CN102042832B - Mems陀螺仪及其芯片级温控方法和加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种MEMS陀螺仪及其芯片级温控方法和加工方法：利用微细加工技术，在玻璃基座上加工出微型加热器和温度传感器，并将玻璃基座与MEMS陀螺仪结构芯片键合。通过在微型加热器两端施加电压对MEMS陀螺仪芯片进行加热，同时利用集成的温度传感器实时监控陀螺仪芯片温度，来驱动外围电路调节加热器两端的电压，维持陀螺仪芯片的温度恒定且略高于工作环境温度的上限。加热器和温度传感器集成在玻璃基座上，体积小而且温度敏感性高。该芯片级温控方法具有功耗低、体积小、适用性强和重复性好的特点，并能与微细加工工艺兼容，可实现批量生产，该方法也可以广泛地用于其他MEMS芯片的芯片级温控。

Description

MEMS陀螺仪及其芯片级温控方法和加工方法

技术领域

本发明属于微机电系统领域(MEMS)，尤其涉及一种MEMS陀螺仪及其芯片级温控方法和加工方法。

背景技术

MEMS陀螺仪是一种典型的测量物体转动角速度的惯性传感器。随着MEMS陀螺仪精度的不断提高，由温度变化引起的误差已经成为MEMS陀螺仪的主要误差之一。因为温度的变化会导致MEMS陀螺仪的材料属性、尺寸大小和品质因数等的改变，这些改变都会使MEMS陀螺仪的性能急剧下降。因此，校正MEMS陀螺仪的温度误差对于提高MEMS陀螺仪性能有着很重要的意义。

MEMS陀螺仪温度误差的补偿和校正方法较多，目前常用的有三种：第一种是通过改进MEMS陀螺仪的结构来消除或抑制温度误差。2003年美国加州大学微系统实验室的Cenk Acar和Andrei M.Shkel提出了一种分布质量式硅微陀螺仪，此结构将多个驱动模态以一定频率间隔分布，增加了驱动模态的带宽，从而极大地降低了微陀螺仪的机械增益对两模态频差的灵敏度，即增强了机械增益对温度的抗干扰能力，但其结构和工艺复杂，成本较高，且结构改进需要明确温度误差的模型或机理，因此实际设计的结构仅能消除已知的某一项或几项温度误差。

第二种方法是通过硬件电路或软件算法进行温度误差补偿。清华大学的陈怀、张嵘等提出了一种利用驱动模态的相位作为温度传感器的新型补偿算法，利用二次曲线拟合对输出零偏信号进行校正，则经温度补偿后陀螺仪的温度漂移减小到补偿前的5％。美国德克萨斯A&M大学Don G.Kim利用模糊逻辑算法校正微陀螺仪非线性的温度偏置和漂移，取得了较好的效果。但是该方式需要以大量的实验数据为基础，对这些数据的模型辨识和温度误差的实时补偿难度较大，且要求硅微陀螺仪的输出信号具有较好的重复性。目前大部分温度误差模型是静态模型，动态温度误差模型建立较困难，还没有比较可行方法。另外，软件算法的实现要基于复杂的数字硬件平台，从而电路体积大、功耗高，目前无法直接与微陀螺集成，且与硅微陀螺仪体积小，功耗低，集成度高的发展方向不相符；而硬件补偿电路仅能采用低阶多项式补偿方式，无法校正由温度梯度导致的漂移误差，且补偿精度有限。同时，布置在微陀螺周围的温度传感器仅能近似反应微陀螺局部温度特性，温度误差较大，直接影响补偿效果。

第三种方法是采用一定的硬件措施尽量使MEMS陀螺仪的工作环境温度恒定，如热屏蔽、温控等。温控技术是改善传统机械陀螺仪输出信号中温度漂移的一种常用方式，常规温控一般将整个陀螺仪作为温控对象，升温速度慢，功耗大，惯性大，同时温度传感器测量的温度为陀螺周围监控点的温度或陀螺某一局部的温度，并不能全面真实地反映整个陀螺结构的温度特性，所以温控精度有限，温度均匀性差，且一般温控器件与MEMS工艺不兼容，不利于微陀螺小型化和集成化。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的、功耗低、响应快、灵敏度高、重复性好，高度集成化的MEMS陀螺仪及其芯片级温控方法和加工方法。在无需对现有硅微机械加工工艺进行较大改动的情况下，实现简便实用、高效可靠的MEMS陀螺仪的芯片级温控，以便消除或抑制MEMS陀螺仪芯片中热量累积及环境温度变化对MEMS陀螺仪性能的影响，来提高MEMS陀螺仪诸多与温度有关的性能指标，满足实际应用迫切需求。

实现本发明的技术解决方案如下：

一种MEMS陀螺仪，包括上、下两层；上层为微陀螺结构芯片，下层为玻璃基座，微陀螺结构芯片键合在玻璃基座上；所述玻璃基座上制作有信号引线，微陀螺结构芯片上的电极与相应的信号引线连接。所述玻璃基座上制作有微型加热器和温度传感器。

所述玻璃基座上设有均热膜。所述微陀螺结构芯片是制作在单晶硅片上的。所述微加热器和温度传感器是两组嵌套的蛇形结构，且位于单晶硅片的正下方。所述微加热器和温度传感器采用Pt金属材料。所述玻璃基座的材质是硼硅Pyrex玻璃。

一种MEMS陀螺仪的芯片级温控方法，所述MEMS陀螺仪的结构是，包括上、下两层；上层为微陀螺结构芯片，下层为玻璃基座，微陀螺结构芯片键合在玻璃基座上；所述玻璃基座上制作有信号引线，微陀螺结构芯片上的电极与相应的信号引线连接，其特征在于，先在玻璃基座上设置微型加热器和温度传感器；再通过微型加热器对MEMS陀螺仪芯片加热，同时用温度传感器的实时监测MEMS陀螺仪芯片的温度；依据监测到的MEMS陀螺仪芯片的温度调节微型加热器的工作状态，保持MEMS陀螺仪芯片的稳态温度略高于工作环境温度的上限。

玻璃基座上的微加热器采用蛇形分布方式，温度传感器设计在加热器中间。微型加热器采用Ti/Pt合金的薄膜电阻，温度传感器采用Ti/Pt合金的温度传感器。

一种MEMS陀螺仪加工方法，包括如下步骤：

1)在抛光的硅片上涂上光刻胶，进行光刻，将掩模版上的锚点图形移到硅片上，再在硅片上刻蚀出锚点图形，去胶清洗，待静电键合；

2)浅刻蚀玻璃，在上面溅射Ti-Au合金，利用剥离工艺制作金属电极；

3)在玻璃片上溅射Ti-Pt合金，利用剥离工艺制作Pt加热器和Pt温度传感器；

3)硅片图形与玻璃基座上电极图形对准静电键合；

4)将硅片减薄至所需的结构层厚度，抛光；

5)在玻璃基座的背面光刻，将掩模版上的图形移到玻璃基座的背面，利用湿法工艺对玻璃基座进行深刻蚀，得到玻璃薄膜；

6)在玻璃薄膜背面凹槽溅射一层Ti-Pt合金；

7)在硅片背面光刻，将掩模版上的硅结构图形移到硅片背面，并对硅片进行深槽刻蚀释放硅陀螺结构。

本发明与现有技术相比，显著优点：(1)可采用微细加工工艺，工艺实现简单，易于集成化和阵列化；(2)该温控技术只针对某一微观局部，响应时间非常短；(3)集成的金属薄膜加热器和温度传感器灵敏度高、重复性好；(4)温控部分体积微小，温度惯性较小，功耗也较低；(5)将控温温度控制在略高于使用环境的上限，只需设计金属薄膜加热器和温度传感器，省略了制冷装置，简化结构。

附图说明

图1是本MEMS陀螺仪的示意图。

图2是微陀螺结构芯片示意图。

图3(a)和图3(b)分别是微型玻璃基座俯视示意图和仰视示意图。

图4是本MEMS陀螺仪的加工流程示意图，

步骤(a)——硅片光刻锚点；

步骤(b)——硅片ICP刻蚀形成锚点；

步骤(c)——玻璃浅刻蚀小坑；

步骤(d)——玻璃上溅射金属和剥离光刻胶；

步骤(e)——浅刻蚀玻璃，溅射Ti-Pt合金，制作Pt加热器和Pt温度传感器；

步骤(f)——硅-玻璃静电键合；

步骤(g)——硅片减薄、抛光；

步骤(h)——在玻璃基座的背面光刻，对玻璃基座进行深刻蚀，得到凹槽；

步骤(i)——在玻璃基座背面凹槽溅射一层Ti-Pt合金；

步骤(j)——在硅片背面光刻，并对硅片进行深槽刻蚀释放硅陀螺结构。

图5本例的闭环温控电路框图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。

一种集成有微型加热器和温度传感器的MEMS陀螺仪，由上、下二部分构成，上面部分为制作在单晶硅片上的微陀螺结构芯片，下层为制作有微型加热器和温度传感器、以及信号引线的玻璃基座。为了让MEMS陀螺芯片的硅结构部分均匀受热，同时实时测量硅结构温度，微加热器和温度传感器采用两组嵌套的蛇形结构，且位于硅结构的正下方；为了实现灵敏度高、重复性好，微加热器和温度传感器采用Pt金属材料。通过在微型加热器两端施加电压对MEMS陀螺仪芯片进行加热，同时利用集成的温度传感器实时监控陀螺仪芯片温度，来驱动外围电路调节加热器两端的电压，维持陀螺仪芯片的温度恒定且略高于工作环境温度的上限。本发明利用硅片具有良好的微加工性能、导热和散热性能，以及Pyrex玻璃的可微加工特性，解决了以硅和玻璃作为芯片基体材料，在上面集成加工微型加热器和温度传感器各种工艺流程，提供一种微型化和集成化的MEMS陀螺仪芯片级温控技术的实现方法。

本发明的制造方法是在硅片上刻蚀出锚点图形，去胶清洗，待静电键合；刻蚀玻璃，在上面溅射Ti-Au合金，制作金属电极；在玻璃片上溅射Ti-Pt合金，制作Pt加热器和Pt温度传感器；将硅片图形与玻璃基座上电极图形对准静电键合；将硅片减薄，抛光；在玻璃基座的背面光刻，对玻璃基座进行深刻蚀，得到玻璃薄膜；在玻璃薄膜背面溅射一层Ti-Pt合金做均热膜；最后在硅片背面光刻，对硅片进行深槽刻蚀释放硅陀螺结构。

具体到本例中的温控方法，可以实现MEMS陀螺仪及其它MEMS器件的芯片级恒温控制，用来校正MEMS陀螺仪等器件的温度误差或提供恒温环境。结合图1，该带有芯片级温控装置的MEMS陀螺仪由上下两层组成，上层为制作在单晶硅片上的MEMS陀螺仪机械结构1，下层为玻璃基座2。MEMS陀螺仪机械结构1主要包括驱动电极、驱动敏感电极、敏感电极和质量块等结构。玻璃基座2主要用于支撑MEMS陀螺仪机械结构和提供各种电极引线，包括电极引线3、微型Pt加热器4、微型Pt温度传感器5和Pt均热膜6。电极引线3主要用于引出陀螺各种测试线；微型Pt加热器4主要用于对MEMS陀螺仪实现均匀加热；微型Pt温度传感器5主要用于实时敏感MEMS陀螺仪周围的温度，以便于通过后续闭环控制实时调整微型Pt加热器的加热功率以实现恒温控制；Pt均热膜6主要功能是使加热器周围温度分别更加均匀。

本例的MEMS陀螺仪如图2所示，质量块7通过四个弹性梁14a、14b、14c、14d与横梁15a、15b相连，该横梁15a、15b通过四个弹性梁13a、13b、13c、13d与四个锚点12a、12b、12c、12d连接，驱动电极8a和8b上的梳齿分别与横梁15a和15b上的梳齿构成驱动电容，驱动敏感电极9a和9b上的梳齿分别与横梁15a和15b上的梳齿构成驱动敏感电容，敏感电极10a和10b的上的梳齿分别与质量块7上的梳齿构成一路敏感电容，敏感电极11a和11b的上的梳齿分别与质量块7上的梳齿构成另一路敏感电容。MEMS陀螺仪工作时在驱动电极8a和8b上施加带有直流偏置的交流电压，驱动横梁15a和15b，横梁15a和15b通过弹性梁14a、14b、14c、14d带动质量块7一块沿着驱动方向运动，通过驱动敏感电极9a和9b可以检测出驱动敏感电容的变化量，间接可以获得质量块7的驱动位移大小。当有垂直纸面的角速度输入时，在哥氏力作用下，质量块7将沿着敏感方向运动，导致两路敏感电容变化，通过敏感电极10a、10b、11a、11b就可检测出敏感电容变化量，间接就可以获得输入的角速度大小。

本发明的玻璃基座如附图3所示，包括电极引线、硅/玻璃键合点、微型Pt加热器、微型Pt温度传感器和Pt均热膜。如附图3(a)所示，微型Pt加热器4采用蛇形结构上下对称布置在玻璃基座中心区域，处于MEMS陀螺仪结构的正下方，以便于对MEMS陀螺仪均匀加热，微型Pt加热器4的引线从左边4a和4b端引出。微型Pt温度传感器5嵌套在微型Pt加热器4内部，以便于更好的敏感MEMS陀螺温度变化，Pt温度传感器采用上下对称的折叠形状，其引线从左边5a和5b端引出。陀螺电极引线包括陀螺敏感电极引线3a和3b，驱动电极引线3c，驱动敏感引线3d，公共电极引线3e和地引线3f。为了减小玻璃基座较大的热容积导致的加热功耗大、反应速度慢等缺陷，本发明利用湿法刻蚀方式将微型Pt加热器下的玻璃基座减薄，如附图3(b)所示；同时为了使微型Pt加热器周围温度分布更均匀，在玻璃基座的薄膜上沉积一层Pt均热膜6。

本发明的带有芯片级温控装置的MEMS陀螺仪的制造工艺如图4所示，包括下列步骤：在硅片背面刻蚀锚点，并与溅射有电极引线、微型Pt加热器、微型Pt温度传感器和Pt均热膜的玻璃基座对准键合，形成带有芯片级温控装置的MEMS陀螺仪，具体的制造方法如下：

1)在双面抛光的硅片1上涂上光刻胶16进行光刻，将掩模版上的锚点图形移到硅片1上，如图4(a)；

2)在硅片1上刻蚀出锚点1a，去胶清洗，待静电键合，如图4(b)；

3)浅刻蚀玻璃2，形成凹槽2a，如图4(c)；

4)在凹槽2a上面溅射Ti-Au合金，利用剥离工艺制作金属电极3，如图4(d)；

5)在玻璃片上溅射Ti-Pt合金，利用剥离工艺制作Pt加热器4和Pt温度传感器5，如图4(e)

6)硅片图形1与玻璃图形2对准静电键合，构成MEMS陀螺仪的机械结构，如图4(f)；

7)将硅片1减薄至所需的结构层厚度，抛光，如图4(g)；

8)在玻璃基座2的背面光刻，将掩模版上的图形移到玻璃基座的背面，利用湿法工艺对玻璃基座进行深刻蚀，得到玻璃薄膜，如图4(h)；

9)在玻璃基座背面凹槽溅射一层Ti-Pt合金均热膜6，如图4(i)；

10)在硅片1背面光刻，将掩模版上的硅结构图形移到硅片背面，并对硅片进行深槽刻蚀释放硅陀螺结构，如图4(j)。

本发明的芯片级温控的闭环控制电路框图如图5所示，电阻22、24、25和微型温度传感器电阻23构成电桥电路，电阻24与25连接后接地，电阻22与23连接后接直流偏置电压U，电桥22、23、24、25用来提取微型温度传感器的电阻23的变化，即温度传感器的温度变化，电阻22与24的连接点26接仪表放大器17的正输入端，电阻23与25的连接点27接仪表放大器17的负输入端，仪表放大器17的输出端接放大滤波电路18的输入端，放大滤波电路18的输出端接比较器19的负输入端且与比较器19的正输入端Vrof作比较，比较器19的输出端接PID控制器20的输入端，PID控制器20的输出端与功率放大器21的输入端连接，功率放大器21的输出端与微型加热器电阻28连接，微型加热器电阻28的另一端接地。通过上述的闭环控制电路控制温度传感器的上温度恒定且略高于环境使用温度，从而实现芯片级温控。

Claims (9)

1.一种MEMS陀螺仪，包括上、下两层；上层为微陀螺结构芯片，下层为玻璃基座，微陀螺结构芯片键合在玻璃基座上；所述玻璃基座上制作有信号引线，微陀螺结构芯片上的电极与相应的信号引线连接，其特征是所述玻璃基座上制作有微型加热器和微型温度传感器；

所述微陀螺结构芯片为制作在单晶硅片上的MEMS陀螺仪机械结构；MEMS陀螺仪机械结构包括第一驱动电极（8a）、第二驱动电极（8b）、第一驱动敏感电极（9a）、第二驱动敏感电极（9b）、第一敏感电极（10a）、第二敏感电极（10b）、第三敏感电极（11a）、第四敏感电极（11b）和质量块（7）；质量块（7）通过第一组四个弹性梁与两个横梁相连，两个横梁分别通过第二组四个弹性梁与四个锚点连接；

第一驱动电极（8a）、第二驱动电极（8b）上的梳齿分别与两个横梁上的梳齿构成驱动电容；第一驱动敏感电极（9a）和第二驱动敏感电极（9b）上的梳齿分别与两个横梁上的梳齿构成驱动敏感电容；第一敏感电极（10a）和第二敏感电极（10b）的上的梳齿分别与质量块（7）上的梳齿构成一路敏感电容；第三敏感电极（11a）和第四敏感电极（11b）的上的梳齿分别与质量块（7）上的梳齿构成另一路敏感电容；

MEMS陀螺仪工作时，在第一驱动电极（8a）和第二驱动电极（8b）上施加带有直流偏置的交流电压，驱动两个横梁，两个横梁通过第一组四个弹性梁带动质量块（7）一块沿着驱动方向运动，通过第一、二驱动敏感电极可以检测出驱动敏感电容的变化量，间接可以获得质量块（7）的驱动位移大小；当有垂直纸面的角速度输入时，在哥氏力作用下，质量块（7）将沿着敏感方向运动，导致两路敏感电容变化，通过第一～四敏感电极就可检测出敏感电容变化量，间接就可以获得输入的角速度大小；

所述玻璃基座包括电极引线、微型加热器、微型温度传感器和均热膜；电极引线即为所述信号引线；微型加热器用于对MEMS陀螺仪实现均匀加热；微型温度传感器用于实时敏感MEMS陀螺仪周围的温度；均热膜使微型加热器周围温度分布更加均匀；

微型加热器采用蛇形结构上下对称布置在玻璃基座中心区域，处于MEMS陀螺仪结构的正下方；微型加热器的引线从左边端引出；微型温度传感器嵌套在微型加热器内部，微型温度传感器采用上下对称的折叠形状，其引线从左边引出；均热膜沉积在玻璃基座的薄膜上。

2.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征是所述均热膜为Pt均热膜。

3.根据权利要求1或2所述的MEMS陀螺仪，其特征是所述微型加热器和微型温度传感器是两组嵌套的蛇形结构，且位于单晶硅片的正下方。

4.根据权利要求1或2所述的MEMS陀螺仪，其特征是所述微型加热器和微型温度传感器采用Pt金属材料。

5.根据权利要求1或2所述的MEMS陀螺仪，其特征是所述玻璃基座的材质是硼硅Pyrex玻璃。

6.一种MEMS陀螺仪的芯片级温控方法，所述MEMS陀螺仪的结构是，包括上、下两层；上层为微陀螺结构芯片，下层为玻璃基座，微陀螺结构芯片键合在玻璃基座上；所述玻璃基座上制作有信号引线，微陀螺结构芯片上的电极与相应的信号引线连接，其特征在于，先在玻璃基座上设置微型加热器和微型温度传感器；再通过微型加热器对MEMS陀螺仪结构芯片加热，同时用微型温度传感器实时监测MEMS陀螺仪结构芯片的温度；依据监测到的MEMS陀螺仪结构芯片的温度调节微型加热器的工作状态，保持MEMS陀螺仪结构芯片的稳态温度略高于工作环境温度的上限；

芯片级温控的闭环控制电路结构如下：

第一电阻（22）、第二电阻（24）、第三电阻（25）和微型温度传感器电阻（23）构成电桥电路；第二电阻（24）和第三电阻（25）连接后接地，第一电阻（22）与微型温度传感器电阻（23）连接后接直流偏置电压U，电桥电路用来提取微型温度传感器的电阻（23）的变化，即微型温度传感器的温度变化；第一电阻（22）与第二电阻（24）的连接点接仪表放大器（17）的正输入端，微型温度传感器电阻（23）与第三电阻（25）的连接点接仪表放大器（17）的负输入端，仪表放大器（17）的输出端接放大滤波电路（18）的输入端，放大滤波电路（18）的输出端接比较器（19）的负输入端且与比较器（19）的正输入端V_ref作比较，比较器（19）的输出端接PID控制器（20）的输入端，PID控制器（20）的输出端与功率放大器（21）的输入端连接，功率放大器（21）的输出端与微型加热器电阻（28）连接，微型加热器电阻（28）的另一端接地；通过闭环控制电路控制微型温度传感器上的温度恒定且略高于环境使用温度，从而实现芯片级温控；微型加热器电阻（28）即为所述微型加热器。

7.根据权利要求6所述的MEMS陀螺仪的芯片级温控方法，其特征在于：玻璃基座上的微型加热器采用蛇形分布方式，微型温度传感器设计在微型加热器中间。

8.根据权利要求6所述的MEMS陀螺仪的芯片级温控方法，其特征在于：微型加热器采用Ti-Pt合金的薄膜电阻，微型温度传感器采用Ti-Pt合金的微型温度传感器。

9.一种MEMS陀螺仪加工方法，包括如下步骤：

1）在抛光的硅片上涂上光刻胶，进行光刻，将掩模版上的锚点图形移到硅片上，再在硅片上刻蚀出锚点图形，去胶清洗，待静电键合；

2）浅刻蚀玻璃，在上面溅射Ti-Au合金,利用剥离工艺制作金属电极；

3）在玻璃片上溅射Ti-Pt合金，利用剥离工艺制作Pt加热器和Pt温度传感器；

4）硅片图形与玻璃基座上电极图形对准静电键合；

5）将硅片减薄至所需的结构层厚度，抛光；

6）在玻璃基座的背面光刻，将掩模版上的图形移到玻璃基座的背面，利用湿法工艺对玻璃基座进行深刻蚀，得到玻璃薄膜；

7）在玻璃薄膜背面凹槽溅射一层Ti-Pt合金；

8）在硅片背面光刻，将掩模版上的硅结构图形移到硅片背面，并对硅片进行深槽刻蚀释放硅陀螺结构。

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