[发明专利]MEMS陀螺仪及其制备封装方法

说明书

本发明公开了一种MEMS陀螺仪及其制备封装方法。MEMES陀螺仪为音叉式陀螺结构，包含外框、质量块、锚点、驱动单元、检测单元、一级弹性连接梁、二级弹性连接梁和耦合弹性连接梁。其驱动模式为两个质量块相对于外框面内反向振荡运动，感应模式为整体结构面内扭摆运动。通过位于外框四角的感应电极差分方式输出检测到的科氏力信号。MEMS陀螺仪驱动质量块实现了全耦合，同时具有较少的锚点结构，可有效抑制由加工误差和封装应力所引起误差，从而提高MEMS陀螺仪的精度和性能。本发明的制备封装方法，利用圆片级真空键合的方法实现了对器件的真空封装，降低了器件设计、制备以及电学布线的难度，方法简单且高效。

技术领域

本发明涉及MEMS陀螺仪传感器设计和加工领域，尤其涉及一种MEMS陀螺仪及其制备封装方法。

背景技术

陀螺仪是测量物体转动角度或角位移的传感装置，用于实现运动载体姿态和轨迹的测量和控制，是惯性系统的基础核心器件。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。MEMS陀螺仪中商业化应用较广的是音叉式陀螺仪，其原理是科里奥利效应，在平台转动时，悬浮可动微结构会受到科氏力作用，通过测量科氏力信号进而可探测出平台的转动角速度或者转动角度。

与目前高性能陀螺仪如光学陀螺仪和激光环形陀螺仪相比，MEMS音叉式陀螺仪的精度和稳定性相对较差。一方面，目前光刻和微加工工艺的公差能力还不够，加工缺陷和加工误差会改变MEMS陀螺仪的几何形状，并使得陀螺仪谐振频率发生改变。加工缺陷和误差会导致不同模态之间的机械干扰和正交耦合误差，从而影响读出信号，此误差信号往往比科里奥利运动输出信号大，严重影响了MEMS陀螺仪的精度和稳定性。另一方面，MEMS陀螺仪具有精密可动结构，对于封装应力十分敏感。封装应力主要是由不同层之间材料热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)失配所产生的界面残余应力。封装应力一般通过陀螺仪的固定锚点结构传递至可动器件结构，应力会引起陀螺仪结构几何形变和等效刚度变化，进而改变器件的谐振频率和品质因数，从而造成传感器的输出信号如刻度因子和零偏等的漂移。

目前商用MEMS音叉陀螺仪结构一般采用对称结构，其一般由两个或两个以上质量块与支撑梁结构组成，每个质量块与支撑梁结构单独构成子陀螺仪，不同子陀螺仪为反相工作模式，最后通过差分的形式输出信号。目前商用陀螺仪存在以下缺点：一、子陀螺仪之间采用一般采用弹簧梁结构连接实现耦合，此方式为弱耦合结构。当存在加工缺陷和误差时，子陀螺仪之间的谐振频率不能实现完美匹配，不同子陀螺仪对于外界输入角速度信号响应存在差异，从而产生读出信号误差。二、目前商用陀螺仪结构锚点数量一般大于四个，较多的锚点结构使得陀螺仪器件易受到封装应力的影响，从而导致MEMS陀螺仪性能的下降。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种MEMS陀螺仪结构及其制备方法。该陀螺仪采用中心对称的音叉式结构，该结构质量块之间采用外框和耦合连接梁实现了全耦合，同时具有较少的固定锚点，可有效抑制由加工误差和封装应力所引起误差，从而提高MEMS陀螺仪的精度和性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提出了一种MEMS陀螺仪结构，其特征在于：包含检测外框、两个质量块、两个固定锚点、两个驱动单元、四个检测单元、若干一级弹性连接梁、二级弹性连接梁和耦合弹性连接梁；其中：

所述陀螺仪的平面结构沿X、Y方向中轴线中心轴对称；除检测单元外，其余结构均位于检测外框内部；所述检测外框与两个固定锚点通过一级弹性连接梁连接，所述固定锚点位于Y方向中心轴线上；所述两个质量块位于X方向中心轴线上，两个质量块之间通过耦合弹性连接梁连接，每个质量块外侧与检测外框之间通过二级弹性连接梁连接；所述两个驱动单元位于质量块中心或边缘，四个检测单元位于检测外框外侧四角位置。