一种高集成度MEMS相对重力仪制造技术

本发明专利技术公开了一种高集成度MEMS相对重力仪，集成有重力敏感单元、温度传感单元、加热电阻、面外倾斜传感单元、面内倾斜传感单元、气压传感单元和振动传感单元；温度传感单元感知MEMS相对重力仪的温度变化；加热电阻对重力敏感单元进行加热，实现对重力敏感单元的温度控制；面外倾斜传感单元敏感重力敏感单元面外倾斜大小；面内倾斜传感单元敏感重力敏感单元面内倾斜大小；气压传感单元感知气压变化，辅助气压控制或实现气压效应扣除；振动传感单元感知环境振动，并辅助隔振或实现振动信号扣除。本发明专利技术利用微加工精度实现重力敏感单元与倾斜传感单元的敏感方向精确控制，有利于减小额外装夹部件、降低方向控制难度、提高控制精度。提高控制精度。提高控制精度。

【技术实现步骤摘要】
一种高集成度MEMS相对重力仪


[0001]本专利技术属于仪器仪表
，更具体地，涉及一种高集成度MEMS相对重力仪。

技术介绍

[0002]地球重力场是近地空间最基本的物理场之一，综合反映了地球的物质分布及其随时间和空间的变化，是大地测量学、固体地球物理学和海洋学中不可缺少的重要信息源。地球重力场的精确测量对区域重力研究和重力填图、油气及矿藏勘探、重力辅助导航、地下水与环境研究、火山学研究以及城市塌陷区等地质灾害研究有着重要意义。重力仪是实现精密重力测量的仪器，通常包含重力敏感单元，温度控制与补偿系统、倾斜控制与补偿系统、气压控制系统等。高灵敏度的需求与复杂的系统组成使得重力仪尺寸比较大，价格比较昂贵，在深井重力测量、单兵携带重力测量等对尺寸、重量要求比较高或布置高密度重力测点等对成本比较敏感的应用场合难以满足需求。
[0003]为实现高灵敏度、高稳定性重力测量，重力仪既包括了实现重力传感的重力敏感单元，又包括温度、气压、倾斜等环境扰动抑制系统。为降低成本，减小尺寸，格拉斯哥大学率先利用MEMS技术制作硅基重力仪芯片，实现地球重力潮汐的观测，验证了MEMS技术在精密重力测量领域的应用潜力(Nature 531，614
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617，2016)。其后国内外研究者相继开展相关研究工作，包括CN107092038B、Microsystems&Nanoengineering，5(60)，2019、Microsystems&nanoengineering，2019，5(1)，1
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11等。尽管这些研究成果成功降低了重力敏感单元的尺寸和成本，但温控、倾斜控制等其他构件仍然采用传统机加工的商业化部件，仪器整体尺寸和成本相较于典型商业化重力仪没有显著改善。此外，采用分离元器件还存在温度计敏感温度与重力敏感单元芯片温度之间的差异、倾斜仪与重力敏感单元方向对齐带来的安装困难等。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种高集成度MEMS相对重力仪，旨在解决现有MEMS重力仪环境扰动抑制系统的集成度低、精度低、尺寸大以及成本高的技术问题。
[0005]本专利技术提供了一种高集成度MEMS相对重力仪，MEMS相对重力仪集成有重力敏感单元、温度传感单元、加热电阻、面外倾斜传感单元、面内倾斜传感单元、气压传感单元和振动传感单元；温度传感单元用于感知所述MEMS相对重力仪的温度变化；加热电阻用于对重力敏感单元进行加热，实现对所述重力敏感单元的温度控制；面外倾斜传感单元用于敏感所述重力敏感单元面外倾斜大小；面内倾斜传感单元用于敏感所述重力敏感单元面内倾斜大小；气压传感单元用于感知气压变化，辅助气压控制或实现气压效应扣除；振动传感单元用于感知环境振动，并辅助隔振或实现振动信号扣除。
[0006]本专利技术可以实现MEMS重力仪整机微型化，以提高仪器稳定性、满足深井重力测量、单兵携带重力测量等对尺寸和重量要求比较高或布置高密度重力测点等对成本比较敏感
的应用场合需求。
[0007]更进一步地，重力敏感单元敏感结构为弹簧
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振子结构或准零刚度结构；所述重力敏感单元在硅衬底上采用体硅工艺或者SOI工艺加工而成。其中，用于制作所述重力敏感单元的硅结构厚度为50μm～1000μm。
[0008]更进一步地，温度传感单元采用电阻率随温度改变的材料制作。其中，制作温度传感单元的材料可以为钛、金或铂。温度传感单元可以以薄膜形式集成在所述重力敏感单元表面。
[0009]更进一步地，面外倾斜传感单元与面内倾斜传感单元均为敏感轴在水平面内的MEMS加速度计，且面外倾斜传感单元与所述面内倾斜传感单元互相垂直。
[0010]更进一步地，气压传感单元通过沉积钛或金金属薄膜线组制作皮拉尼计，并利用不同气压下通电薄膜电阻对流换热改变带来的温度变化监测气压。
[0011]更进一步地，振动传感单元为敏感轴方向沿重力方向的加速度传感器。
[0012]通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：
[0013](1)除了重力敏感单元采用MEMS技术制作外，温度、气压、倾斜等环境影响抑制模块也采用MEMS技术制作，缩小整个重力仪系统的尺寸，降低成本，对现有商业重力仪在尺寸、成本上展现了显著优势。
[0014](2)单芯片集成重力、倾斜、温度、倾斜传感单元及温控执行机，有如下好处：(a)利用微加工精度实现重力敏感单元与倾斜传感单元的敏感方向精确控制，有利于减小额外装夹部件、降低方向控制难度、提高控制精度。(b)相较于重力敏感单元与独立的温度传感单元组合应用，重力敏感单元和温度传感单元集成在同一芯片有利于减小温度传感单元敏感到的温度与重力敏感单元的实际温度的差异，提高温度效应抑制精度。(c)温控执行机与重力敏感单元集成在同一芯片有利于增大温控带宽，对更快的温度变化响应。(d)气压传感单元的集成便于精确反应系统内部气压变化，避免分立器件位置安装固有限制引起的气压监测差异，便于扣除气压变化影响，从而提高仪器检测精度。
附图说明
[0015]图1是本专利技术实施例提供的高集成度MEMS相对重力仪示意图。
[0016]图2是本专利技术实施例提供的高集成度MEMS相对重力仪加工方法实施例，需注意的是，本例用于说明本专利技术可行性，非本专利技术保护的加工方案。
[0017]附图标号含义分别如下：1为重力敏感单元，2为温度传感单元，3为面外倾斜传感单元，4为面外倾斜传感单元，5为面内倾斜传感单元，6为气压传感单元，7为振动传感单元，8为二氧化硅，9为硅，10为金属层(典型：钛、金)，11为湿法腐蚀弹簧，12为深硅刻蚀弹簧。
具体实施方式
[0018]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0019]本专利技术提供了一种单芯片集成相对重力仪系统；除重力敏感单元外，温度传感与控制单元、气压传感单元、倾斜传感单元均采用微加工方法在同一芯片上集成，从而显著减
小相对重力仪系统尺寸、降低成本，获得微型化重力仪。
[0020]图1示出了本专利技术实施例提供的单芯片集成相对重力仪系统的结构，该芯片集成重力敏感单元1、温度传感单元2、加热电阻3、面外倾斜传感单元4、面内倾斜传感单元5、气压传感单元6、振动传感单元7中的一种或多种传感器或执行机；其中，温度传感单元2采用钛、金等电阻率随温度变化的材料制作，以薄膜形式集成在重力传感单元表面；此外，还采用相同材料制作薄膜加热线组用以实现片内集成温度控制；面外倾斜传感单元4和面内倾斜传感单元5均为敏感轴在水平面内的MEMS加速度计，且二者互相垂直，可采用弹簧式或谐振式等形式；气压传感单元6通过沉积钛、金等金属薄膜线组制作皮拉尼计，利用不同气压下通电薄膜电阻对流换热改变带来的温度变化监测气压；振动传感单元本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高集成度MEMS相对重力仪，其特征在于，所述MEMS相对重力仪集成有重力敏感单元(1)、温度传感单元(2)、加热电阻(3)、面外倾斜传感单元(4)、面内倾斜传感单元(5)、气压传感单元(6)和振动传感单元(7)；所述温度传感单元(2)用于感知所述MEMS相对重力仪的温度变化；所述加热电阻(3)用于对所述重力敏感单元(1)进行加热，实现对所述重力敏感单元(1)的温度控制；所述面外倾斜传感单元(4)用于敏感所述重力敏感单元(1)面外倾斜大小；所述面内倾斜传感单元(5)用于敏感所述重力敏感单元(1)面内倾斜大小；所述气压传感单元(6)用于感知气压变化，辅助气压控制或实现气压效应扣除；所述振动传感单元(7)用于感知环境振动，并辅助隔振或实现振动信号扣除。2.如权利要求1所述的MEMS相对重力仪，其特征在于，所述重力敏感单元(1)敏感结构为弹簧
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振子结构或准零刚度结构；所述重力敏感单元(1)在硅衬底上采用体硅工艺或者SOI工艺加工而成。3.如权利要求2所述的MEMS相对重力仪，其特征在于，用于制作所述重...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍文杰，李方正，蔡冰洋，方偲媛，彭茂军，涂良成，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：