CN111272162B - 单质量块三轴mems陀螺及其制备方法 - Google Patents

单质量块三轴mems陀螺及其制备方法 Download PDF

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Abstract

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。

Description

单质量块三轴MEMS陀螺及其制备方法
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)；
所述空腔结构层(2)的底面四边与底板(1)顶面的底板键合环(15)金硅键合，所述悬臂梁固支边框(35)的底面与空腔结构层(2)顶面的空腔基板键合环(23)金硅键合，各个S形悬臂梁悬置于空腔(22)之上并使质量块(31)悬置于空腔(22)之中，所述顶板(4)底面的接地引出电极(43)与悬臂梁固支边框(35)顶面的接地电极(36)金金键合，最终形成一个气密封闭结构。
作为本发明的进一步限定，所述底板基板(11)为正方形截面的基板，相应地，底板键合环(14)为内方外方截面的矩形环；
每组底电容输出电极包含2个并列设置的底电容输出电极(12)，每个底电容输出电极包括内侧的梯形部分(121)和外侧的矩形部分(122)；
每组底电容下电极包含2个并列设置的底电容下电极(13)，每个底电容下电极包括内侧的扇形部分(131)和外侧的梯形部分(132)；
每个底电容输出电极(12)的梯形部分(122)正对1个底电容下电极(13)的梯形部分(132)并由1个底板金属通孔(15)相连。
作为本发明的进一步限定，所述空腔基板(21)为正方形截面的厚基板，相应地，所述空腔基板键合环(23)为内方外方截面的矩形环。
作为本发明的进一步限定，所述底电容上电极(32)为扇形电极，1个底电容上电极(32)与对应的1组底电容下电极(13)的扇形部分(131)全等同形；
所述质量块金属通孔(33)连接质量块(3)底面的4个底电容上电极(32)与质量块顶面的接地电极(36)；
每个S形悬臂梁(34)包括若干个径向臂(341)和若干个横向臂(342)以及1个内侧径向支撑臂(343)和1个外侧径向支撑臂(344)，其中：
各个径向臂(341)的长度大于各个横向臂(342)的长度，各个内侧径向支撑臂(343)和各个外侧径向支撑臂(344)的长度大于正交相连的1个径向臂和1个横向臂的径向总长度，各个径向臂(341)和各个横向臂(342)的宽度相同，各个内侧径向支撑臂(343)和各个外侧径向支撑臂(344)的宽度不小于各个径向臂(341)和各个横向臂(342)的宽度；各个径向臂(341)和横向臂(342)以及各个内侧径向支撑臂(343)和外侧径向支撑臂(344)的厚度相同且不大于各个径向臂(341)和各个横向臂(342)的宽度；
所述各个S形悬臂梁(34)中的内侧径向支撑臂(343)、若干个径向臂(341)、若干个横向臂(342)、外侧径向支撑臂(344)依次相连，其中的径向臂和横向臂依次相间连接；所述4个S形悬臂梁(34)的内侧径向支撑臂(343)的外端对称连接于质量块(3)四侧上端的正中，其顶面与质量块(3)的顶面平齐，所述4个S形悬臂梁(34)的外侧径向支撑臂(344)的外端分别连接于悬臂梁固支边框(35)4个边的内侧，其顶面与悬臂梁固支边框(35)的顶面平齐；
所述悬臂梁固支边框(35)为内方外方截面的中空框架。
作为本发明的进一步限定，所述顶板基板(41)为正方形截面的基板；
所述顶板空腔(42)的截面与悬臂梁固支边框(35)中空部分的截面全等同形，所述顶板空腔(42)的深度为顶板基板(41)厚度的一半；
各个接地输出电极(44)为同形的矩形电极，所述4个顶板金属通孔(45)分别连接顶板基板(41)顶面的4个接地输出电极(44)和顶板基板(41)底面的接地引出电极(43)。
作为本发明的进一步限定，所述底板基板(11)、空腔基板(21)、悬臂梁固定边框(35)和顶板基板(41)具有相同的正方形外缘；
所述底板键合环(15)、空腔基板键合环(23)、悬臂梁固支边框(35)的底面、悬臂梁固支边框(35)的顶面、顶板基板(41)底面的接地引出电极(43)全等同形；
所述各个电极、各个键合环与其所在基板之间、各个金属通孔与其所贯穿基板之间由绝缘层(5)电隔离；
所述顶板(1)、空腔结构层(2)和底板(4)的基板材料均为硅单晶，制作质量块与悬臂梁结构层(3)的基板为SOI基板，所述各个电极、各个键合环和各个金属通孔的材料为金，所述各个绝缘层(5)的材料为二氧化硅或者氮化硅。
作为本发明的进一步限定，所述质量块悬置于空腔内，质量块的外侧面与空腔的内侧面的间隙以及质量块的底面与底板的顶面和质量块的顶面与顶板空腔顶面的间隙为质量块相对于空腔作面外前倾(或者后倾)、面外左倾(或者右倾)和面内左旋(或者右旋)偏转的空间；
质量块底面的4个底电容上电极与其下方底板顶面的8个底电容下电极构成8个底电容(6)，其中位于质量块底部前侧的两个底电容(61、62)组成第一感测电容对，位于质量块底部后侧的两个底电容(63、64)组成第二感测电容对，位于质量块底部左侧的两个底电容(65、66)组成第三感测电容对，位于质量块底部右侧的两个底电容(67、68)组成第四感测电容对。
作为本发明的进一步限定，静态时，悬置于空腔中的质量块的外侧面与空腔基板内侧面平行且等距，质量块的底面与底板的顶面以及质量块的顶面与顶板空腔的顶面平行且保持初始间距；
相应地，质量块底面的各个底电容上电极与其下方对应的各组底电容下电极平行、正对且保持相同的间隙高度，各个底电容的上下电极交叠面积相同，各个底电容的上下电极间隙高度相同，各个底电容具有相同的静态电容值，各个底电容输出电极与各个接地输出电极构成的8个底电容输出端口输出相同的静态电容值信号。
作为本发明的进一步限定，4个对称设置的S形悬臂梁支撑质量块，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，其中：
各个S形悬臂梁的径向臂为长的窄梁，易产生面内和面外的弯曲形变；
各个S形悬臂梁的横向臂为短的窄梁，不易产生面内和面外的弯曲形变；
各个内侧径向支撑臂和外侧径向支撑臂均为长的宽梁，不易产生面内横向弯曲形变。
以上结构特点使得当由4个S形悬臂梁对称支撑的质量块敏感惯性运动时，易于产生面外前倾(或者后倾)偏转、面外左倾(或者右倾)偏转和面内左旋(右旋)偏转而不易于产生面内的水平向前(或者向后)偏移、水平向左(或者向右)偏移和面外的垂直向上(或者向下)偏移，即所述单质量三轴MEMS惯性陀螺仅对面外前倾(或者后倾)、左倾(或者右倾)旋转角运动和面内左旋(或者右旋)角运动敏感，而对各个轴向的直线加速运动不敏感，实现所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所敏感的正交三轴旋转角运动与非预期的附加直线加速运动的解耦。
一种单质量块三轴MEMS陀螺制备方法，包括如下步骤：
1、制作底板；
(1-1)硅单晶基板顶面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面的氧化绝缘层；
(1-2)硅单晶基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底板金属通孔的端面所在区域的光刻胶胶膜；
(1-3)湿法腐蚀，去除待制底板金属通孔的端面所在区域的氧化绝缘层，去胶；
(1-4)干法刻蚀，形成穿通基板的硅通孔，去胶，去顶面氧化绝缘层；
(1-5)上述基板双面热氧化或者LPCVD，形成覆盖底板顶面、底板底面以及硅通孔内壁的氧化绝缘层；
(1-6)上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除上述硅通孔所在区域的光刻胶胶膜；
(1-7)磁控溅射，在上述硅通孔内壁依次覆盖钛膜和金膜，去胶，得到各个底板金属通孔；
(1-8)上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底电容下电极和底板键合环所在区域的光刻胶胶膜；
(1-9)磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
(1-10)去胶，连同去除覆盖在待制底电容下电极和待制底板键合环所在区域以外光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到各个底电容下电极和底板键合环；
(1-11)上述基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底电容输出电极所在区域的光刻胶胶膜；
(1-12)磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
(1-13)去胶，连同去除覆盖在底电容输出电极所在区域以外光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到各个底电容输出电极，完成底板的制作；
2、制作空腔结构层；
(2-1)硅单晶厚基板顶面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面的氧化绝缘层；
(2-2)上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制空腔基板键合环所在区域的光刻胶胶膜；
(2-3)磁控溅射，依次覆盖钛膜、金膜和钛膜；
(2-4)去胶，连同去除覆盖在空腔基板键合环所在区域以外的光刻胶胶膜上的钛-金-钛膜，得到空腔基板键合环；
(2-5)上述基板底面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板底面的氧化绝缘层；
(2-6)上述基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制空腔所在区域的光刻胶胶膜；
(2-7)湿法腐蚀，去除待制空腔所在区域的氧化绝缘层，去胶；
(2-8)干法刻蚀，去除待制空腔所在区域的硅单晶层，形成穿通基板的圆柱体形空腔，去胶，完成空腔结构层的制作；
3、制作质量块与悬臂梁结构层；
(3-1)准备SOI基板，所述SOI基板自上而下依次为硅单晶表面层、埋氧层和硅单晶支撑层；
(3-2)所述基板顶面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面的氧化绝缘层；
(3-3)上述SOI基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制质量块金属通孔的端面所在区域的光刻胶胶膜；
(3-4)湿法腐蚀，去除待制质量块金属通孔的端面所在区域的氧化绝缘层，去胶；
(3-5)干法刻蚀，形成穿通SOI基板的硅通孔，去胶，去顶面氧化绝缘层；
(3-6)上述SOI基板双面热氧化或者LPCVD，形成覆盖SOI基板顶面、SOI基板底面以及硅通孔内壁的氧化绝缘层；
(3-7)上述SOI基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除上述硅通孔所在区域的光刻胶胶膜；
(3-8)磁控溅射，在上述硅通孔内壁依次覆盖钛膜和金膜，去胶，得到质量块金属通孔；
(3-9)上述SOI基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制接地电极所在区域的光刻胶胶膜；
(3-10)磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
(3-11)去胶，连同去除覆盖在接地电极所在区域以外的光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到接地电极；
(3-12)上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底电容上电极所在区域的光刻胶胶膜；
(3-13)磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
(3-14)去胶，连同去除底电容上电极所在区域以外的光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到底电容上电极；
(3-15)上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制质量块底面底电容上电极所在区域以外的光刻胶胶膜；
(3-16)湿法刻蚀，去除待制质量块底面底电容上电极所在区域以外的SOI基板底面氧化绝缘层；
(3-17)干法刻蚀，去除待制质量块所在区域以外的SOI基板硅单晶支撑层，止于与待制悬臂梁固支边框的底面对应的位置去胶，去除基板底面氧化绝缘层；
(3-18)LPCVD，在上述SOI基板底面覆盖氧化绝缘层；
(3-19)上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制质量块底面与悬臂梁固支边框底面之间区域的光刻胶胶膜；
(3-20)湿法腐蚀，去除待制质量块底面与悬臂梁固支边框底面之间区域的氧化绝缘层；
(3-21)干法刻蚀，去除待制质量块与悬臂梁固支边框之间区域的SOI基板硅单晶支撑层，止于SOI基板中间的埋氧层，得到质量块下部结构，去胶；
(3-22)湿法刻蚀，去除待制质量块底面与悬臂梁固支边框之间区域的SOI基板埋氧层以及质量块底面、质量块侧面和悬臂梁固支边框底面的氧化绝缘层，形成各个悬臂梁的底面和悬臂梁固支边框的底面；
(3-23)上述SOI基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除步骤(3-9)～(3-11)所得接地电极所在区域以外的光刻胶胶膜；
(3-24)干法刻蚀，依次去除接地电极所在区域以外的SOI基板顶面氧化绝缘层和SOI基板硅单晶表面层，去胶，得到质量块、各个悬臂梁和悬臂梁固支边框，完成质量块与悬臂梁结构层的制作；
4、制作顶板
(4-1)硅单晶基板顶面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面的氧化绝缘层
(4-2)所述基板的顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制顶板金属通孔的端面所在区域的光刻胶胶膜；
(4-3)湿法腐蚀，去除待制顶板金属通孔的端面所在区域的氧化绝缘层，去胶；
(4-4)干法刻蚀，形成硅通孔，去胶，去顶面氧化绝缘层；
(4-5)双面热氧化或者LPCVD，形成基板顶面、基板底面以及硅通孔内壁的氧化绝缘层；
(4-6)上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除上述硅通孔所在区域的光刻胶胶膜；
(4-7)磁控溅射，在上述硅通孔内壁依次覆盖钛膜和金膜，去胶，得到各个顶板金属通孔；
(4-8)上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制接地输出电极所在区域的光刻胶胶膜；
(4-9)磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
(4-10)去胶，连同去除覆盖在接地输出电极所在区域以外光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到接地输出电极；
(4-11)上述基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制接地引出电极所在区域的光刻胶胶膜；
(4-12)磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
(4-13)去胶，连同去除覆盖在接地引出电极所在区域以外光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到接地引出电极；
(4-14)上述基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制顶板空腔所在区域的光刻胶胶膜；
(4-15)湿法刻蚀，去除待制顶板空腔所在区域的氧化绝缘层；
(4-16)干法刻蚀，去除上述基板底面待制顶板空腔所在区域的硅单晶层，止于基板厚度一半的位置，去胶，得到顶板空腔，完成顶板的制作；
上述各个电极、各个金属通孔制备步骤中溅射的钛膜用作增黏层；上述空腔基板键合环制备步骤中溅射的下层钛膜用作增黏层，溅射的上层钛膜用作增黏层和阻挡层。
5、结构层键合；
(5-1)将空腔结构层顶面的空腔基板键合环与悬臂梁固支边框底面对准贴合，置入键合机中，在设定的键合压力下保持设定的键合时间，再自然降温至室温，完成质量块与悬臂梁结构层与空腔结构层的金硅键合；
(5-2)将底板顶面的底板键合环与空腔结构层底面对准贴合，置入键合机中，在设定的键合压力下保持设定的键合时间，再自然降温至室温，完成底板与空腔结构层的金硅键合；
(5-3)将顶板底面四边的接地引出电极与悬臂梁固支边框顶面的接地电极对准贴合，置入键合机中，在设定的键合压力下保持设定的键合时间，再自然降温至室温，完成底板与质量块与悬臂梁结构层的金金键合。
本发明的工作原理为：
1.当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺仅敏感面外前倾(或者后倾)角运动时，质量块因惯性相对于空腔产生面外后倾(或者前倾)偏转，第一感测电容对和第二感测电容对中各个底电容的下电极相对于底电容上电极同时作面外前倾(或者后倾)偏转，而第三感测电容对和第四感测电容对中各个底电容的下电极相对于底电容上电极同时作面外侧向前倾(或者后倾)偏转，其中：
第一感测电容对中两个底电容的下电极相对于底电容上电极作面外前倾背向(或者后倾相向)偏转，两个底电容的上下电极交叠面积基本不变而上下电极间隙高度自内而外线性递增(或者递减)，两个底电容的电容值随之减小(或者增大)；
第二感测电容对中两个底电容的下电极相对于底电容上电极作面外前倾相向(或者后倾背向)偏转，两个底电容的上下电极交叠面积基本不变而上下电极间隙高度自内而外线性递减(或者递增)，两个底电容的电容值随之增大(或者减小)；
第三感测电容对中两个底电容的下电极相对于底电容上电极作面外侧向前倾背向(或者后倾相向)偏转，两个底电容的上下电极交叠面积基本不变而上下电极间隙高度自后而前线性递增(或者递减)，两个底电容的电容值随之减小(或者增大)；
第四感测电容对中两个底电容的下电极相对于底电容上电极作面外侧向前倾相向(或者后倾背向)偏转，两个底电容的上下电极交叠面积基本不变而上下电极间隙高度自前而后线性递减(或者递增)，两个底电容的电容值随之增大(或者减小)；
各个底电容的电容值变化量对应于其上下电极间隙高度沿偏转方向的线性变化率，即对应于各个底电容的下电极相对于底电容上电极所作面外前倾(或者后倾)偏转的面外偏转角，即对应于所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的面外前倾(或者后倾)角运动的角速度。
据此，通过相应的底电容输出电极实测各个底电容的电容值，可推算所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的面外前倾(或者后倾)角运动的角速度。
2、当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺仅敏感面外左倾(或者右倾)角运动时，质量块因惯性相对于空腔产生面外右倾(或者左倾)偏转，第三感测电容对和第四感测电容对中各个底电容的下电极相对于底电容上电极同时作面外左倾(或者右倾)偏转，而第一感测电容对和第二感测电容对中各个底电容的下电极相对于底电容上电极同时作面外侧向左倾(或者右倾)偏转，其中：
第三感测电容对中两个底电容的下电极相对于底电容上电极作面外左倾背向(或者右倾相向)偏转，两个底电容的上下电极交叠面积基本不变而上下电极间隙高度自内而外线性递减(或者递增)，两个底电容的电容值随之减小(或者增大)；
第四感测电容对中两个底电容的下电极相对于底电容上电极作面外左倾相向(或者左倾背向)偏转，两个底电容的上下电极交叠面积基本不变而上下电极间隙高度自内而外线性递减(或者递增)，两个底电容的电容值随之增大(或者减小)；
第一感测电容对中两个底电容的下电极相对于底电容上电极作面外侧向左倾背向(或者右倾相向)偏转，两个底电容的上下电极交叠面积基本不变而上下电极间隙高度自右而左线性递增(或者递减)，两个底电容的电容值随之减小(或者增大)；
第二感测电容对中两个底电容的下电极相对于底电容上电极作面外侧向左倾相向(或者右倾背向)偏转，两个底电容的上下电极交叠面积基本不变而上下电极间隙高度自左而右线性递减(或者递增)，两个底电容的电容值随之增大(或者减小)；
各个底电容的电容值变化量对应于其上下电极间隙高度沿偏转方向的线性变化率，即对应于各个底电容的下电极相对于底电容上电极所作面外左倾(或者右倾)偏转的面外偏转角，即对应于所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的面外左倾(或者右倾)角运动的角速度。
据此，通过相应的底电容输出电极实测各个底电容的电容值，可推算所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的面外左倾(或者右倾)角运动的角速度。
3、当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺仅敏感面内左旋(或者右旋)角运动时，质量块因惯性相对于空腔产生面内右旋(或者左旋)偏转，各个感测电容对中各个底电容的下电极相对于底电容上电极同时作面外左旋(或者右旋)偏转，其中：
各个感测电容对中位于旋转方向后侧的底电容的下电极相对于底电容上电极发生面内移入偏转，各个底电容的上下电极间隙高度和上下电极交叠面积均保持不变，各个底电容的电容值保持不变；
各个感测电容对中位于偏转方向前侧的底电容的下电极相对于底电容上电极发生面内移出偏转，各个底电容的上下电极间隙高度保持不变而上下电极交叠面积减小，各个底电容的电容值随之减小；
仅考虑各个感测电容对中其下电极相对于上电极作面内移出偏转的底电容即各个感测电容对中位于偏转方向前侧的底电容，各个底电容的电容值减小量对应于各个底电容上下电极交叠面积的减小量，即对应于各个底电容的下电极相对于底电容上电极所作面内右旋(或者左旋)移出偏转的面内偏转角，即对应于所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的面内左旋(或者右旋)角运动的角速度；
据此，通过相应的底电容输出电极实测相关的各个底电容的电容值，可推算所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的面内左旋(或者右旋)角运动的角速度。
4、当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺同时敏感面外前倾(或者后倾)、面外左倾(或者右倾)和面内左旋(或者右旋)角运动时，质量块因惯性相对于空腔同时产生面外后倾(或者前倾)、面外右倾(或者左倾)和面内右旋(或者左旋)偏转，各个感测电容对中的各个底电容的上电极相对于其下电极同时作面外前倾(或者后倾)、面外左倾(或者右倾)和面内左旋(或者右旋)偏转；
依据运动独立性原理，所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺同时敏感的面外前倾(或者后倾)、面外左倾(或者右倾)和面内左旋(或者右旋)正交三轴角运动使其各个底电容的下电极相对于底电容上电极同时所作面外后倾(或者前倾)偏转、面外右倾(或者左倾)偏转和面内右旋(或者左旋)偏转可视为所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺分别敏感的上述三种角运动使其各个底电容的下电极相对于底电容上电极分别所作面外前倾(或者后倾)偏转、面外左倾(或者右倾)偏转、面内左旋(或者右旋)偏转的叠加，其中：
第一感测电容对和第二感测电容对中位于面内旋转运动方向前侧的各个底电容的下电极相对于底电容上电极同时所作面外前倾背向(或者后倾相向)、面外侧向左倾背向(或者右倾相向)和面内左旋(或者右旋)移出偏转可视为所述底电容的下电极相对于底电容上电极分别所作面外前倾背向(或者后倾相向)偏转、面外侧向左倾背向(或者右倾相向)偏转和面内左旋(或者右旋)移出偏转的叠加，其中：
所作面外前倾背向(或者后倾相向)偏转使其上下电极间隙高度自内向外线性递增(或者递减)，所述底电容由静态时的平行极板电容结构变化为其上下电极间隙高度自内向外线性递增(或者递减)而上下电极交叠面积基本不变的非平行极板电容结构；
所作面外侧向左倾背向(或者右倾相向)偏转使其上下电极间隙高度自左向右线性递增(或者递减)，所述底电容由静态时的平行极板电容结构变化为其上下电极间隙高度自左向右线性递减(或者递增)而上下电极交叠面积基本不变的非平行极板电容结构；
所作面内左旋(或者右旋)移出偏转使其上下电极间隙高度保持不变而上下电极交叠面积减小，所述底电容由静态时的平行极板电容结构变化为上下电极交叠面积减小而上下电极间隙高度保持不变的平行极板电容结构。
而同时所作面外前倾背向(或者后倾相向)、面外侧向左倾背向(或者右倾相向)和面内左旋(或者右旋)移出偏转同时使其上下电极间隙自内向外线性递增(或者递减)、自左向右线性递减(或者递增)和上下电极交叠面积减小，所述底电容由静态时的平行极板电容结构变化为上下电极间隙高度自内向外线性递增(或者递减)、自左向右线性递减(或者递增)而上下电极交叠面积沿面内偏转方向减小的非平行极板电容结构。
第一感测电容对和第二感测电容对中位于面内旋转运动方向后侧的各个底电容的下电极相对于底电容上电极同时所作面外前倾背向(或者后倾相向)、面外侧向左倾相向(或者右倾背向)和面内左旋(或者右旋)移入偏转可视为所述底电容的下电极相对于底电容上电极分别所作面外前倾背向(或者后倾相向)偏转、面外侧向左倾相向(或者右倾背向)偏转和面内左旋(或者右旋)移入偏转的叠加，其中：
所作面外前倾背向(或者后倾相向)偏转使其上下电极间隙高度自内向外线性递增(或者递减)，所述底电容由静态时的平行极板电容结构变化为其上下电极间隙高度自内向外线性递增(或者递减)而上下电极交叠面积基本不变的非平行极板电容结构。
所作面外侧向左倾相向(或者右倾背向)偏转使其上下电极间隙高度自左向右线性递增(或者递减)，所述底电容由静态时的平行极板电容结构变化为其上下电极间隙高度自左向右线性递增(或者递减)而上下电极交叠面积基本不变的非平行极板电容结构。
所作面内左旋(或者右旋)移入偏转使其上下电极间隙高度保持不变并使其上下电极交叠面积保持不变，所述底电容保持其静态时的平行极板电容结构不变。
而同时所作面外前倾背向(或者后倾相向)、面外侧向左倾相向(或者右倾背向)和面内左旋(或者右旋)移入偏转同时使其上下电极间隙自内向外线性递增(或者递减)、自左向右线性递增(或者递减)和上下电极交叠面积保持不变，所述底电容由静态时的平行极板电容结构变化为上下电极间隙高度自内向外线性递增(或者递减)、自左向右线性递增(或者递减)而上下电极交叠面积保持不变的非平行极板电容结构。
第三感测电容对和第四感测电容对中位于面内旋转运动方向前侧的各个底电容的下电极相对于底电容上电极同时所作面外左倾背向(或者右倾相向)、面外侧向前倾相向(或者后倾背向)和面内左旋(或者右旋)移出偏转可视为所述底电容的下电极相对于底电容上电极分别所作面外左倾背向(或者右倾相向)偏转、面外侧向前倾相向(或者后倾背向)偏转和面内左旋(或者右旋)移出偏转的叠加，其中：
所作面外左倾背向(或者右倾相向)偏转使其上下电极间隙高度自左向右线性递增(或者递减)，所述底电容由静态时的平行极板电容结构变化为其上下电极间隙高度自左向右线性递增(或者递减)而上下电极交叠面积保持不变的非平行极板电容结构。
所作面外侧向前倾相向(或者后倾背向)偏转使其上下电极间隙高度自内向外线性递增(或者递减)，所述底电容由静态时的平行极板电容结构变化为其上下电极间隙高度自内向外线性递增(或者递减)而上下电极交叠面积基本不变的非平行极板电容结构。
所作面内左旋(或者右旋)移出偏转使其上下电极间隙高度保持不变而上下电极交叠面积减小，所述底电容由静态时的平行极板电容结构变化为上下电极交叠面积减小而上下电极间隙高度保持不变的平行极板电容结构。
而同时所作面外左倾背向(或者右倾相向)、面外侧向前倾相向(或者后倾背向)和面内左旋(或者右旋)移出偏转同时使其上下电极间隙自左向右线性递增(或者递减)、自内向外线性递增(或者递减)和上下电极交叠面积减小，所述底电容由静态时的平行极板电容结构变化为上下电极间隙高度自左向右线性递增(或者递减)、自内向外线性递增(或者递减)而上下电极交叠面积沿面内偏转方向减小的非平行极板电容结构。
第三感测电容对和第四感测电容对中位于面内旋转运动方向后侧的各个底电容的下电极相对于底电容上电极同时所作面外左倾背向(或者右倾相向)、面外侧向前倾背向(或者后倾相向)和面内左旋(或者右旋)移入偏转可视为所述底电容的下电极相对于底电容上电极分别所作面外左倾背向(或者右倾相向)偏转、面外侧向前倾背向(或者后倾相向)偏转和面内左旋(或者右旋)移出偏入的叠加，其中：
所作面外左倾背向(或者右倾相向)偏转使其上下电极间隙高度自左向右线性递增(或者递减)，所述底电容由静态时的平行极板电容结构变化为其上下电极间隙高度自左向右线性递增(或者递减)而上下电极交叠面积基本不变的非平行极板电容结构。
所作面外侧向前倾背向(或者后倾相向)偏转使其上下电极间隙高度自前向后线性递减(或者递增)，所述底电容由静态时的平行极板电容结构变化为其上下电极间隙高度自前向后线性递减(或者递增)而上下电极交叠面积基本不变的非平行极板电容结构。
所作面内左旋(或者右旋)移入偏转使其上下电极间隙高度保持不变并使其上下电极交叠面积保持不变，所述底电容保持其静态时的平行极板电容结构不变。
而同时所作面外左倾背向(或者右倾相向)、面外侧向前倾背向(或者后倾相向)和面内左旋(或者右旋)移入偏转同时使其上下电极间隙自左向右线性递增(或者递减)、自前向后线性递减(或者递增)和上下电极交叠面积保持不变，相应底电容由静态时的平行极板电容结构变化为上下电极间隙高度自左向右线性递增(或者递减)、自前向后线性递减(或者递增)而上下电极交叠面积保持不变的非平行极板电容结构。
将上述同时所作面外前倾(或者后倾)、面外左倾(或者右倾)和面内左旋(或者右旋)角运动所形成的非平行极板结构的底电容分别和同时所作面外前倾(或者后倾)、面外左倾(或者右倾)和面内左旋(或者右旋)角运动所形成的非平行极板结构的底电容等效为具有与其静态时相同上下电极交叠面积的等值平行极板电容，则同时所作面外前倾(或者后倾)、面外左倾(或者右倾)和面内左旋(或者右旋)角运动时相应底电容的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时上下电极间隙高度的变化量为所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺分别所作面外前倾(或者后倾)、面外左倾(或者右倾)和面内左旋(或者右旋)角运动时相应底电容的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时上下电极间隙高度的变化量的代数和。
并且，基于同一底电容结构，当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺敏感面外前倾(或者后倾)角运动时，第一感测电容对和第二感测电容对中各个底电容的下电极相对于底电容上电极作同向同幅度或者反向同幅度的面外前倾(或者后倾)偏转，与之同时，第三感测电容对和第四感测电容对中各个底电容的下电极相对于底电容上电极作同向同幅度或者反向同幅度的面外左倾(或者右倾)偏转，即所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所敏感的面外前倾(或者后倾)角运动使得第一感测电容对和第二感测电容对中各个底电容的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度产生同向同幅度或者反向同幅度的变化，同时使得第三感测电容对和第四感测电容对中各个底电容的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度产生同向同幅度或者反向同幅度的变化，且第三感测电容对和第四感测电容对中各个底电容的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度的变化幅度与第一感测电容对和第二感测电容对中各个底电容的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度的变化幅度成一定比例。
同理，基于同一底电容结构，当对所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺敏感面外左倾(或者右倾)角运动时，第三感测电容对和第四感测电容对中各个底电容的下电极相对于底电容上电极作同向同幅度或者反向同幅度的面外左倾(或者右倾)偏转，与之同时，第一感测电容对和第二感测电容对中各个底电容的下电极相对于底电容上电极作同向同幅度或者反向同幅度的面外前倾(或者后倾)偏转，即所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所作敏感的面外左倾(或者右倾)角运动使得第三感测电容对和第四感测电容对中各个底电容的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度产生同向同幅度或者反向同幅度的变化，同时使得第一感测电容对和第二感测电容对中各个底电容的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度产生同向同幅度或者反向同幅度的变化，而第一感测电容对和第二感测电容对中各个底电容的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度的变化幅度与第三感测电容对和第四感测电容对中各个底电容的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度的变化幅度成一定比例。
而基于同一底电容结构，当对所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺敏感面内左旋(或者右旋)角运动时，各个底电容的下电极相对于底电容上电极作同向同幅度的面内左旋(或者右旋)偏转，即所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所敏感的面内左旋(或者右旋)角运动使得各个底电容的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度产生同向同幅度的变化。
各个底电容的电容值随之发生变化，各个底电容的电容值变化量对应于所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所敏感的面外后倾(或者前倾)偏转、面外右倾(或者左倾)偏转和面内右旋(或者左旋)偏转使各个底电容的上下电极间隙高度相对于其静态时上下电极间隙高度的变化量和各个底电容的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时上下电极间隙高度的变化量，即对应于所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所敏感的面外后倾(或者前倾)偏转、面外右倾(或者左倾)偏转和面内右旋(或者左旋)偏转的角速度。
综上，可分别得到当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺同时敏感前倾(或者后倾)、左倾(或者右倾)和左旋(或者右旋)正交三轴角运动时对应于各个轴向角运动的相关底电容的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度的变化量与相应底电容的电容值变化量之间的关系，即可分别得到对应于各个轴向角运动的相应底电容的上下电极之间的面内偏转角和面外偏转角与相应底电容的电容值变化量之间的关系，即可分别得到所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺结构同时敏感前倾(或者后倾)、左倾(或者右倾)和左旋(或者右旋)正交三轴角运动时各个轴向角运动的角速度与相应底电容的电容值变化量之间的关系，实现所感测的正交三轴角运动之间的解耦。
据此，通过各个底电容输出电极实测各个底电容的电容值及其变化量，可推算所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺同时敏感的面外前倾(或者后倾)、面外左倾(或者右倾)和面内左旋(或者右旋)正交三轴角运动中各个轴向角运动的角速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明的单质量块三轴MEMS惯性陀螺采用惯性质量块敏感方式，当所述三轴惯性陀螺同时或者分别敏感面外前倾(或者后倾)偏转、面外左倾(或者右倾)偏转和面内左旋(右旋)偏转正交三轴角运动时，其中的质量块对应地产生面外后倾(或者前倾)偏转、面外右倾(或者左倾)偏转和面内右旋(左旋)偏转，由此形成的各个感测电容的上下电极之间沿各个轴向的角偏移对应于所感测的三个轴向角运动的角速度；
相比于常规的振动式陀螺，本发明的单质量块三轴MEMS惯性陀螺因无需额外的驱动机制而使总体结构更加简化、工艺制备更加简便。
(2)本发明的单质量块三轴惯性陀螺采用单质量块结构，所述质量块可单独敏感单一轴向的角运动，也可同时敏感两个或者三个轴向的角运动；
相比于多质量块结构的三轴陀螺，本发明的单质量块三轴MEMS惯性陀螺仅包含一套质量块-悬臂梁系统，总体结构简化，制备工艺简便。
(3)本发明的单质量块三轴MEMS惯性陀螺利用制作在质量块底面和底板顶面的平面电极对构成平行板电容，感测正交三轴角运动的角速度；
平行板电容一般由两个相互平行的平面导体极板和介质间隙构成，若间隙的介质类型确定，平板行电容的电容值由其两个导体极板的交叠面积和间距所决定。广义上，平行板电容的两个导体极板不一定在任何情况下都严格平行，非平行平板电容可等效为与之具有相同极板交叠面积或者相同极板间距的等值平行极板电容；
当本发明的单质量块三轴MEMS惯性陀螺用于同时或者分别敏感面外前倾(或者后倾)、面外左倾(或者右倾)和面内左旋(或者右旋)角运动时，质量块因惯性相对于空腔分别或者同时产生面外后倾(或者前倾)、面外右倾(或者左倾)和面内右旋(或者左旋)偏转，各个感测电容对中各个底电容的下电极相对于底电容上电极分别或者同时作面外前倾(或者后倾)、面外左倾(或者右倾)和面内左旋(或者右旋)偏转，各个底电容的上下电极间隙高度和/或交叠面积发生变化，各个底电容的电容值随之发生变化，各个底电容的电容值变化量反映所感测的正交三轴角运动中各个轴向角运动的角速度；
相比于常规的梳齿式电容敏感结构，本发明的单质量块三轴MEMS惯性陀螺中的平面平行板电容的电极面积大，感测电容值动态范围大，感测精度高。
(4)针对本发明的单质量块三轴MEMS惯性陀螺所采用的一体化的质量块和敏感电容结构特点，依据运动独立性原理，采用等效电容方法提取各个轴向角运动的角速度与相关底电容的电容值变化量之间的对应关系，分离各个轴向的角运动，实现所感测的正交三轴角运动的各个轴向角运动量之间的解耦；
与采用多质量块结构实现正交三轴角运动解耦的方法相比，本发明所采用的解耦方法，可以简化三轴陀螺的总体结构，提高各个轴向角运动量的感测灵敏度和感测精度。
(5)本发明的单质量块三轴MEMS惯性陀螺采用对称设置的组合S形悬臂梁结构，各个组合悬臂梁中悬臂及支撑臂为非对称结构，其中感测轴向的柔度较大而非感测轴向的刚度较大；由所述组合S形悬臂梁结构支撑的质量块仅对面内左旋(或者右旋)角运动和面外前倾(或者后倾)、左倾(或者右倾)角运动敏感，而对各个轴向的直线加速运动不敏感，可以实现所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所敏感的旋转角运动与非预期的附加直线加速运动之间的解耦，提高各个轴向角运动量的感测灵敏度和感测精度。本发明可用于感测面内和面外正交三轴旋转角运动。
附图说明
图1为本发明的总体结构剖示图；
图2为本发明中的底板底面电极结构示意图；
图3为本发明中的底板顶面电极结构示意图；
图4为本发明中的空腔结构层底面示意图；
图5为本发明中的质量块与悬臂梁结构层底面示意图；
图6为本发明中的质量块与悬臂梁结构层顶面示意图；
图7为本发明中的顶板底面示意图；
图8为本发明中的顶板顶面电极结构示意图；
图9为本发明中的底电容结构及分布示意图。
图中：
1底板、11底板基板、12底电容输出电极、121底电容输出电极梯形部分、122底电容输出电极矩形部分、13底电容下电极、131底电容下电极扇形部分、132底电容下电极梯形部分、14底板键合环、15底板金属通孔；
2空腔结构层、21空腔基板、22空腔、23空腔基板键合环；
3质量块与悬臂梁结构层、31质量块、32底电容上电极、33质量块金属通孔、34S形悬臂梁、341S形悬臂梁径向臂、342S形悬臂梁横向臂、343内侧径向悬臂梁、344外侧径向悬臂梁、35悬臂梁固支边框、36接地电极；
4顶板、41顶板基板、42顶板空腔、43接地引出电极、44接地输出电极、45顶板金属通孔；
5绝缘层；
6底电容、61底电容C1、62底电容C2、63底电容C3、64底电容C4、65底电容C5、66底电容C6、67底电容C7、68底电容C8。
具体实施方式
具体实施例：一种单质量块三轴MEMS惯性陀螺。
结合图1至图8，所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺包括底板、空腔结构层、质量块与悬臂梁结构层、顶板，各个结构层自下而上依次键合。
结合图1、图2和图3，所述底板包括底板基板、4组底电容输出电极、4组底电容下电极、底板键合环和8个底板金属通孔；
所述底板基板为正方形截面的基板；
所述4组底电容输出电极位于底板基板底面的四边且相对于底板底面中心对称分布，1组底电容输出电极包含2个并列的底电容输出电极，各个底电容输出电极包括内侧的梯形部分和外侧的矩形部分；
所述4组底电容下电极位于底板基板顶面的中部且相对于底板顶面中心对称分布，1组底电容下电极包含两个并列的底电容下电极，各个底电容下电极包括内侧的扇形部分和外侧的梯形部分，1个底电容输出电极的梯形部分正对1个底电容下电极的梯形部分；
所述底板键合环为内方外方截面的矩形环，位于底板基板顶面且环绕底板基板顶面的四边；
所述8个底板金属通孔贯穿底板基板，1个底板金属通孔连接1个底电容输出电极和1个底电容下电极。
结合图1和图4，所述空腔结构层包括空腔基板、空腔和空腔基板键合环。
所述空腔基板为正方形外缘的厚基板；
所述空腔为圆柱体形，位于空腔基板的中部且贯穿空腔基板；
所述空腔基板键合环为内方外方截面的矩形环，位于空腔基板底面且环绕空腔基板顶面的四边。
结合图1、图5和图6，所述质量块与悬臂梁结构层包括质量块，4个底电容上电极，质量块金属通孔、4个S形悬臂梁、悬臂梁固支边框和接地电极；
所述质量块为与空腔对应的圆柱体形；
所述4个底电容上电极位于质量块底面且相对于质量块底面中心对称分布，所述底电容上电极为扇形电极，1个底电容上电极与1组底电容下电极的扇形部分全等同形；
所述质量块金属通孔贯穿质量块的中央，连接质量块底面上的4个底电容上电极和质量块顶面上的接地电极；
所述S形悬臂梁包括若干个径向臂和横向臂以及1个内侧径向支撑臂和1个外侧径向支撑臂，其中：
各个径向臂的长度至少为各个横向臂的长度的2倍，各个内侧径向支撑臂和各个外侧径向支撑臂的长度大于正交相连的1个径向臂和1个横向臂的径向总长度，各个径向臂和各个横向臂的宽度相同，各个内侧径向支撑臂和各个外侧径向支撑臂的宽度不小于各个径向臂和各个横向臂的宽度的2倍，各个径向臂和横向臂以及各个内侧径向支撑臂和外侧径向支撑臂的厚度相同且等于各个径向臂和各个横向臂的宽度；
所述各个S形悬臂梁中的内侧径向支撑臂、径向臂、横向臂、外侧径向支撑臂依次相连，其中的径向臂和横向臂依次相间连接；所述4个S形悬臂梁的内侧径向支撑臂的外端对称连接于质量块四侧上端的正中，其顶面与质量块的顶面平齐，所述4个S形悬臂梁的外侧径向支撑臂的外端分别连接于悬臂梁固支边框4个边的内侧，其顶面与悬臂梁固支边框的顶面平齐；
所述悬臂梁固支边框为内方外方截面的中空边框；
所述接地电极覆盖质量块的顶面、各个悬臂梁的顶面和悬臂梁固支边框的顶面。
结合图1、图7和图8，所述顶板包括顶板基板，顶板空腔、接地引出电极、4个接地输出电极和4个顶板金属通孔；
所述顶板基板为正方形截面的基板；
所述顶板空腔位于顶板基板底面的中部，所述顶板空腔的截面与悬臂梁固支边框中空部分的截面全等同形，所述顶板空腔的深度为顶板基板厚度的一半；
所述接地引出电极覆盖顶板基板底面的四边，所述接地引出电极与悬臂梁固支边框顶面部分的接地电极全等同形；
所述4个接地输出电极位于顶板基板顶面且相对于顶板基板顶面的中心对称分布，各个接地输出电极(44)为同形的矩形电极；
所述4个顶板金属通孔贯穿顶板基板，4个顶板金属通孔对应连接4个接地输出电极和接地引出电极。
结合图1、所述底板基板、空腔基板和顶板基板具有相同边长的正方形外缘。
结合图1，所述底板键合环、空腔基板键合环、悬臂梁固支边框的底面和悬臂梁固支边框的顶面与顶板基板底面的接地引出电极均全等同形。
结合图1，所述各个电极、各个键合环与其所在基板之间、各个金属通孔与其所贯穿基板之间由绝缘层电隔离。
结合图1，所述顶板、空腔结构层和底板的基板材料均为硅单晶，制作质量块与悬臂梁结构层的基板为SOI基板，所述各个电极、各个键合环和各个金属通孔的材料为金，所述绝缘层材料为二氧化硅或者氮化硅。
结合图1，所述空腔结构层的底面四边与底板顶面的底板键合环金硅键合，所述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。
结合图1和图9，所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺结构中，质量块底面的4个底电容上电极与其下方底板顶面的8个底电容下电极构成8个底电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和C8，其中，C1和C2组成第一感测电容对，C3和C4组成第二感测电容对，C5和C6组成第三感测电容对，C7和C8组成第四感测电容对。
静态时，悬置于空腔内的质量块的外侧面与空腔的内侧面平行且等距，质量块的底面与底板的顶面以及质量块的顶面与顶板的底面平行且保持初始间距；
相应地，各个底电容上电极与对应的各组底电容下电极平行、正对且保持相同的间隙高度，各个底电容具有相同的静态电容值CO，各个底电容通过各个底电容输出电极与各个接地输出电极构成的8个底电容输出端口输出相同的静态电容值信号。
当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺仅敏感面外前倾(或者后倾)角运动时，质量块因惯性相对于空腔产生面外后倾(或者前倾)偏转，第一感测电容对和第二感测电容对中各个底电容的下电极同时相对于底电容上电极作面外前倾(或者后倾)偏转，其中：
第一感测电容对中C1和C2的下电极相对于底电容上电极作面外前倾背向(或者后倾相向)偏转，C1和C2的上下电极间隙高度自内而外线性递增(或者递减)而上下电极交叠面积基本不变，C1和C2由静态时上下电极相互平行的平行极板电容结构变化为上下电极相互倾斜的非平行极板电容结构，C1和C2的电容值随之发生变化，C1和C2的电容值变化量对应于其上下电极间隙高度自内而外的线性变化率，即对应于其下电极相对于底电容上电极所作面外前倾背向(或者后倾相向)偏转的面外偏转角，即对应于所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的面外前倾(或者后倾)角运动的角速度。
第二感测电容对中C3和C4的下电极相对于底电容上电极作面外前倾相向(或者后倾背向)偏转，C3和C4的上下电极间隙高度自内向外线性递减(或者递增)而上下电极交叠面积基本不变，C3和C4由静态时上下电极相互平行的平行极板电容结构变化为上下电极相互倾斜的非平行极板电容结构，C3和C4的电容值随之发生变化，C3和C4的电容值变化量对应于其上下电极间隙高度自内而外的线性变化率，即对应于其下电极相对于底电容上电极所作面外前倾相向(或者后倾背向)偏转的面外偏转角，即对应于所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的面外前倾(或者后倾)角运动的角速度。
将所述非平行极板结构的C1、C2、C3和C4等效为具有与其静态时相同上下极板交叠面积的等值平行极板电容，而基于同一质量块与底电容结构，C1、C2、C3和C4相应的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时上下电极间隙高度的变化量相同，设此上下电极间隙高度的变化量为Δd′，则有：
Figure BDA0002397083870000141
或者
Figure BDA0002397083870000142
或者
Figure BDA0002397083870000143
Figure BDA0002397083870000144
或者
Figure BDA0002397083870000145
和
Figure BDA0002397083870000146
或者
Figure BDA0002397083870000147
即有：
Figure BDA0002397083870000148
或者
Figure BDA0002397083870000149
或者
Figure BDA00023970838700001410
Figure BDA00023970838700001411
或者
Figure BDA00023970838700001412
或者
Figure BDA00023970838700001413
且有：
Figure BDA00023970838700001414
式中，φ为C1、C2、C3和C4上下电极之间的倾斜角即所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所敏感的面外前倾(或者后倾)角运动的偏转角，r为各个底电容上电极的扇形半径，S0为静态时各个底电容的上下电极交叠面积，ε为各个底电容上下电极之间绝缘介质的介电常数。
据此，通过C1、C2、C3和C4对应的底电容输出电极实测C1、C2、C3和C4的电容值，可推算所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的面外前倾(或者后倾)角运动的角速度；
而基于同一质量块与底电容结构，当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所敏感的面外前倾(或者后倾)角运动使C1和C2的下电极相对于底电容上电极作面外前倾背向(或者后倾相向)偏转而C3和C4的下电极相对于底电容上电极作面外前倾相向(或者后倾背向)偏转的同时，C5和C7的下电极相对于底电容上电极作侧向的面外前倾相向(或者后倾背向)偏转而C6和C8的下电极相对于底电容上电极作侧向的面外前倾背向(或者左倾相向)偏转，C5、C6、C7和C8由静态时上下电极相互平行的平行极板电容结构变化为上下电极相互侧向倾斜的非平行极板电容结构，C5、C6、C7和C8的电容值随之发生变化。
将所述非平行极板结构的C5、C6、C7和C8等效为具有与其静态时相同上下极板交叠面积的等值平行极板电容，而基于同一质量块与底电容结构，C5、C6、C7和C8相应的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时上下电极间隙高度的变化量相同，设此上下电极间隙高度的变化量为Δd″，则有：
Figure BDA00023970838700001415
或者
Figure BDA00023970838700001416
或者
Figure BDA00023970838700001417
Figure BDA0002397083870000151
或者
Figure BDA0002397083870000152
或者
Figure BDA0002397083870000153
即有：
Figure BDA0002397083870000154
或者
Figure BDA0002397083870000155
或者
Figure BDA0002397083870000156
Figure BDA0002397083870000157
或者
Figure BDA0002397083870000158
或者
Figure BDA0002397083870000159
且有：
Figure BDA00023970838700001510
式中，φ为C5、C6、C7和C8的上下电极之间的倾斜角即所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所敏感的面内前倾(或者后倾)角运动的偏转角，a为各个底电容扇形上电极的弦长，S0为静态时各个底电容的上下电极交叠面积，ε为各个底电容上下电极之间绝缘介质的介电常数。
而基于同一质量块与底电容结构，当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺敏感面外前倾(或者后倾)角运动时，C5、C6、C7和C8的下电极相对于底电容上电极的侧向偏转角与C1、C2、C3和C4的下电极相对于底电容上电极的偏转角相同，即有：
Figure BDA00023970838700001511
令
Figure BDA00023970838700001512
则有
Figure BDA00023970838700001513
式中，a为各个底电容扇形上电极的弦长，r为各个底电容上电极的扇形半径。
即当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺敏感面外前倾(或者后倾)角运动时，C1、C2、C3和C4对应的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度的变化量为Δd′，与之同时，C5、C6、C7和C8对应的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度的变化量为Δd″＝k1·Δd′。
当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺仅敏感面外左倾(或者右倾)角运动时，质量块因惯性相对于空腔作面外右倾(或者左倾)偏转，第三感测电容对和第四感测电容对中各个底电容的下电极同时相对于底电容上电极作面外前倾(或者后倾)偏转，其中：
第三感测电容对中C5和C6的下电极相对于底电容上电极作面外左倾背向(或者右倾相向)偏转，C5和C6的上下电极间隙高度自内向外线性递增(或者递减)而上下电极交叠面积基本不变，C5和C6由静态时上下电极相互平行的平行极板电容结构变化为上下电极相互倾斜的非平行极板电容结构，C5和C6的电容值随之发生变化，C5和C6的电容值变化量对应于其上下电极间隙高度自内向外的线性变化率，即对应于其下电极相对于底电容上电极所作面外左倾背向(或者右倾相向)偏转的面外偏转角，即对应于所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的面外左倾(或者右倾)角运动的角速度。
第四感测电容对C7和C8的下电极相对于底电容上电极发生面外左倾相向(或者右倾背向)偏转，C7和C8的上下电极间隙高度自内向外线性递减(或者递增)而上下电极交叠面积基本不变，C7和C8由静态时上下电极相互平行的平行极板电容结构变化为上下电极相互倾斜的非平行极板电容结构，C7和C8的电容值随之发生变化，C7和C8的电容值变化率对应于其上下电极间隙高度自内向外的线性变化率，即对应于其下电极相对于底电容上电极所作面外左倾背向(或者右倾相向)偏转的面外偏转角，即对应于所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的面外左倾(或者右倾)角运动的角速度。
将所述非平行极板结构的C5、C6、C7和C8等效为具有与其静态时相同上下极板交叠面积的等值平行极板电容，而基于同一质量块与底电容结构，C5、C6、C7和C8相应的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时上下电极间隙高度的变化量相同，设此上下电极间隙高度的变化量为Δd″，则有：
Figure BDA0002397083870000161
和
Figure BDA0002397083870000162
或者
Figure BDA0002397083870000163
和
Figure BDA0002397083870000164
即有：
Figure BDA0002397083870000165
或者
Figure BDA0002397083870000166
且有：
Figure BDA0002397083870000167
式中，φ为C5、C6、C7和C8上下电极之间的倾斜角即所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所敏感的面外左倾(或者右倾)角运动的偏转角，r为各个底电容上电极的扇形半径，S0为静态时各个底电容的上下电极交叠面积，ε为各个底电容上下电极之间绝缘介质的介电常数。
据此，通过C5、C6、C7和C8对应的底电容输出电极实测C5、C6、C7和C8的电容值，可推算所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的面外左倾(或者右倾)角运动的角速度。
而基于同一质量块与底电容结构，当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所敏感的面外左倾(或者右倾)角运动使C5和C6的下电极相对于底电容上电极作面外左倾相向(或者右倾背向)偏转而C7和C8的下电极相对于底电容上电极作面外左倾背向(或者右倾相向)偏转的同时，C1和C3的下电极相对于底电容上电极作侧向的面外左倾背向(或者右倾相向)偏转而C2和C4的下电极相对于底电容上电极作侧向的面外左倾相向(或者右倾背向)偏转，C1、C2、C3和C4由静态时上下电极相互平行的平行极板电容结构变化为上下电极相互侧向倾斜的非平行极板电容结构，C1、C2、C3和C4的电容值随之发生变化。
将所述非平行极板结构的C1、C2、C3和C4等效为具有与其静态时相同上下极板交叠面积的等值平行极板电容，而基于同一质量块与底电容结构，C1、C2、C3和C4相应的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时上下电极间隙高度的变化量相同，设此上下电极间隙高度的变化量为Δd′，则有：
Figure BDA0002397083870000171
和
Figure BDA0002397083870000172
或者
Figure BDA0002397083870000173
和
Figure BDA0002397083870000174
即有：
Figure BDA0002397083870000175
或者
Figure BDA0002397083870000176
且有：
Figure BDA0002397083870000177
式中，φ为C1、C2、C3和C4上下电极之间的倾斜角即所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所敏感的面内左倾(或者右倾)角运动的偏转角，a为各个底电容扇形上电极的弦长，S0为静态时各个底电容的上下电极交叠面积，ε为各个底电容上下电极之间绝缘介质的介电常数。
而基于同一质量块与底电容结构，当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺敏感面外左倾(或者右倾)角运动时，C1、C2、C3和C4的下电极相对于底电容上电极与C5、C6、C7和C8的下电极相对于底电容上电极作相同角度的偏转，即有：
Figure BDA0002397083870000178
令
Figure BDA0002397083870000179
则有
Figure BDA00023970838700001710
式中，a为各个底电容扇形上电极的弦长，r为各个底电容上电极的扇形半径。
即当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺敏感面外左倾(或者右倾)角运动时，C5、C6、C7和C8对应的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度的变化量为Δd″，与之同时，C1、C2、C3和C4对应的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度的变化量为Δd′＝k2·Δd″。
当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺仅敏感面内左旋(或者右旋)角运动时，质量块因惯性相对于空腔作面内右旋(或者左旋)偏转，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和C8的下电极相对于底电容上电极作面内左旋(或者右旋)偏转，其中：
C1、C4、C5和C8(或者C2、C3、C6和C7)的下电极相对于底电容上电极作面内左旋移出偏转，C1、C4、C5和C8(或者C2、C3、C6和C7)的上下电极交叠面积减小而上下电极间隙高度保持不变，C1、C4、C5和C8(或者C2、C3、C6和C7)由静态时的平行极板电容结构变化为上下电极交叠面积减小的平行极板电容结构，C1、C4、C5和C8(或者C2、C3、C6和C7)的电容值随之减小，C1、C4、C5和C8(或者C2、C3、C6和C7)的电容值变化量对应于其上下电极交叠面积的减小量，即对应于其下电极相对于底电容上电极所作面内左旋(或者右旋)移出偏转的面内偏转角，即对应于所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的面内左旋(或者右旋)角运动的角速度。
C2、C3、C6和C7(或者C1、C4、C5和C8)的下电极相对于底电容上电极作面内左旋移入偏转，C2、C3、C6和C7(或者C1、C4、C5和C8)的上下电极交叠面积和上下电极间隙高度均保持不变，C2、C3、C6和C7(或者C1、C4、C5和C8)保持其静态时的平行极板电容结构不变，C2、C3、C6和C7(或者C1、C4、C5和C8)的电容值保持不变；
仅考虑C1、C4、C5和C8(或者C2、C3、C6和C7)的情况。
将所述上下电极交叠面积减小的平行极板结构的C1、C4、C5和C8(或者C2、C3、C6和C7)等效为具有与其静态时相同上下电极交叠面积的等值平行极板电容，而基于同一底电容结构，C1、C4、C5和C8(或者C2、C3、C6和C7)相应的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度的变化量相同，设此上下电极间隙高度的变化量为Δd″′，则有：
Figure BDA0002397083870000181
和
Figure BDA0002397083870000182
即有：
Figure BDA0002397083870000183
或者
Figure BDA0002397083870000184
或者
Figure BDA0002397083870000185
或者
Figure BDA0002397083870000186
且有：
Figure BDA0002397083870000187
式中，φ为C1、C4、C5和C8(或者C2、C3、C6和C7)上下电极之间的偏转角即所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所敏感的面内左旋(或者右旋)角运动的偏转角，d0为静态时各个底电容的上下电极间隙高度，S0为静态时各个底电容的上下电极交叠面积，ε为各个底电容上下电极之间绝缘介质的介电常数。
据此，通过C1、C4、C5和C8(或者C2、C3、C6和C7)对应的底电容输出电极实测C1、C4、C5和C8(或者C2、C3、C6和C7)的电容值，即可推算所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的面内左旋(或者右旋)角运动的角速度。
当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺同时敏感面外前倾(或者后倾)、面外左倾(或者右倾)和面内左旋(或者右旋)角运动时，质量块因惯性相对于空腔同时产生面外后倾(或者前倾)、面外右倾(或者左倾)和面内右旋(或者左旋)偏转，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和C8的下电极相对于底电容上电极同时作面外前倾(或者后倾)、面外左倾(或者右倾)和面内左旋(或者右旋)偏转，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和C8的上下电极交叠面积和上下电极间隙高度同时发生变化，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和C8的电容值随之发生变化。
不失一般性地，以所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺同时敏感面外后倾、面外左倾和面内右旋正交三轴角运动的情况为例说明如下：
当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺同时敏感面外后倾、面外左倾和面内右旋角运动时，质量块因惯性相对于空腔同时产生面外前倾偏转、面外右倾偏转和面内左旋偏转，各个感测电容对中各个底电容的下电极相对于底电容上电极同时作面外后倾偏转、面外左倾偏转和面内右旋偏转，结合图9，其中：
第一感测电容对中，C1的下电极相对于底电容上电极同时作面外后倾相向偏转、面外侧向左倾背向偏转和面内右旋移入偏转，C2的下电极相对于底电容上电极同时作面外后倾相向偏转、面外侧向左倾相向偏转和面内右旋移出偏转；
第二感测电容对中，C3的下电极相对于底电容上电极同时作面外后倾背向偏转、面外侧向左倾背向偏转和面内右旋移出偏转，C4的下电极相对于底电容上电极同时作面外后倾背向偏转、面外侧向左倾相向偏转和面内右旋移入偏转；
第三感测电容对中，C5的下电极相对于底电容上电极同时作面外左倾背向偏转、面外侧向后倾背向偏转和面内右旋移入偏转，C6的下电极相对于底电容上电极同时作面外左倾背向偏转、面外侧向后倾相向偏转和面内右旋移出偏转；
第四感测电容对中，C7的下电极相对于底电容上电极同时作面外左倾相向偏转、面外侧向后倾背向偏转和面内右旋移出偏转，C8的下电极相对于底电容上电极同时作面外左倾相向偏转、面外侧向前倾相向偏转和面内右旋移入偏转。
相应地，C1的上下电极交叠面积保持不变而上下电极间隙高度自内向外线性递减且自右向左线性递增，C2的上下电极交叠面积减小而上下电极间隙高度自内向外线性递减且自左向右线性递减，C3的上下电极交叠面积减小而上下电极间隙高度自内向外线性递增且自右向左线性递增，C4的上下电极交叠面积保持不变而上下电极间隙高度自内向外线性递增且自左向右线性递减，C5的上下电极交叠面积保持不变而上下电极间隙高度自内向外线性递增且自前向后线性递增，C6的上下电极交叠面积减小而上下电极间隙高度自内向外线性递增且自后向前线性递减，C7的上下电极交叠面积减小而上下电极间隙高度自内向外线性递减且自前向后线性递增，C8的上下电极交叠面积保持不变而上下电极间隙高度自内向外线性递减且自后向前线性递减。
仅考虑C2、C3、C6和C7，并首先以C2为例进行说明如下：
如上所述，当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺同时敏感面外后倾、面外左倾和面内右旋正交三轴角运动时，C2的下电极相对于底电容上电极同时作面外后倾相向偏转、面外侧向左倾相向偏转和面内右旋移出偏转，C2的上下电极间隙高度自内向外线性递减且自左向右线性递减且上下电极交叠面积减小，C2由静态时上下电极相互平行的平行极板电容结构变化为上下电极相互倾斜且上下电极交叠面积减小的非平行极板电容结构，C2的电容值随之发生变化。
将非平行极板电容结构的C2等效为具有与其静态时相同上下电极交叠面积的等值平行极板电容，设Δd2为C2相应的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度的变化量，则有：
Figure BDA0002397083870000191
(当C2<C0时)，或者
Figure BDA0002397083870000192
(当C2>C0时)，
即有：
Figure BDA0002397083870000193
(当C2<C0时)，或者
Figure BDA0002397083870000194
(当C2>C0时)，
式中，S0为静态时各个底电容的上下电极交叠面积，d0为静态时各个底电容的上下电极间隙高度，ε为各个底电容上下电极之间绝缘介质的介电常数。
根据运动独立性原理，当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺同时敏感面外后倾、面外左倾和面内右旋正交三轴角运动时，C2的下电极相对于底电容上电极同时所作面外前倾相向偏转、面外侧向右倾相向偏转和面内左旋移出偏转可以视为所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺分别敏感上述三种角运动时C2的下电极相对于底电容上电极分别所作面外前倾相向偏转、面外侧向右倾相向偏转和面内左旋移出偏转的叠加，其中：
当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺单独敏感面外后倾角运动时，C2的下电极相对于底电容上电极作面外后倾相向偏转，C2由静态时上下电极相互平行的平行极板电容结构变化为上下电极间隙高度自内向外线性递减而上下电极交叠面积基本不变的非平行极板电容结构，将此非平行极板电容结构的C2等效为具有与其静态时相同上下电极交叠面积的等值平行极板电容，并设Δd′2为C2对应的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度的变化量；
当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺单独敏感面外左倾角运动时，C2的下电极相对于底电容上电极作面外侧向右倾相向偏转，C2由静态时上下电极相互平行的平行极板电容结构变化为上下电极间隙高度自左向右线性递减而上下电极交叠面积基本不变的非平行极板电容结构，将此非平行极板电容结构的C2等效为具有与其静态时相同上下电极交叠面积的等值平行极板电容，并设Δd″2为C2对应的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度的变化量；
当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺单独敏感面内右旋角运动时，C2的下电极相对于底电容上电极作面内右旋移出偏转，C2由静态时上下电极相互平行的平行极板电容结构变化为上下电极交叠面积减小而上下电极间隙高度保持不变的平行极板电容结构。将此上下电极交叠面积减小而上下电极间隙高度保持不变的平行极板电容结构的C2等效为具有与其静态时相同上下电极交叠面积的等值平行极板电容，并设Δd″′3为C2对应的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度的变化量；
而当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺同时敏感面外后倾、面外左倾和面内右旋正交三轴角运动时，C2对应的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度的变化量为当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺分别作面外后倾、面外左倾和面内右旋正交三轴角运动时C2对应的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度的变化量的代数和，即有：
Δd2＝-Δd′2-Δd″2+Δd″′2，
同理，对C3、C6和C7分别有：
Δd3＝Δd′3+Δd″3+Δd″′3，
Δd6＝-Δd′6+Δd″6+Δd″′6，
Δd7＝Δd′7-Δd″7+Δd″′7，
其中：
Figure BDA0002397083870000201
(当C3<C0时)，或者
Figure BDA0002397083870000202
(当C3>C0时)，
Figure BDA0002397083870000203
(当C6<C0时)，或者
Figure BDA0002397083870000204
(当C6>C0时)，
Figure BDA0002397083870000211
(当C7<C0时)，或者
Figure BDA0002397083870000212
(当C7>C0时)，
而如前所讨论，基于同一质量块与底电容结构，C2、C3、C6、C7之间存在如下的关系：
Δd′2＝Δd′3，Δd″2＝Δd″3；Δd′6＝Δd′7，Δd″6＝Δd″7；
Figure BDA0002397083870000213
且有Δd″2＝k1·Δd′6或者Δd″2＝k1·Δd′7，Δd″3＝k1·Δd′6或者Δd″3＝k1·Δd′7，
或有：
Δd″6＝k2·Δd′2或者Δd″6＝k2·Δd′3，Δd″7＝k2·Δd′2或者Δd″7＝k2·Δd′3，
其中：
Figure BDA0002397083870000214
式中，S0为静态时各个底电容的上下电极交叠面积，d0为静态时各个底电容的上下电极间隙高度，ε为各个底电容上下电极之间绝缘介质的介电常数，a为各个底电容扇形上电极的弦长，r为各个底电容上电极的扇形半径。
综上可得Δd′2、Δd′3、Δd′6、Δd′7和Δd″′与C2、C3、C6和C7的关系，即可得对应于各个轴向角运动的C2、C3、C6和C7上下电极之间的面内偏转角和面外偏转角与C2、C3、C6和C7的电容值的关系，即可分别得到所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺结构同时敏感前倾(或者后倾)、左倾(或者右倾)和左旋(或者右旋)正交三轴角运动时各个轴向角运动的角速度与C2、C3、C6和C7的电容值变化量之间的关系。
据此，通过C2、C3、C6和C7的底电容输出电极实测C2、C3、C6和C7的电容值及其变化量，可推算所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺同时所敏感的面外后倾、面外左倾和面内右旋正交三轴角运动中三个轴向角运动的角速度。
同理，对所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺同时敏感面外后倾、面外左倾和面内右旋正交三轴角运动、同时敏感面外后倾、面外左倾和面内右旋正交三轴角运动、同时敏感面外后倾、面外左倾和面内右旋正交三轴角运动、同时敏感面外后倾、面外左倾和面内右旋正交三轴角运动、同时敏感面外后倾、面外左倾和面内右旋正交三轴角运动、同时敏感面外后倾、面外左倾和面内右旋正交三轴角运动、同敏感作面外后倾、面外左倾和面内右旋正交三轴角运动的情况进行分析，可得当所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺同时敏感以上各种组合的正交三轴角运动时，相关底电容对应的等效平行极板电容的上下电极间隙高度相对于其静态时的上下电极间隙高度的变化量与相关底电容的电容值的关系，即可得相关底电容的上下电极之间的倾斜角和偏转角与相关底电容的电容值的关系，即可得所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺同时所敏感的各种组合的正交三轴角运动中三个轴向角运动的角速度与相关底电容的电容值变化量之间的关系。
据此，通过各个底电容的底电容输出电极实测各个底电容的电容值及其变化量，可推算所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所敏感的任一组合的正交三轴角运动中的三个轴向角运动的角速度。
基于以上分析，通过比较各个底电容的实测电容值的大小，可以判别所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺同时或分别感测的正交三轴旋转角运动的类型和方向，具体方法如下：
1、分别感测的单一轴向旋转角运动的运动类型与方向的判定：
⑴左旋和右旋角运动判别
若C1＝C4＝C5＝C8<C2＝C3＝C6＝C7，则所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的旋转角运动为面内左旋角运动；
若C1＝C4＝C5＝C8>C2＝C3＝C6＝C7，则所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的旋转角运动为面内右旋角运动。
⑵前倾和后倾角运动判别
若C1+C2<C3+C4或者C5+C6<C7+C8，则所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的旋转角运动为面外左倾角运动；
若C1+C2>C3+C4或者C5+C6>C7+C8，则所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的旋转角运动为面外右倾角运动。
⑶左倾和右倾角运动判别
若C1+C3<C2+C4或者C6+C8<C5+C7，则所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的旋转角运动为面外前倾角运动；
若C1+C3>C2+C4或者C6+C8>C5+C7，则所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的旋转角运动为面外后倾角运动。
2、同时感测的正交三轴角运动的运动类型与方向的判定：
若C2的电容值为C1、C2、C3和C4的电容值中的最小值，则所感测的正交三轴角运动为同时所作的面外前倾、面外右倾和面内右旋角运动；
若C3的电容值为C1、C2、C3和C4的电容值中的最小值，则所感测的正交三轴角运动为同时所作的面外后倾、面外左倾和面内右旋角运动；
若C6的电容值为C5、C6、C7和C8的电容值中的最小值，则所感测的正交三轴角运动为同时所作的面外前倾、面外左倾和面内右旋角运动；
若C7的电容值为C5、C6、C7和C8的电容值中的最小值，则所感测的正交三轴角运动为同时所作的面外后倾、面外右倾和面内右旋角运动；
若C1的电容值为C1、C2、C3和C4的电容值中的最小值，则所感测的正交三轴角运动为同时所作的面外前倾、面外左倾和面内左旋角运动；
若C4的电容值为C1、C2、C3和C4的电容值中的最小值，则所感测的正交三轴角运动为同时所作的面外后倾、面外右倾和面内左旋角运动；
若C5的电容值为C5、C6、C7和C8的电容值中的最小值，则所感测的正交三轴角运动为同时所作的面外后倾、面外左倾和面内左旋角运动；
若C8的电容值为C5、C6、C7和C8的电容值中的最小值，则所感测的正交三轴角运动为同时所作的面外前倾、面外右倾和面内左旋角运动。
利用所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺感测正交三轴角运动的主要步骤如下：
⑴所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺设置于待感测的正交三轴角运动系统中的适当位置处；
⑵通过各个底电容输出电极和接地输出电极连接微电容检测电路；
⑶测量各个底电容的静态电容值并作必要的校准；
⑷实测各个底电容的输出电容值，并计算其相对于静态时底电容的电容值变化量；
⑸根据前述所感测正交三轴角运动的运动类型与方向的判别方法判定所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺同时或分别感测的正交三轴角运动类型和角速度方向；
⑹根据前述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的面外偏转角运动的偏转量和面内旋转角运动的旋转量与各个底电容的电容值变化量之间的关系以及角速度的定义，计算所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的正交三轴角运动中三个轴向角运动的角速度值。
以上讨论中，所述单质量块三轴MEMS惯性陀螺所感测的面外偏转角运动的偏转量和所作面内旋转角运动的旋转量与各个底电容的电容值变化量之间的关系也可以通过校定测量获得“电容值变化量～角速度”校定表，并进一步地通过对校定数据的拟合获得相应的校定函数或校定曲线来确定。
本实施例中的单质量块三轴MEMS惯性陀螺的制作方法，包括如下步骤：
1、制作底板；
(1-1)硅单晶基板顶面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面的二氧化硅层；
(1-2)硅单晶基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底板金属通孔的端面所在区域的光刻胶胶膜；
(1-3)湿法腐蚀，去除待制底板金属通孔的端面所在区域的二氧化硅层，去胶；
(1-4)干法刻蚀，形成穿通基板的硅通孔，去胶，去除基板顶面二氧化硅层；
(1-5)上述基板双面热氧化或者LPCVD，形成覆盖底板顶面、底板底面以及硅通孔内壁的二氧化硅层；
(1-6)上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除上述硅通孔所在区域的光刻胶胶膜；
(1-7)磁控溅射，在上述硅通孔内壁依次覆盖钛膜和金膜，去胶，得到各个底板金属通孔；
(1-8)上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底电容下电极和底板键合环所在区域的光刻胶胶膜；
(1-9)磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
(1-10)去胶，连同去除覆盖在待制底电容下电极和底板键合环所在区域以外光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到各个底电容下电极和底板键合环；
(1-11)上述基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底电容输出电极所在区域的光刻胶胶膜；
(1-12)磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
(1-13)去胶，连同去除覆盖在底电容输出电极所在区域以外光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到各个底电容输出电极，完成底板的制作；
2、制作空腔结构层；
(2-1)硅单晶厚基板顶面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面的二氧化硅层；
(2-2)上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制空腔基板键合环所在区域的光刻胶胶膜；
(2-3)磁控溅射，依次覆盖钛膜、金膜和钛膜；
(2-4)去胶，连同去除覆盖在空腔基板键合环所在区域以外的光刻胶胶膜上的钛-金-钛膜，得到空腔基板键合环；
(2-5)上述基板底面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板底面的二氧化硅层；
(2-6)上述基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制空腔所在区域的光刻胶胶膜；
(2-7)湿法腐蚀，去除待制空腔所在区域的二氧化硅层，去胶；
(2-8)干法刻蚀，去除待制空腔所在区域的硅单晶层，形成穿通基板的圆柱体形空腔，去胶，完成空腔结构层的制作；
3、制作质量块与悬臂梁结构层；
(3-1)准备SOI基板，所述SOI基板自上而下依次为硅单晶表面层、埋氧层和硅单晶支撑层；
(3-2)所述基板顶面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面的二氧化硅层；
(3-3)上述SOI基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制质量块金属通孔的端面所在区域的光刻胶胶膜；
(3-4)湿法腐蚀，去除待制质量块金属通孔的端面所在区域的二氧化硅层，去胶；
(3-5)干法刻蚀，形成穿通SOI基板的硅通孔，去胶，去除基板顶面二氧化硅层；
(3-6)上述SOI基板双面热氧化或者LPCVD，形成覆盖SOI基板顶面、SOI基板底面以及硅通孔内壁的二氧化硅层；
(3-7)上述SOI基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除上述硅通孔所在区域的光刻胶胶膜；
(3-8)磁控溅射，在上述硅通孔内壁依次覆盖钛膜和金膜，去胶，得到质量块金属通孔；
(3-9)上述SOI基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制接地电极所在区域的光刻胶胶膜；
(3-10)磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
(3-11)去胶，连同去除覆盖在接地电极所在区域以外的光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到接地电极；
(3-12)上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底电容上电极所在区域的光刻胶胶膜；
(3-13)磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
(3-14)去胶，连同去除底电容上电极所在区域以外的光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到底电容上电极；
(3-15)上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制质量块底面底电容上电极所在区域以外的光刻胶胶膜；
(3-16)湿法刻蚀，去除待制质量块底面底电容上电极所在区域以外的SOI基板底面二氧化硅层；
(3-17)干法刻蚀，去除待制质量块所在区域以外的SOI基板硅单晶支撑层，止于与待制悬臂梁固支边框的底面对应的位置，去胶，去除基板底面氧化绝缘层；
(3-18)LPCVD，在上述SOI基板底面覆盖二氧化硅层；
(3-19)上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制质量块底面与悬臂梁固支边框底面之间区域的光刻胶胶膜；
(3-20)湿法腐蚀，去除待制质量块底面与悬臂梁固支边框底面之间区域的二氧化硅层；
(3-21)干法刻蚀，去除待制质量块与悬臂梁固支边框之间区域的SOI基板硅单晶支撑层，止于SOI基板中间的埋氧层，得到质量块下部结构，去胶；
(3-22)湿法刻蚀，去除待制质量块底面与悬臂梁固支边框之间区域的SOI基板埋氧层以及质量块底面、质量块侧面和悬臂梁固支边框底面的二氧化硅层，形成各个悬臂梁的底面和悬臂梁固支边框的底面；
(3-23)上述SOI基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除步骤(3-9)～(3-11)所得接地电极所在区域以外的光刻胶胶膜；
(3-24)干法刻蚀，依次去除接地电极所在区域以外的SOI基板顶面二氧化硅层和SOI基板硅单晶表面层，去胶，得到质量块、各个悬臂梁和悬臂梁固支边框，完成质量块与悬臂梁结构层的制作；
4、制作顶板
(4-1)硅单晶基板顶面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面的二氧化硅层
(4-2)所述基板的顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制顶板金属通孔的端面所在区域的光刻胶胶膜；
(4-3)湿法腐蚀，去除待制顶板金属通孔的端面所在区域的二氧化硅层，去胶；
(4-4)干法刻蚀，形成硅通孔，去胶，去除基板顶面二氧化硅层；
(4-5)双面热氧化或者LPCVD，形成基板顶面、基板底面以及硅通孔内壁的二氧化硅层；
(4-6)上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除上述硅通孔所在区域的光刻胶胶膜；
(4-7)磁控溅射，在上述硅通孔内壁依次覆盖钛膜和金膜，去胶，得到各个顶板金属通孔；
(4-8)上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制接地输出电极所在区域的光刻胶胶膜；
(4-9)磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
(4-10)去胶，连同去除覆盖在接地输出电极所在区域以外光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到接地输出电极；
(4-11)上述基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制接地引出电极所在区域的光刻胶胶膜；
(4-12)磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
(4-13)去胶，连同去除覆盖在接地引出电极所在区域以外光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到接地引出电极；
(4-14)上述基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制顶板空腔所在区域的光刻胶胶膜；
(4-15)湿法刻蚀，去除待制顶板空腔所在区域的二氧化硅层；
(4-16)干法刻蚀，去除上述基板底面待制顶板空腔所在区域的硅单晶层，止于基板厚度一半的位置，去胶，得到顶板空腔，完成顶板的制作；
5、结构层键合；
(5-1)将空腔结构层顶面的空腔基板键合环与悬臂梁固支边框底面对准贴合，置入键合机中，在设定的键合压力下保持设定的键合时间，再自然降温至室温，完成质量块与悬臂梁结构层与空腔结构层的金硅键合；
(5-2)将底板顶面的底板键合环与空腔结构层底面对准贴合，置入键合机中，在设定的键合压力下保持设定的键合时间，再自然降温至室温，完成底板与空腔结构层的金硅键合；
(5-3)将顶板底面四边的接地引出电极与悬臂梁固支边框顶面的接地电极对准贴合，置入键合机中，在设定的键合压力下保持设定的键合时间，再自然降温至室温，完成底板与质量块与悬臂梁结构层的金金键合。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种单质量块三轴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）；
所述空腔结构层（2）的底面四边与底板（1）顶面的底板键合环（15）金硅键合，所述悬臂梁固支边框（35）的底面与空腔结构层（2）顶面的空腔基板键合环（23）金硅键合，各个S形悬臂梁悬置于空腔（22）之上并使质量块（31）悬置于空腔（22）之中，所述顶板（4）底面的接地引出电极（43）与悬臂梁固支边框（35）顶面的接地电极（36）金金键合，最终形成一个气密封闭结构。
2.根据权利要求1所述的单质量块三轴MEMS陀螺，其特征在于，所述底板基板（11）为正方形截面的基板，相应地，底板键合环（14）为内方外方截面的矩形环；
每组底电容输出电极包含2个并列设置的底电容输出电极（12），每个底电容输出电极包括内侧的梯形部分（121）和外侧的矩形部分（122）；
每组底电容下电极包含2个并列设置的底电容下电极（13），每个底电容下电极包括内侧的扇形部分（131）和外侧的梯形部分（132）；
每个底电容输出电极（12）的梯形部分（122）正对1个底电容下电极（13）的梯形部分（132）并由1个底板金属通孔（15）相连。
3.根据权利要求1所述的单质量块三轴MEMS陀螺，其特征在于，所述空腔基板（21）为正方形截面的厚基板，相应地，所述空腔基板键合环（23）为内方外方截面的矩形环。
4.根据权利要求1所述的单质量块三轴MEMS陀螺，其特征在于，所述底电容上电极（32）为扇形电极，1个底电容上电极（32）与对应的1组底电容下电极（13）的扇形部分（131）全等同形；
所述质量块金属通孔（33）连接质量块（3）底面的4个底电容上电极（32）与质量块顶面的接地电极（36）；
每个S形悬臂梁（34）包括若干个径向臂（341）和若干个横向臂（342）以及1个内侧径向支撑臂（343）和1个外侧径向支撑臂（344），其中：
各个径向臂（341）的长度大于各个横向臂（342）的长度，各个内侧径向支撑臂（343）和各个外侧径向支撑臂（344）的长度大于正交相连的1个径向臂和1个横向臂的径向总长度；各个径向臂（341）和各个横向臂（342）的宽度相同，各个内侧径向支撑臂（343）和各个外侧径向支撑臂（344）的宽度不小于各个径向臂（341）和各个横向臂（342）的宽度；各个径向臂（341）和横向臂（342）以及各个内侧径向支撑臂（343）和外侧径向支撑臂（344）的厚度相同且不大于各个径向臂（341）和各个横向臂（342）的宽度；
所述各个S形悬臂梁（34）中的内侧径向支撑臂（343）、若干个径向臂（341）、若干个横向臂（342）、外侧径向支撑臂（344）依次相连，其中的径向臂和横向臂依次相间连接；所述4个S形悬臂梁（34）的内侧径向支撑臂（343）的外端对称连接于质量块（3）四侧上端的正中，其顶面与质量块（3）的顶面平齐，所述4个S形悬臂梁（34）的外侧径向支撑臂（344）的外端分别连接于悬臂梁固支边框（35） 4个边的内侧，其顶面与悬臂梁固支边框（35）的顶面平齐；
所述悬臂梁固支边框（35）为内方外方截面的中空框架。
5.根据权利要求1所述的单质量块三轴MEMS陀螺，其特征在于，所述顶板基板（41）为正方形截面的基板；
所述顶板空腔（42）的截面与悬臂梁固支边框（35）中空部分的截面全等同形，所述顶板空腔（42）的深度为顶板基板（41）厚度的一半；
各个接地输出电极（44）为同形的矩形电极，所述4个顶板金属通孔（45）分别连接顶板基板（41）顶面的4个接地输出电极（44）和顶板基板（41）底面的接地引出电极（43）。
6.根据权利要求1所述的单质量块三轴MEMS陀螺，其特征在于，所述底板基板（11）、空腔基板（21）、悬臂梁固定边框（35）和顶板基板（41）具有相同边长的正方形外缘；
所述底板键合环（15）、空腔基板键合环（23）、悬臂梁固支边框（35）的底面、悬臂梁固支边框（35）的顶面、顶板基板（41）底面的接地引出电极（43）全等同形；
所述各个电极、各个键合环与其所在基板之间、各个金属通孔与其所贯穿基板之间由绝缘层（5）电隔离；
所述顶板（1）、空腔结构层（2）和底板（4）的基板材料均为硅单晶，制作质量块与悬臂梁结构层（3）的基板为SOI基板，所述各个电极、各个键合环和各个金属通孔的材料为金，所述各个绝缘层（5）的材料为二氧化硅或者氮化硅。
7.根据权利要求1所述的单质量块三轴MEMS陀螺，其特征在于，所述质量块悬置于空腔内，质量块的外侧面与空腔的内侧面的间隙以及质量块的底面与底板的顶面和质量块的顶面与顶板空腔顶面的间隙为质量块相对于空腔作面外前倾（或者后倾）、面外左倾（或者右倾）和面内左旋（或者右旋）偏转的空间；
质量块底面的4个底电容上电极与其下方底板顶面的8个底电容下电极构成8个底电容（6），其中位于质量块底部前侧的两个底电容（61、62）组成第一感测电容对，位于质量块底部后侧的两个底电容（63、64）组成第二感测电容对，位于质量块底部左侧的两个底电容（65、66）组成第三感测电容对，位于质量块底部右侧的两个底电容（67、68）组成第四感测电容对。
8.根据权利要求1所述的单质量块三轴MEMS陀螺，其特征在于，静态时，悬置于空腔中的质量块的外侧面与空腔基板内侧面平行且等距，质量块的底面与底板的顶面以及质量块的顶面与顶板空腔的顶面平行且保持初始间距；
相应地，质量块底面的各个底电容上电极与其下方对应的各组底电容下电极平行、正对且保持相同的间隙高度，各个底电容的上下电极交叠面积相同，各个底电容的上下电极间隙高度相同，各个底电容具有相同的静态电容值，各个底电容输出电极与各个接地输出电极构成的8个底电容输出端口输出相同的静态电容值信号。
9.根据权利要求1所述的单质量块三轴MEMS陀螺，其特征在于，4个对称设置的S形悬臂梁支撑质量块，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，其中：
各个S形悬臂梁的径向臂为长的窄梁，易产生面内和面外的弯曲形变；
各个S形悬臂梁的横向臂为短的窄梁，不易产生面内和面外的弯曲形变；
各个内侧径向支撑臂和外侧径向支撑臂均为长的宽梁，不易产生面内横向弯曲形变。
10.一种如权利要求1所述的陀螺制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1、制作底板；
（1-1）硅单晶基板顶面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面的氧化绝缘层；
（1-2）硅单晶基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底板金属通孔的端面所在区域的光刻胶胶膜；
（1-3）湿法腐蚀，去除待制底板金属通孔的端面所在区域的氧化绝缘层，去胶；
（1-4）干法刻蚀，形成穿通基板的硅通孔，去胶，去除基板顶面氧化绝缘层；
（1-5）上述基板双面热氧化或者LPCVD，形成覆盖底板顶面、底板底面以及硅通孔内壁的氧化绝缘层；
（1-6）上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除上述硅通孔所在区域的光刻胶胶膜；
（1-7）磁控溅射，在上述硅通孔内壁依次覆盖钛膜和金膜，去胶，得到各个底板金属通孔；
（1-8）上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底电容下电极和底板键合环所在区域的光刻胶胶膜；
（1-9）磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
（1-10）去胶，连同去除覆盖在待制底电容下电极和底板键合环所在区域以外光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到各个底电容下电极和底板键合环；
（1-11）上述基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底电容输出电极所在区域的光刻胶胶膜；
（1-12）磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
（1-13）去胶，连同去除覆盖在底电容输出电极所在区域以外光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到各个底电容输出电极，完成底板的制作；
2、制作空腔结构层；
（2-1）硅单晶厚基板顶面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面的氧化绝缘层；
（2-2）上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制空腔基板键合环所在区域的光刻胶胶膜；
（2-3）磁控溅射，依次覆盖钛膜、金膜和钛膜；
（2-4）去胶，连同去除覆盖在空腔基板键合环所在区域以外的光刻胶胶膜上的钛-金-钛膜，得到空腔基板键合环；
（2-5）上述基板底面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板底面的氧化绝缘层；
（2-6）上述基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制空腔所在区域的光刻胶胶膜；
（2-7）湿法腐蚀，去除待制空腔所在区域的氧化绝缘层，去胶；
（2-8）干法刻蚀，去除待制空腔所在区域的硅单晶层，形成穿通基板的圆柱体形空腔，去胶，完成空腔结构层的制作；
3、制作质量块与悬臂梁结构层；
（3-1）准备SOI基板，所述SOI基板自上而下依次为硅单晶表面层、埋氧层和硅单晶支撑层；
（3-2）所述基板顶面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面的氧化绝缘层；
（3-3）上述SOI基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制质量块金属通孔的端面所在区域的光刻胶胶膜；
（3-4）湿法腐蚀，去除待制质量块金属通孔的端面所在区域的氧化绝缘层，去胶；
（3-5）干法刻蚀，形成穿通SOI基板的硅通孔，去胶，去除基板顶面氧化绝缘层；
（3-6）上述SOI基板双面热氧化或者LPCVD，形成覆盖SOI基板顶面、SOI基板底面以及硅通孔内壁的氧化绝缘层；
（3-7）上述SOI基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除上述硅通孔所在区域的光刻胶胶膜；
（3-8）磁控溅射，在上述硅通孔内壁依次覆盖钛膜和金膜，去胶，得到质量块金属通孔；
（3-9）上述SOI基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制接地电极所在区域的光刻胶胶膜；
（3-10）磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
（3-11）去胶，连同去除覆盖在接地电极所在区域以外的光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到接地电极；
（3-12）上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底电容上电极所在区域的光刻胶胶膜；
（3-13）磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
（3-14）去胶，连同去除底电容上电极所在区域以外的光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到底电容上电极；
（3-15）上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制质量块底面底电容上电极所在区域以外的光刻胶胶膜；
（3-16）湿法刻蚀，去除待制质量块底面底电容上电极所在区域以外的SOI基板底面氧化绝缘层；
（3-17）干法刻蚀，去除待制质量块所在区域以外的SOI基板硅单晶支撑层，止于与待制悬臂梁固支边框的底面对应的位置，去胶，去除基板底面氧化绝缘层；
（3-18）LPCVD，在上述SOI基板底面覆盖氧化绝缘层；
（3-19）上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制质量块底面与悬臂梁固支边框底面之间区域的光刻胶胶膜；
（3-20）湿法腐蚀，去除待制质量块底面与悬臂梁固支边框底面之间区域的氧化绝缘层；
（3-21）干法刻蚀，去除待制质量块与悬臂梁固支边框之间区域的SOI基板硅单晶支撑层，止于SOI基板中间的埋氧层，得到质量块下部结构，去胶；
（3-22）湿法刻蚀，去除待制质量块底面与悬臂梁固支边框之间区域的SOI基板埋氧层以及质量块底面、质量块侧面和悬臂梁固支边框底面的氧化绝缘层，形成各个悬臂梁的底面和悬臂梁固支边框的底面；
（3-23）上述SOI基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除步骤（3-9）～（3-11）所得接地电极所在区域以外的光刻胶胶膜；
（3-24）干法刻蚀，依次去除接地电极所在区域以外的SOI基板顶面氧化绝缘层和SOI基板硅单晶表面层，去胶，得到质量块、各个悬臂梁和悬臂梁固支边框，完成质量块与悬臂梁结构层的制作；
4、制作顶板
（4-1）硅单晶基板顶面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面的氧化绝缘层
（4-2）所述基板的顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制顶板金属通孔的端面所在区域的光刻胶胶膜；
（4-3）湿法腐蚀，去除待制顶板金属通孔的端面所在区域的氧化绝缘层，去胶；
（4-4）干法刻蚀，形成硅通孔，去胶，去除基板顶面氧化绝缘层；
（4-5）双面热氧化或者LPCVD，形成基板顶面、基板底面以及硅通孔内壁的氧化绝缘层；
（4-6）上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除上述硅通孔所在区域的光刻胶胶膜；
（4-7）磁控溅射，在上述硅通孔内壁依次覆盖钛膜和金膜，去胶，得到各个顶板金属通孔；
（4-8）上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制接地输出电极所在区域的光刻胶胶膜；
（4-9）磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
（4-10）去胶，连同去除覆盖在接地输出电极所在区域以外光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到接地输出电极；
（4-11）上述基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制接地引出电极所在区域的光刻胶胶膜；
（4-12）磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
（4-13）去胶，连同去除覆盖在接地引出电极所在区域以外光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到接地引出电极；
（4-14）上述基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制顶板空腔所在区域的光刻胶胶膜；
（4-15）湿法刻蚀，去除待制顶板空腔所在区域的氧化绝缘层；
（4-16）干法刻蚀，去除上述基板底面待制顶板空腔所在区域的硅单晶层，止于基板厚度一半的位置，去胶，得到顶板空腔，完成顶板的制作；
5、结构层键合；
（5-1）将空腔结构层顶面的空腔基板键合环与悬臂梁固支边框底面对准贴合，置入键合机中，在设定的键合压力下保持设定的键合时间，再自然降温至室温，完成质量块与悬臂梁结构层与空腔结构层的金硅键合；
（5-2）将底板顶面的底板键合环与空腔结构层底面对准贴合，置入键合机中，在设定的键合压力下保持设定的键合时间，再自然降温至室温，完成底板与空腔结构层的金硅键合；
（5-3）将顶板底面四边的接地引出电极与悬臂梁固支边框顶面的接地电极对准贴合，置入键合机中，在设定的键合压力下保持设定的键合时间，再自然降温至室温，完成底板与质量块与悬臂梁结构层的金金键合。
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