[发明专利]MEMS振动式陀螺仪结构及其制造方法

说明书

本发明公开了一种MEMS振动式陀螺仪及其制造方法，属于MEMS陀螺仪传感器设计和加工领域，其技术方案要点是包括盖板硅片、结构硅片和衬底硅片，盖板硅片、结构硅片和衬底硅片自上而下逐层布置组成带有真空腔体的结构，所述结构硅片上安装有器件，所述器件包括两个质量块、四个驱动框、四个检测框、若干弹性连接梁和锚点，本发明的优点在于采用真空键合的方法实现了对器件的真空封装，方法简单且高效，提高了器件成品率，降低了器件制备的成本，适用于批量生产，生产的陀螺仪可有效抑制误差，提高器件的精度和性能。

技术领域

本发明涉及MEMS陀螺仪传感器设计和加工领域，特别涉及一种MEMS振动式陀螺仪结构及其制造方法。

背景技术

陀螺仪是测量物体转动角度或角位移的传感器，用于实现运动载体姿态和轨迹的测量和控制，是惯性导航与制导系统的基础核心器件之一。相对于传统的机械和光学陀螺仪,微机电(Micro-electro-mechanical System，MEMS)陀螺仪具有成本低、体积小、功耗低、可与电路集成等优点,广泛应用于消费电子、医疗电子、汽车电子、航空航天和军事等领域，具有很大的发展潜力和商业价值。MEMS陀螺仪的原理是科里奥利效应，悬浮可动微结构在平台转动时会受到科氏力作用，通过测量科氏力信号进而获得平台的转动角速度或者角度。MEMS陀螺仪按检测方式主要分为电容式陀螺仪、压阻式陀螺仪、压电式陀螺仪和光学陀螺仪等。其中以采用静电驱动电容检测的陀螺仪商业使用较广，这主要是由于其结构和工作方式与硅微机械加工技术比较兼容，同时器件制作及电路集成相对简单。

虽然MEMS陀螺仪具有众多优点，且己经在各领域得到越来越多的应用，但是目前MEMS陀螺仪的精度仍然很低，与高性能惯性传感器的要求相比，目前光刻工艺和微加工技术的公差能力还不够，目前减少MEMS陀螺仪的误差主要有两种途径：一是改进设计敏感结构或者提出结构创新设计。二是抑制和补偿误差，通过合适的误差抑制以及电路补偿控制方法，从而可提高微陀螺的性能。加工缺陷和加工误差会影响MEMS陀螺仪的几何形状和材料性能，并改变陀螺仪谐振频率；同时制造缺陷和公差造成了陀螺仪微结构的不平衡，导致了模态之间的机械干扰和正交耦合误差，其往往比科里奥利运动大得多；此外在器件工作过程中存在结构应力和机械噪声等非理想因素，这严重影响了MEMS陀螺仪的精度和稳定性。因此，为提高商业化MEMS陀螺仪的性能和稳定性，必须有效的消除误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种MEMS振动式陀螺仪结构及其制造方法，采用真空键合的方法实现了对器件的真空封装，方法简单且高效，提高了器件成品率，降低了器件制备的成本，适用于批量生产，生产的陀螺仪可有效抑制误差，提高器件的精度和性能。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种MEMS振动式陀螺仪，包括盖板硅片、结构硅片和衬底硅片，盖板硅片、结构硅片和衬底硅片自上而下逐层布置组成带有真空腔体的结构，所述结构硅片上安装有器件，所述器件包括两个质量块、四个驱动框、四个检测框、若干弹性连接梁、锚点、驱动电极、检测电极和功能电极，两个质量块左右对称布置，两个质量块之间通过一对弹性连接梁连接，质量块四周的弹性连接梁连接于周围的锚点，并通过锚点固定在结构硅片上；驱动框和检测框的与质量块通过弹性梁连接，驱动框和检测框外侧分别通过弹性梁连接于锚点，并通过锚点固定在结构硅片上；驱动电极位于驱动框的区域，检测电极位于检测框的区域，功能电极位于驱动框或其他位置，驱动电极、检测电极和功能电极由可动电极和固定电极组成；陀螺仪整体结构中除锚点和固定电极外，其余结构均为悬空可动结构。

进一步的，所述质量块是由多个长方体拼接而成的多边形柱体。

进一步的，所述功能电极是驱动检测电极、频率调谐电极和正交补偿电极中一种或多种。

进一步的，所述驱动电极、检测电极和功能电极均为梳齿状电极。

进一步的，所述弹性连接梁是U形梁、折叠梁或者蟹脚梁。