[发明专利]单质量块三轴MEMS陀螺及其制备方法

说明书

本发明公开了一种单质量块三轴MEMS陀螺，包括自下而上依次键合的底板、空腔结构层、质量块与悬臂梁结构层和顶板；空腔结构层的底面与底板顶面的底板键合环金硅键合，质量块与悬臂梁结构层中悬臂梁固支边框的底面与空腔结构层顶面的空腔基板键合环金硅键合，各个S形悬臂梁悬置于空腔之上并使质量块悬置于空腔之中，顶板底面的接地引出电极与悬臂梁固支边框顶面的接地电极金金键合，最终形成一个气密封闭结构，采用单一质量块和组合S形悬臂梁结构，交叉耦合小、灵敏度高，总体结构简单、制备工艺简便。

技术领域

本发明涉及一种三轴MEMS陀螺，特别涉及一种单质量块三轴MEMS陀螺及其制备方法。

背景技术

MEMS(Micro Electro-Mechanical System，微机电系统))陀螺具有体积小、成本低、集成性好等优点，在导航、移动终端、数码相机图像防抖、汽车电子稳定控制(ESC)系统等广泛领域得到应用。常规的MEMS陀螺基于科里奥利力原理感测作旋转角运动物体的角位移或角速度信息，其中代表性的振动式陀螺包含两个振幅相同但振动方向相异的耦合质量块及其悬挂支撑结构，工作时使检测质量块沿驱动轴方向作线振动或角振动进入驱动模态，若沿敏感轴方向对陀螺施加角运动，则在检测轴方向产生科里奥利力，驱动质量块沿检测轴方向产生位移，由于科里奥利力的大小和方向与角运动角速度的大小和方向相关，因此通过检测科里奥利力引起的位移变化即可得到相应的角运动信息。但振动式陀螺需要包含驱动和检测两组质量块-悬挂支撑系统，结构较为复杂。

硅基MEMS陀螺有面硅、体硅两种结构形式，面硅结构的MEMS陀螺采用梳齿电容敏感方式，并采用常规的表面刻蚀工艺制作较小厚度尺寸的梳齿结构。通过增加梳齿电容结构的梳齿对数实现大的敏感电容值和敏感精度，但保持其工艺一致性难度较大。体硅结构的MEMS陀螺采用与质量块一体的平板电容敏感结构，可感测电容大，电容动态范围大，灵敏度较高，但体硅MEMS陀螺采用较大形体的质量块，其厚度尺寸大，需采用适合于高深宽比结构的干法刻蚀或反应离子刻蚀进行制作，工艺成本高。

常规的MEMS三轴陀螺有单质量块和多质量块两种结构，采用单质量块的MEMS三轴陀螺具有结构简单、制作方便的优点，但由于共用一个质量块来检测三个轴向的角运动，各个轴向之间不可避免地存在各个轴向运动量之间的交叉耦合，导致所感测的各个轴向角运动信号之间的互相串扰，影响感测精度，所以通常更多地采用结构与制备工艺相对复杂的多质量块及悬挂支撑结构，其中的各个质量块及其悬挂支撑结构独立检测各个轴向的角运动信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种单质量块三轴MEMS陀螺及其制备方法，采用单一质量块和组合S形悬臂梁结构，交叉耦合小、灵敏度高，总体结构简单、制备工艺简便。

本发明的目的是这样实现的：一种单质量块三轴MEMS陀螺，其特征在于，包括自下而上依次键合的底板(1)、空腔结构层(2)、质量块与悬臂梁结构层(3)和顶板(4)；

所述底板(1)包括底板基板(11)、底板基板底面相对于其中心对称分布的4组底电容输出电极(12)、底板基板顶面相对于其中心对称分布的4组底电容下电极(13)、环绕于底板基板顶面四边的底板键合环(14)和8个贯穿底板基板的底板金属通孔(15)；

所述空腔结构层(2)包括空腔基板(21)、贯穿空腔基板中部的圆柱体形空腔(22)和环绕于空腔基板顶面四边的空腔基板键合环(23)；

所述质量块与悬臂梁结构层(3)包括圆柱体形质量块(31)，质量块底面相对于其中心对称分布的4个底电容上电极(32)，贯穿质量块中央的质量块金属通孔(33)、4个S形悬臂梁(34)、悬臂梁固支边框(35)和覆盖质量块顶面、各个悬臂梁顶面和悬臂梁固支边框顶面的接地电极(36)；

所述顶板(4)包括顶板基板(41)，顶板基板底面中部的顶板空腔(42)、覆盖顶板基板底面四边的接地引出电极(43)、顶板基板顶面四边相对于其中心对称分布的4个接地输出电极(44)和4个贯穿顶板基板的顶板金属通孔(45)；