CN110514189B - 陀螺仪及熔断修正陀螺仪正交误差的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种陀螺仪及熔断修正陀螺仪正交误差的方法，所述方法中的陀螺仪包括质量块和若干固定锚点；所述若干固定锚点分别通过弹性梁与所述质量块相连接，从而使所述质量块适于沿驱动方向和检测方向活动；通过在所述质量块和相应的固定锚点间加载电信号，使连接两者的弹性梁被熔断，进而调整所述质量块在不同轴向的支撑刚度，以抵消所述陀螺仪的正交误差。

Description

陀螺仪及熔断修正陀螺仪正交误差的方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种陀螺仪及熔断修正陀螺仪正交误差的方法。
背景技术
MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电系统)器件由于其体积小、成本低、集成性好等特点，已得以越来越广泛的应用在如消费电子、医疗、汽车等产品中。其中，电容式MEMS陀螺仪，在成本、尺寸、功耗方面远小于其他传统技术的陀螺仪，目前已被广泛用于手机拍照防抖、无人机、机器人和车辆的姿态控制等领域。
电容式MEMS陀螺仪是基于微机械加工的器件，其主要依靠科氏力来检测角速度信号，具有两个工作模态，即驱动模态和检测模态。如图1所示，在理想情况下，当陀螺仪的驱动端施加驱动模态本征频率电信号后，陀螺仪的质量块会再驱动轴(X轴)以本征频率做往复振动。当外界有Z轴向的角速度输入时，在科氏力的作用下，质量块会同时在检测轴(Y轴)振动，振动幅度和角速度的大小呈线性关系，通过检测质量块在检测轴的振动幅度就可以求得当前的角速度大小。
由于微机械加工的制造工艺缺陷可能会导致陀螺仪出现非理想型结构，实际工作时，驱动模态下质量块并不严格在驱动轴振动，实际的振动方向可能会与驱动轴有一个小的角度偏差，这个偏差会使得驱动轴的振动直接耦合到检测轴，使得陀螺仪即使在角速度输入为零的情况下也还是会有检测信号输出，这种现象被称之为正交误差。
相较于传统的用于航空、航天、军工等领域的光纤陀螺仪、悬浮陀螺仪，电容式MEMS陀螺仪的绝对精度和偏移稳定性尚存在明显差距。电容式MEMS陀螺仪的正交误差是造成这种差距的一个主要因素，业内众多文献对正交误差已有广泛深入的研究，当陀螺仪设计上采用差分输出时，理想情况下正交误差能够被完美正负抵消。但是在MEMS晶圆加工过程中，当前技术加工能力无法保证正负极电容间距或影响电容位移的弹性梁刚度等关键结构完全对称，正交误差固然存在。需要额外的机制来降低正交误差，或减少正交误差对检测信号的影响。
业内目前最常用的补偿正交误差信号的方式为，在陀螺仪芯片测试阶段测量出当时的正交误差值，再在信号处理电路中设法将正交误差部分的信号减掉，从而减少正交误差对陀螺仪检测输出信号的影响。这个方法的缺点是仅从信号上进行了补偿，陀螺结构本身的实际正交误差运动仍然存在，当补偿电路本身波动，补偿值变化后，仍然会有正交误差信号产生。也有其它物理修正陀螺结构正交误差的方法，如激光修阻，但其操作难度和成本较高。
发明内容
鉴于现有技术中的问题，本发明提供一种修正陀螺仪正交误差的方法，其特征在于，所述陀螺仪包括质量块和若干固定锚点；所述若干固定锚点分别通过弹性梁与所述质量块相连接，从而使所述质量块适于沿驱动方向和检测方向活动；通过在所述质量块和相应的固定锚点间加载电信号，使连接两者的弹性梁被熔断，进而调整所述质量块在不同轴向的支撑刚度，以抵消所述陀螺仪的正交误差。
进一步地，所述若干固定锚点限定了若干锚点组，所述若干锚点组及与其连接的弹性梁沿所述驱动方向和所述检测方向对称地设置于所述质量块的外围。
进一步地，所述锚点组至少包括两个固定锚点。
进一步地，与所述锚点组相连接的弹性梁中至少有一条弹性梁用于通过加载电信号进行熔断。
进一步地，与所述锚点组相连接的弹性梁中有两条以上尺寸相同的弹性梁用于熔断时，通过选择熔断的数量来控制对正交误差抵消的程度。
进一步地，与所述锚点组相连接的弹性梁中有两条以上尺寸不全相同的弹性梁用于熔断时，通过选择合适的弹性梁或弹性梁组合进行熔断来控制对正交误差抵消的程度。
进一步地，所述若干固定锚点分别通过导电材料连接到外部相应的金属焊盘上。
进一步地，在制备所述陀螺仪的晶圆上，如不同区域的陀螺仪具有不同的正交误差，则针对各陀螺仪的实际情况选择熔断相应的弹性梁来使得所述不同区域的陀螺仪的正交误差均能被抵消。
进一步地，在晶圆测试阶段，通过测试机台进行针对弹性梁的熔断操作。
本发明还提供了一种陀螺仪，采用上述修正陀螺仪正交误差的方法制备。
本发明的陀螺仪及熔断修正陀螺仪正交误差的方法，通过对弹性梁进行熔断的方式，使弹性梁的总刚度发生变化，以克服弹性梁刚度的不对称，从而有效地抵消正交误差，并可解决晶圆上正交误差分布不均的问题。在实际应用中，相比于其它物理修正陀螺结构正交误差的方法，如激光修阻，其易于实现并且成本低。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是一种现有的电容式MEMS陀螺仪正交耦合示意图；
图2是本发明的一个具体实施例的结构示意图；
图3是本发明的一个实施例中正交误差分布示意图。
具体实施方式
在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。附图为原理图或者概念图，各部分厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的比例关系等等，与其实际值并非完全一致。
图2是本发明的一个具体实施例的结构示意图，其中包括中心锚点A0、质量块M0、固定锚点A1～A8和固定电极E1～E4，整体结构沿水平方向和垂直方向均呈轴对称布置。
中心锚点A0通过弹性梁La、Lb、Lc、Ld与质量块M0连接，弹性梁La、Lb、Lc、Ld分别连接在质量块M0的四个角上并呈45度向外延伸同样长度并连接于质量块M0，使弹性梁La和Ld沿水平方向对称布置，弹性梁La和Lb沿垂直方向对称布置，弹性梁Lb和Lc沿水平方向对称布置，弹性梁Lc和Ld沿垂直方向对称布置。
固定电极E1和E3对称地设置在质量块M0的左右两侧，固定电极E1和E3上分别设置有指向质量块M0方向水平延伸的固定梳齿E10和E30，质量块M0的左右两侧分别设置有水平延伸地与固定梳齿E10和E30相配合的可动梳齿E11和E31。固定电极E1和E3可作为陀螺仪的驱动电极或检测电极，在本实施例中，将固定电极E1和E3作为驱动电极。
固定电极E2和E4对称地设置在质量块M0的上下两侧，固定电极E2和E4上分别设置有指向质量块M0方向垂直延伸的固定梳齿E20和E40，质量块M0的上下两侧分别设置有垂直延伸地与固定梳齿E20和E40相配合的可动梳齿E21和E41。固定电极E2和E4可作为陀螺仪的驱动电极或检测电极，在本实施例中，将固定电极E2和E4作为检测电极。
固定锚点A1～A8分为四组，固定锚点A1和A2为一组，固定锚点A3和A4为一组，固定锚点A5和A6为一组，固定锚点A7和A8为一组，上述四组固定锚点沿水平方向和垂直方向对称地分布在质量块M0外围的四个角端，固定锚点A1～A8分别通过弹性梁L1～L8与质量块M0相连接。弹性梁L1～L8结构相同，均呈L型结构。弹性梁L1～L8与固定锚点组相配合，同样沿水平方向和垂直方向对称地分布在质量块M0外围的四个角端。对于每组固定锚点对应的两条弹性梁，如固定锚点A1和A2分别对应的弹性梁L1和L2，每条弹性梁的L型结构，一段水平布置、另一段垂直布置，两条弹性梁的L型结构中的90度折角呈对角布置。
在另一些实施例中，弹性梁L1～L8也可以采用其它的适于配合质量块M0在驱动和检测方向活动的结构，如弓型结构等。
固定锚点A1～A8分别通过尺寸较大的导电材料(如金属或掺杂的半导体材料)连接到外部相应的金属焊盘上，即设计时要使固定锚点A1～A8也要如固定锚点A0和固定电极E1～E4一样电连接至外部的金属焊盘，从而可通过在焊盘间加载电信号实现固定锚点A0至固定锚点A1～A8中任意一个的电通路，同时设计时要使得在焊盘间的电学通路上弹性梁L1～L8是最细的、电阻最高的部分，其发热功率高于其它部分，从而在增加焊盘电压/电流至一定程度程度时，该通路上的弹性梁(弹性梁L1～L8之一)会最优先熔断，从而使支撑质量块M0的各种弹性梁的总刚度发生变化，进而可改变陀螺仪结构的正交误差。如当在固定锚点A0与固定锚点A1分别对应的金属焊盘上加载电压/电流信号，在两焊盘间的电学通路上弹性梁L1是最细的，在达到预定电压/电流时，弹性梁L1最先被熔断，从而使弹性梁的总刚度发生变化，如其变化趋势与现存的正交误差相反，即可抵消上述正交误差。
如前所述，微机械加工的制造工艺所可能产生的缺陷会导致产品出现非理想型结构，对于电容式MEMS陀螺仪而言，可能产生正交误差的原因众多，包括但不限于加工工艺不完美导致的电容间距、弹性梁刚度、应力分布不对称等因素，而实际产品中往往多种因素混合在一起，甚至同一片晶圆上不同区域芯片的正交误差也不同，对陀螺仪产品性能一致性和良率造成显著影响。
此类由工艺误差导致的结构不对称通常与具体工艺流程中使用的工艺步骤，设备及其参数设置密切相关。对于量产的晶圆，其工艺步骤和设备参数通常不太会改变，很多情况下即使调整工艺和/或参数也很难避免晶圆上产品参数的非均匀分布，这是由于很多工艺上非均匀性的出现是受限于设备能力的，所以对于生产来说，保持工艺和设备的稳定性才是最重要的。因此在量产的多片晶圆上通常具有相似的正交误差梯度分布。
正是基于现有生产中，晶圆上正交误差分布的重复性，使得可以使用本实施例的结构来相对方便地在晶圆上根据不同区域分别修正正交误差。
首先，通过测试确认生产线上陀螺仪晶圆上芯片的正交误差值的分布，以下以图3所示的分布为例，最大的圆形表示晶圆，在晶圆的4个区域ZONE1～ZONE4的陀螺芯片存在较大的正交误差，其中区域ZONE1和区域ZONE3误差值为正，区域ZONE2和区域ZONE4误差值为负。对应到本实施例的陀螺仪结构上，将固定电极E1和E3作为驱动电极，固定电极E2和E4作为检测电极，从而当质量块M0缺少弹性梁L1的支撑时，不对称的弹性支撑会导致额外的负方向的正交误差信号；当质量块M0缺少弹性梁L3的支撑时，会导致额外的正方向的正交误差信号。
因此，可以在晶圆的测试过程中，根据晶圆上芯片的正交误差值的分布，编制测试程序，对于区域ZONE1和区域ZONE3的芯片，在连接固定锚点A0和固定锚点A1的焊盘间加载预设电压，从而熔断弹性梁L1，产生额外的负方向的正交误差，从而抵消掉区域ZONE1和区域ZONE3由于工艺不完美导致的正交误差。
同理，在晶圆的测试过程中，根据编制的测试程序，对于区域ZONE2和区域ZONE4的芯片，在连接固定锚点A0和固定锚点A3的焊盘间加载预设电压，从而熔断弹性梁L3，产生额外的正方向的正交误差，从而抵消掉区域ZONE2和区域ZONE4由于工艺不完美导致的正交误差。
以上测试过程中，通过熔断弹性梁L1或弹性梁L3来抵消芯片中存在的正交误差，鉴于弹性梁L1～L8具有相同的结构且对称布置，所以也可以通过熔断弹性梁L1～L8中的其它弹性梁来获得相同的效果。
在另一些实施例中，对于每组固定锚点(本实施例中每组有2个固定锚点，如固定锚点A1和A2)对应的弹性梁中只有一条用于熔断，如将本实施中固定锚点A1和A2对应的弹性梁L1和L2中的弹性梁L1作为可熔断的弹性梁，此时就无须将弹性梁L2连接至外部金属焊盘，金属焊盘的减少有利于节省芯片面积。
本实施中每个固定锚点组具有2个固定锚点，在另一些实施例中，可以在每个固定锚点组中设置3个以上的固定锚点，每个固定锚点通过一条弹性梁连接质量块，可以在这些弹性梁中设置2条以上用于熔断，包括两种情形：
情形一、每条用于熔断的弹性梁具有相同的尺寸，或者是对于总刚度的影响相同，这样就可以通过选择熔断的弹性梁的数量来调整熔断后对于总刚度的影响程度，如熔断一条弹性梁不足以抵消现有正交误差的情况下，可以选择熔断其它弹性梁。
情形二、用于熔断的弹性梁的尺寸不完全相同，或者每条用于熔断的弹性梁对于总刚度的影响不完全相同，这样就可以通过选择特定的弹性梁或弹性梁组合来调整熔断后对于总刚度的影响程度，如选择熔断一条特定尺寸的弹性梁以抵消现有正交误差，或者是选择熔断两条特定尺寸的弹性梁以抵消现有正交误差。鉴于用于熔断的弹性梁的尺寸不完全相同，甚至是完全不相同，那么对于特定弹性梁以及弹性梁数量的选择可以构成诸多组合，如对于每组固定锚点具有3条用于熔断的弹性梁且各弹性梁的尺寸完全不相同，那么最多就会有7种组合，每种组合对于总刚度的影响程度都不同。
以上的两种情形都可形成一个可调范围，可以满足从粗调至微调的不同精度要求，扩大了应用范围。
上述实施例中的修正陀螺仪正交误差的方法，通过对弹性梁进行熔断的方式，使弹性梁的总刚度发生变化，以克服弹性梁刚度的不对称，从而有效地抵消正交误差，并可解决晶圆上正交误差分布不均的问题，易于实现、成本低。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种修正陀螺仪正交误差的方法，所述陀螺仪包括质量块和若干固定锚点，其特征在于，所述若干固定锚点分别通过弹性梁与所述质量块相连接，从而使所述质量块适于沿驱动方向和检测方向活动；通过在所述质量块和相应的固定锚点间加载电信号，使连接两者的弹性梁被熔断，进而调整所述质量块在不同轴向的支撑刚度，以抵消所述陀螺仪的正交误差。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述若干固定锚点限定了若干锚点组，所述若干锚点组及与其连接的弹性梁沿所述驱动方向和所述检测方向对称地设置于所述质量块的外围。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述锚点组至少包括两个固定锚点。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，与所述锚点组相连接的弹性梁中至少有一条弹性梁用于通过加载电信号进行熔断。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，与所述锚点组相连接的弹性梁中有两条以上尺寸相同的弹性梁用于熔断时，通过选择熔断的数量来控制对正交误差抵消的程度。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，与所述锚点组相连接的弹性梁中有两条以上尺寸不全相同的弹性梁用于熔断时，通过选择合适的弹性梁或弹性梁组合进行熔断来控制对正交误差抵消的程度。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述若干固定锚点分别通过导电材料连接到外部相应的金属焊盘上。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在制备所述陀螺仪的晶圆上，如不同区域的陀螺仪具有不同的正交误差，则针对各陀螺仪的实际情况选择熔断相应的弹性梁来使得所述不同区域的陀螺仪的正交误差均能被抵消。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在晶圆测试阶段，通过测试机台进行针对弹性梁的熔断操作。
10.一种陀螺仪，其特征在于，采用如权利要求1~9任一所述的方法制备。
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