[发明专利]一种微机电六轴惯性传感器

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统领域，涉及一种用于检测三轴角速度和三轴加速度的微机电六轴惯性传感器。

背景技术

三维空间中，把一个几何物体作旋转、平移的运动称之为刚体运动，刚体运动有六个自由度，即沿着三个彼此正交方向的平动和绕着这三个方向的转动。也就是说，六个自由度的信息能够完整地反映刚体的运动状态。

生活中，车辆、船舶等运动物体的导航需要运动物体的位移、方向、速度、姿态等信息，这些信息依靠运动物体上的惯性测量单元(IMU，Inertial Measurement Unit)获得。惯性测量单元包括加速度计和陀螺仪，加速度计用来测量运动物体的线加速度，陀螺仪用来测量运动物体的角加速度或角速度，根据加速度和角加速度信息，通过数据处理可以得到运动物体的位移、方向、速度、姿态等信息。

微机电惯性传感器是指利用微机电制造技术（Micro-Electro-Mechanical Technology）加工而成的，用来测量运动物体加速度、角加速度等惯性参数的微型机电系统(MEMS，Microelectro-mechanical System)，主要包括在硅片上制作微机械加速度计（微机械加速度传感器）、微机械角速度计（微机械陀螺），在汽车导航和控制系统、摄像机消振系统等领域获得广泛应用。微机电惯性传感器的研究始于20世纪70年代，由于微机电惯性传感器具有体积小、功耗低、可靠性高、稳定性好、成本低和易于批量化生产的优点，因此，微机电惯性传感器是惯性传感器领域的研究热点。

微机械加速度传感器是发展比较早、比较成熟的惯性传感器，主要采用质量块产生的惯性力测量加速度，采用压阻式、压电式、电容式和谐振式等原理进行检测。目前，市场上的微机械加速度传感器主要是单轴和三轴的，代表性的产品有美国模拟器件(ADI)公司的ADXL系列微机械电容式加速度传感器。

微机械陀螺仪的研究始于20世纪80年代末期，目前微机械陀螺仪主要采用振动式原理工作，借助科氏(Coriolis)加速度效应测量角加速度或角速度。微机械陀螺仪主要采用静电驱动、电磁驱动、压电驱动等驱动方式实现振子的振动。采用电容检测、压阻检测、压电检测等方式检测哥氏加速度效应。目前，市场上的微机械加速度计主要是单轴，代表性的产品有美国模拟器件(ADI)公司的IMEMS系列陀螺仪。

微机械陀螺、微机械加速度传感器均可以划分为单轴、双轴、三轴，但随着消费类电子功能的日益扩展，传感器应用的逐步普及，在消费电子等领域应用中，为了全面提升应用水平，往往需要六轴微型惯性测量组合（Miniature Inertial Measurement Unit，MIMU）来进行惯性测量，因此，加速度计、陀螺仪的六轴集成是惯性传感器的重要发展方向之一。

目前的微型惯性测量组合产品是以分立元件的组装集成为主，即将分立的三轴加速度和三轴微陀螺器件通过堆叠封装等方式集成，包括美国INvensense公司最新推出的MPU-6500型、意法半导体的LSM330DLC、Bosch的BMI055等六轴MIMU产品。通过封装、组装集成方式，增加了产品的制造难度和成本。

近来，意法半导体实现了一种单片集成微机电六轴惯性传感器，如图1所示，是将三轴微机械加速度传感器和三轴微陀螺制作在同一硅衬底上，但三轴微机械加速度传感器（包括X轴微机械加速度传感器21’、Y轴微机械加速度传感器22’和Z轴微机械加速度传感器23’、）和三轴微陀螺1’是采取并排放置的分离式结构（如图1中双向箭头所示）：微陀螺和微机械加速度传感器的两类传感器的惯性质量中心互相偏离，根据检测得到的角速度数据和加速度数据确定物体的运动状态时会带来相对较大的误差，一定程度上限制了微机电六轴惯性组合解析精度；同时，分离式结构通常为非对称式结构，在抑制封装应力、温度效应及抗冲击性等可靠性特性方面比较不利。另一方面，在有效利用基板面积、减小器件尺寸方面该分离式结构还有进一步提高的空间。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微机电六轴惯性传感器，用于解决现有技术中单片集成微机电六轴惯性传感器的解析精度、可靠性及基板面积利用率亟需提高的问题。