[发明专利]一种小型化耐高过载数字式MEMS陀螺仪传感器

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种小型化耐高过载数字式MEMS陀螺仪传感器，属于电子技术领域。

背景技术

陀螺仪是导航和姿态测量系统中的核心传感器。陀螺仪的种类很多，技术较为成熟的有传统机械陀螺仪、光纤陀螺仪等。MEMS( Micro Electro-Mechanical System微机电系统) 陀螺仪作为MEMS传感器的一种，因其尺寸小易于集成，抗高过载，成本较低，越来越广泛的应用于中低精度的导航和姿态测量系统中。MEMS 陀螺仪传感器主要有两部分组成：MEMS敏感结构和MEMS敏感结构的信号处理电路。其性能主要受MEMS敏感结构的设计和工艺加工水平、信号处理电路性能、组封装设计和工艺水平、信号处理电路电参数配置等几方面的影响。传统MEMS 陀螺仪多采用模拟ASIC电路作为相应的信号处理电路，电路体积较大，抗干扰和抗高过载能力均较弱，且电路调试繁琐，在工作温度范围内受温度变化影响剧烈，不易实现高可靠性的小型化集成和产业化生产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种小型化耐高过载数字式MEMS陀螺仪传感器，使陀螺仪的尺寸大大缩小，组装简便。

为解决上述技术问题，本发明提供一种小型化耐高过载数字式MEMS陀螺仪传感器，其特征是，在LTCC基板上，将MEMS 陀螺仪敏感结构和信号处理电路组装于基板之上并通过金丝键合完成MEMS陀螺敏感结构与信号处理电路的电气连接，最后通过平行封焊形成气密性封装。

信号处理电路采用SPI通信协议与外部通信。

信号处理电路匹配谐振频率在2kHz～30kHz范围内的MEMS 陀螺敏感结构。

信号处理电路对MEMS 陀螺敏感结构进行驱动、敏感信号检测、C/V转换、温度补偿并在完成配置参数在信号处理电路的下载后输出数字信号。

信号处理电路内的驱动环路产生与MEMS 陀螺敏感结构谐振频率相同的驱动信号，在驱动检测端检测MEMS 陀螺敏感结构的输出信号，通过驱动控制模块内的带通滤波器和自动幅值控制对MEMS 陀螺敏感结构谐振频率的锁相和驱动信号的稳幅。

本发明所达到的有益效果：

本发明中的小型化耐高过载数字式MEMS 陀螺仪传感器采用一种新型的MEMS 敏感结构和数字式信号处理电路，并通过基于LTCC（低温共烧陶瓷）材料制作的封装基板将二者组装起来，大大缩小了陀螺仪的尺寸，并可通过计算机软件实现对陀螺仪信号处理电路的调试配置和参数的下载烧写，提高了陀螺仪的调试效率。

附图说明

图1是MEMS 陀螺仪敏感结构；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的左视图；

图4是MEMS 陀螺仪电气连接示意图；

图5是MEMS 陀螺仪组封装剖视图；

图6是去掉金属盖板的封装示意图；

图中，1、金属盖板； 2、金属围框；3、LTCC基板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

1、MEMS 敏感结构

MEMS 敏感结构采用单支点角振动式的设计方案，该结构方案由一个驱动外环和一个敏感检测内盘组成。整个结构仅通过中心一个支撑点悬在基片之上，因此陀螺敏感结构是一个准悬浮式的。同时利用体硅加工工艺结合深槽刻蚀实现陀螺敏感结构的加工成形，利用晶圆级真空封装和硅硅键合技术完成了陀螺敏感结构上硅帽的键合（陀螺敏感结构凸起部分即为硅帽，内部为高真空环境），实现了高Q值高精度和抗高过载的MEMS 陀螺仪的敏感结构，其尺寸仅为长3.2×宽3.0×高0.9（mm）。由于较其他同类型陀螺敏感结构具有更小的外形尺寸，其耐高过载能力显著提高。其外形尺寸如图1、图2和图3所示。

2、MEMS 敏感结构信号处理电路

传统基于模拟信号处理电路的MEMS 陀螺仪传感器由于诸多原因很难将整个信号处理电路整合于一块集成电路中。因此，多采用将电路的核心部分设计成一块集成电路并与MEMS 陀螺仪敏感结构封装于管壳中，再将封装后的模块焊接在PCB板上与电路的其他部分实现电气连接，所以往往整个MEMS 陀螺仪传感器的尺寸较大，不利于小型化。