量、惯性导航、地震波检测重要领域。高精度MEMS 加速度计按照检测原理可以大致分为电容式、隧道电流式和谐振式三大 类。其中电容式MEMS高精度加速度计由于其拥有较高的灵敏度、稳定 的直流特性、低噪声、低温漂、低功耗等诸多优点，因而是一种极具潜力 的MEMS高精度加速度计解决方案。

三明治结构的差分电容式加速度计是一种常见的电容硅微加速度计， 常见采用三明治结构的差分电容式MEMS高精度加速度计中间硅层多采 用单硅层片结构，即多为摆式结构。该类结构常采用阳极键合和硅硅键合 两类技术进行封装：由于阳极键合本身存在电压影响、键合应力、材料失 配应力以及离子污染等问题，在高精度加计产品制备过程中，存在很多难 题。硅硅键合技术由于是同种材料键合，且键合不需要施加电压，因此有 诸如温度性能好、产品一致性好、长期稳定性好等优势。

硅硅键合采用亲水键合工艺将三个硅片键合在一起，各层之间采用氧 化层进行绝缘，分别形成硅微加计的上电极、中间硅层和下电极。但是采 用这种方法制备方式制备MEMS加速度计的电容由有效电容和寄生电容 两部分组成，寄生由氧化层厚度和刻蚀面积决定，通常由于氧化层厚度波 动、线宽尺寸等波动，造成寄生电容不一致，进而影响两侧电容的对称性， 影响硅微加计的性能。除此之外由于结构上的非对称设计，造成加工过程 中(如键合应力导致的圆片翘曲)内应力不对称，无法实现对等抵消，尤 其是在随温度变化时，不对称结构因为热膨胀产生的伸缩量不一样，进而 产生不对称的偏移量，影响硅微加计两侧电容大小，影响硅微加计的性能。

针对以上寄生电容不对称的问题，采用寄生电容隔离技术，将寄生电 容与有效电容分离，进而通过寄生电容接地，消除寄生电容带来的影响， 提升MEMS加速度计的精度、稳定性和可靠性。针对结构不对称，通常 是尽可能寻求对称设计，但是往往受设计自身的限制，以及加工工艺的限 制，很难做到完全对称。

发明内容

本发明的目的是：设计一种全对称的MEMS全硅摆式加速度计及惯 性导航系统，采用硅硅键合技术实现各层之间的连接，采用隔离硅层消除 寄生电容，同时将底支撑硅层、顶支撑硅层以及隔离硅层实现对称设计， 可以使影响两侧电容变化因素相互抵消，该类型硅微加速度计具有优良的 长期稳定性和及其优异的温度性能。

本发明提供一种全对称的MEMS全硅摆式加速度计，为上下对称结 构，包括：底支撑硅层、中间硅层、顶支撑硅层，以及介于中间硅层与底 支撑硅层的底层隔离硅层，介于中间硅层与和顶支撑硅层之间的顶层隔离 硅层；各硅层通过硅硅键合方式固连，通过氧化绝缘层进行电气绝缘；

底支撑硅层和顶支撑硅层结构相同且镜像对称的硅层，底层隔离硅层 和顶层隔离硅层结构相同且镜像对称的隔离硅层；

隔离硅层用于隔离中间硅层和硅层之间的寄生电容，