一种具有运动姿态自测功能的MEMS惯性振动系统及制备方法技术方案

本发明专利技术涉及惯性传感器技术领域，具体涉及一种具有运动姿态自测功能的MEMS惯性振动系统及制备方法，包括：惯性振动平台，其以多方向自由度运动，方向与惯性振动平台受到电压激励信号而产生的协同弯曲振动相符；PMUT阵列，以预设间隔阵列分布在惯性振动平台底面，与惯性振动平台底面键合，PMUT阵列包括若干个发射子阵列和若干个接收子阵列，发射子阵列和接收子阵列一一对应，发射子阵列及接收子阵列均包括若干个PMUT单管，若干个PMUT单管相互连接组成发射子阵列或接收子阵列。本发明专利技术的有益技术效果包括：能够对MEMS惯性振动平台进行运动状态自监测，为MEMS惯性传感器的自校准提供参考，简化自校准实现方法。简化自校准实现方法。简化自校准实现方法。

【技术实现步骤摘要】
一种具有运动姿态自测功能的MEMS惯性振动系统及制备方法


[0001]本专利技术涉及惯性传感器
，具体涉及一种具有运动姿态自测功能的MEMS惯性振动系统及制备方法。

技术介绍

[0002]惯性导航系统是随着惯性传感器的发展而发展起来的一门导航技术，其工作时不依赖于卫星信号等其它外部信息，具有完全自主、不受干扰、输出信息量大、输出信息实时性强等优点，因此在导航、制导武器和机器人等众多高精度应用领域占有重要地位。
[0003]基于微机电系统(Micro
‑
Electro
‑
Mechanical System,MEMS)技术的惯性传感器(如加速度计、陀螺仪等)能提供惯性定位所需要的多自由度惯性信息，并且具有成本低、体积小、功耗低以及抗冲击强等优点。因此，针对MEMS惯性传感器的研究对无人系统自主导航技术的快速发展以及满足导航技术日益提升的应用需求有着重要的支撑意义。
[0004]压电微机械超声换能器(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer，PMUT)是一类通过压电材料的正逆压电效应使压电薄膜振动，从而发射或者接收超声波信号的MEMS器件。PMUT的一个特别之处就在于它既可以做执行器(发射声波)，又可以做传感器(接收声波)。这使得PMUT器件从设计到生产、封装、测试、系统化的成本得到极大的降低。除了成本优势以外，PMUT的性能优势也非常凸显。一般而言，执行器和传感器在关键性能指标上是天然互逆的，输出大位移的MEMS执行器很难检测微小振动，而精密的传感类器件如加表陀螺仪无法输出足够大加速度或角速度。而PMUT作为一个标准器件，它的发射和接收性能正好处在一个适中的平衡点上。作为执行器，PMUT发射声压、振动幅度较大，结构简单，设计和工艺难度不高；而作为传感器，其灵敏度、信噪比也不低，给电路和算法带来的挑战也不大。
[0005]然而，目前MEMS惯性传感器面临着长期稳定性的问题，如MEMS加速度计的标度因子会随着工作时间的增长不断漂移，导致MEMS惯性传感器需要不定期地进行再校准，额外增加了工作时间；MEMS陀螺仪的零偏漂移对惯导系统位置误差增长的影响是时间的三次方函数,而高精度的MEMS陀螺仪制造困难,成本也很高。为此，有必要研究能够提高MEMS惯性传感器的精度，同时降低MEMS惯性传感器校准成本的MEMS惯性振动系统。
[0006]如中国专利CN108253952A，公开日2018年7月6日，一种零偏自校准MEMS陀螺仪及其零偏自校准方法。该专利技术根据环陀螺的工作特性，以陀螺的动力学模型为基础，给出驱动模态和检测模态反转前后两种工作模式下零偏的变化规律，通过信号处理电路控制环陀螺在两种工作模式间切换；对相邻两种工作模式下的检测信号做差，最终实现MEMS环陀螺的零偏在线自校准，解决了现有MEMS陀螺仪零偏重复性相对较差、校准成本高的技术问题。但其技术方案并没有解决MEMS惯性传感器自校准方法复杂、无法对MEMS惯性振动平台高分辨率的运动状态进行监测的技术问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题：目前MEMS惯性传感器存在自校准困难的技术问题，提出了一种具有运动姿态自测功能的MEMS惯性振动系统及制备方法，能够对MEMS惯性振动平台进行运动状态自监测，为MEMS惯性传感器的自校准提供参考，简化自校准实现方法。
[0008]解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种具有运动姿态自测功能的MEMS惯性振动系统，用于为MEMS惯性传感器的自校准提供参考，包括：
[0009]惯性振动平台，其以多方向自由度运动，所述方向与惯性振动平台受到电压激励信号而产生的协同弯曲振动相符；
[0010]PMUT阵列，以预设间隔阵列分布在惯性振动平台底面，与惯性振动平台底面键合，所述PMUT阵列包括若干个发射子阵列和若干个接收子阵列，发射子阵列和接收子阵列一一对应，所述发射子阵列及接收子阵列均包括若干个PMUT单管，若干个所述PMUT单管相互连接组成发射子阵列或接收子阵列。
[0011]作为优选，所述惯性振动平台包括衬底Ⅰ、下电极层、压电层Ⅰ、上电极层、隔离层、顶层走线层、中心台面以及四条折叠梁，所述衬底Ⅰ背面设有惯性振动平台运动所需的空腔结构，所述中心台面以及四条折叠梁均设在衬底Ⅰ中，所述中心台面固定安装于衬底Ⅰ中部，所述折叠梁呈对称式分布，所述折叠梁一侧与中心台面的四个侧面连接，另一侧与衬底Ⅰ连接，所述衬底Ⅰ上依次设有下电极层、压电层Ⅰ、上电极层、隔离层以及顶层走线层，所述顶层走线层加工形成与上电极层连接的激励走线以及MEMS惯性传感器的通信走线。
[0012]作为优选，所述上电极层加工形成四个分区驱动电极，四个所述分区驱动电极分别位于四条折叠梁上，所述隔离层在分区驱动电极的位置设有若干个通孔Ⅰ，所述激励走线通过通孔Ⅰ与上电极层的分区驱动电极连接。
[0013]作为优选，所述PMUT单管包括衬底Ⅱ、底电极层、压电层Ⅱ以及顶电极层，所述底电极层、压电层Ⅱ以及顶电极层依次设置在所述衬底Ⅱ上。
[0014]作为优选，所述PMUT单管包括种子层，所述种子层位于衬底Ⅱ与底电极层之间，种子层的材料与压电层Ⅱ的材料一致。
[0015]作为优选，所述衬底Ⅱ包括顶硅层、埋氧层以及底硅层，所述埋氧层以及顶硅层依次设置在所述底硅层上，所述PMUT单管为圆形振膜结构，所述底硅层上设有圆孔式振动腔。
[0016]作为优选，所述压电层Ⅱ呈圆形且直径等于振动腔的直径，所述顶电极层呈圆形且直径小于所述振动腔的直径。
[0017]作为优选，所述PMUT单管上设有若干个通孔Ⅱ，若干个所述通孔Ⅱ设置在顶电极层与压电层Ⅱ形成的圆环上并位于顶电极层与底硅层之间。
[0018]作为优选，所述惯性振动平台上设有若干个用于释放竖直运动时产生的压膜阻尼以及水平运动时产生的滑膜阻尼的阻尼槽。
[0019]一种如前述的一种具有运动姿态自测功能的MEMS惯性振动系统的制备方法，包括以下步骤：
[0020]在衬底Ⅰ上淀积形成惯性振动平台的下电极层；
[0021]在下电极层上淀积形成惯性振动平台的压电层Ⅰ；
[0022]在压电层Ⅰ上淀积形成惯性振动平台的上电极层，刻蚀上电极层，形成四个分区驱动电极；
[0023]在上电极层上常温生长一层二氧化硅作为隔离层，隔离层在分区驱动电极的位置开设若干个通孔Ⅰ；
[0024]在隔离层上淀积形成惯性振动平台的顶层走线层，刻蚀顶层走线层，形成激励走线以及MEMS惯性传感器的通信走线，所述激励走线通过通孔Ⅰ与上电极层连接；
[0025]在衬底Ⅰ背面刻蚀形成惯性振动平台运动所需的空腔结构，并从衬底Ⅰ正面刻蚀至底面形成惯性振动平台结构；
[0026]在衬底Ⅱ上淀积形成PMUT单管的底电极层；
[0027]在底电极层上淀积形成PMUT单管的压电层Ⅱ；
[0028]在压电层Ⅱ上淀积形成PMU本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有运动姿态自测功能的MEMS惯性振动系统，用于为MEMS惯性传感器的自校准提供参考，其特征在于，包括：惯性振动平台，其以多方向自由度运动，所述方向与惯性振动平台受到电压激励信号而产生的协同弯曲振动相符；PMUT阵列，以预设间隔阵列分布在惯性振动平台底面，与惯性振动平台底面键合，所述PMUT阵列包括若干个发射子阵列和若干个接收子阵列，发射子阵列和接收子阵列一一对应，所述发射子阵列及接收子阵列均包括若干个PMUT单管，若干个所述PMUT单管相互连接组成发射子阵列或接收子阵列。2.如权利要求1所述的一种具有运动姿态自测功能的MEMS惯性振动系统，其特征在于，所述惯性振动平台包括衬底Ⅰ、下电极层、压电层Ⅰ、上电极层、隔离层、顶层走线层、中心台面以及四条折叠梁，所述衬底Ⅰ背面设有惯性振动平台运动所需的空腔结构，所述中心台面以及四条折叠梁均设在衬底Ⅰ中，所述中心台面固定安装于衬底Ⅰ中部，所述折叠梁呈对称式分布，所述折叠梁一侧与中心台面的四个侧面连接，另一侧与衬底Ⅰ连接，所述衬底Ⅰ上依次设有下电极层、压电层Ⅰ、上电极层、隔离层以及顶层走线层，所述顶层走线层加工形成与上电极层连接的激励走线以及MEMS惯性传感器的通信走线。3.如权利要求2所述的一种具有运动姿态自测功能的MEMS惯性振动系统，其特征在于，所述上电极层加工形成四个分区驱动电极，四个所述分区驱动电极分别位于四条折叠梁上，所述隔离层在分区驱动电极的位置设有若干个通孔Ⅰ，所述激励走线通过通孔Ⅰ与上电极层的分区驱动电极连接。4.如权利要求1所述的一种具有运动姿态自测功能的MEMS惯性振动系统，其特征在于，所述PMUT单管包括衬底Ⅱ、底电极层、压电层Ⅱ以及顶电极层，所述底电极层、压电层Ⅱ以及顶电极层依次设置在所述衬底Ⅱ上。5.如权利要求4所述的一种具有运动姿态自测功能的MEMS惯性振动系统，其特征在于，所述PMUT单管包括种子层，所述种子层位于衬底Ⅱ与底电极层之间，种子层的材料与压电层Ⅱ的材料一致。6.如权利要求5所述的一种具有运动...

【专利技术属性】
技术研发人员：董林玺，邢运宏，俞挺，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：