CN111551161A - Mems振动式陀螺仪结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

MEMS振动式陀螺仪结构及其制造方法

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。

进一步的，所述驱动框与检测框分别位于两个质量块四周并且中心轴对称布置。

进一步的，所述驱动框与质量块之间的弹性连接梁以驱动框的对称轴对称分布或位于对称轴处，弹性连接梁数目为一个或多个，驱动框与锚点之间的弹性连接梁位于驱动框的两端对称布置或位于驱动框的对称轴处，弹性连接梁数目为一个或多个；位于检测框与质量块之间的弹性连接梁以检测框的对称轴对称分布或位于对称轴处，弹性连接梁数目为一个或多个，检测框与锚点之间的弹性连接梁位于检测框的两端对称布置或位于检测框的对称轴处，弹性连接梁数目为一个或多个。

一种MEMS振动式陀螺仪的制造方法，包括以下步骤：

S1、提供衬底硅片，在衬底硅片上采用深反应离子刻蚀的方法在衬底硅片的正面刻蚀出带有支撑柱的凹腔结构；

S2、采用热氧化或是化学气相沉积的方法在衬底硅片正面和背面沉积一层氧化硅层；

S3、提供结构硅片，器件安装结构硅片上，将结构硅片作为陀螺仪器件层，采用圆片级真空键合技术将结构硅片与衬底硅片正面对准键合；

S4、在结构硅片上进行图案化光刻和刻蚀，刻蚀出陀螺仪的结构；

S5、准备盖板硅片，在盖板硅片的正面刻蚀出凹腔结构，之后通过热氧化或是气相沉积的方法在盖板硅片的正面沉积一层氧化硅；

S6、将盖板硅片正面与结构硅片另一侧进行圆片级对准键合；

S7、在盖板硅片背面采用湿法腐蚀或深反应离子刻蚀出电极引出通孔，并在整个背面沉积一层氧化硅层；

S8、刻蚀掉电极引出通孔位置处的氧化硅层；

S9、在盖板硅片上沉积一层金属层，并将金属层图形化，完成电学布线，制作金属焊盘，制作完成MEMS陀螺仪器件结构的同时，实现了器件的圆片级真空封装。

进一步的，在步骤S1和步骤S5中，衬底硅片的凹腔结构和盖板硅片的凹腔结构，两个凹腔结构的尺寸大于陀螺仪的悬空可动部分尺寸。

进一步的，所述衬底硅片、结构硅片和盖板硅片是单晶硅或多晶硅，其中盖板硅片的金属层材料是铝、金、铂、钼和多晶硅中的一种。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.本发明的结构采用完全对称的双质量块音叉式解耦结构，可以实现差分检测，既可以能增强陀螺仪输出信号的同时，又能有效减少外界加速度和振动引起的输出信号误差；

2.通过使用较大的中心质量块，能较好地抑制在工作时所产生的机械噪声，能减少输出信号中的噪声误差；本陀螺仪结构中驱动框区域可灵活分配功能电极，包括驱动检测电极、频率调谐电极和正交补偿电极，能减少由加工公差和材料缺陷引起的频率漂移和正交耦合误差，因此能有效提升陀螺仪的精度和性能；

3.利用圆片级真空键合的方法实现了对器件的真空密封，有效降低了器件设计、制备以及电学布线的难度，方法简单且高效，在保证器件性能的同时提升了器件成品率，而且降低了器件制备的成本，适用于批量生产。

附图说明

图1是实施例1中MEMS振动式陀螺仪的平面结构示意图；

图2是MEMS振动式陀螺仪用于体现驱动信号和检测信号方向的示意图；

图3-1是带有凹腔和支撑柱的衬底硅片的结构示意图；

图3-2是结构硅片与衬底硅片圆片级键合结构的结构示意图；

图3-3是经过图案化光刻和刻蚀后的衬底硅片和结构硅片的结构示意图；

图3-4是带有凹腔结构的盖板硅片与结构硅片键合真空封装结构的示意图；

图3-5是盖板硅片腐蚀出电极引出通孔并沉积氧化层结构的示意图；

图3-6是结构硅片刻蚀掉表面氧化层的结构示意图；

图3-7是盖板硅片表面沉积一层金属后陀螺仪结构截面图；

图4是实施例2中MEMS振动式陀螺仪的平面结构示意图。

图中，1、质量块；2、驱动框；21、功能电极；2a、正交补偿电极；2b、驱动检测电极；3、检测框；3a、检测电极；4、锚点；5、弹性连接梁；6、衬底硅片；7、支撑柱；8、氧化硅层；9、结构硅片；10、盖板硅片；11、电极引出通孔；12、金属层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例1：一种MEMS振动式陀螺仪，如图1所示，包括盖板硅片10、结构硅片9和衬底硅片6，盖板硅片10、结构硅片9和衬底硅片6自上而下逐层布置组成带有真空腔体的“三明治”结构，MEMS振动式陀螺仪所需的器件安装在结构硅片9上。

衬底硅片6上设置有带有支撑柱7的凹腔结构，衬底硅片6的正面和背面均沉积有一层氧化硅层8。

如图1所示，结构硅片9上安装的器件包括两个质量块1、四个驱动框2、四个检测框3、若干弹性连接梁5和锚点4。两个质量块1位于结构硅片9的左右中心呈对称布置，两个质量块1之间由两个弹性连接梁5连接，并且上述两个弹性连接梁5为耦合弹性连接梁5，除此之外剩余的弹性连接梁5均为双折叠弹性梁。每个质量块1外侧两端通过弹性连接梁5连接于两个锚点4位置，并通过锚点4进行固定。

四个驱动框2分别位于两个质量块1左右两端，四个检测框3位于两个质量块1上下两端，驱动框2垂直于检测框3。驱动框2和检测框3内侧分别与质量块1之间采用弹性梁连接，同时驱动框2和检测框3外侧分别通过弹性梁连接于锚点4位置。

驱动框2中安装有功能电极21和驱动电极，功能电极21包括正交补偿电极2a和驱动检测电极2b。检测框3中安装有检测电极3a。功能电极21、驱动电极和检测电极3a这三种电极都由可动电极板和固定电极板组成。检测电极3a和正交补偿电极2a为变间距形式的梳齿电极，驱动电极2c和驱动检测电极2b2b为等间距梳齿电极。

盖板硅片10的正面刻蚀出凹腔结构，并且在盖板硅片10的正面和背面沉积氧化硅层8。盖板硅片10上加工出电极引出通孔11，盖板硅片10的正面沉积有金属层12，金属层12位于电极引出通孔11处。

该MEMS振动式陀螺仪结构工作时，在结构最外端两侧两个驱动电极上施加同相电压如正电压，在内侧两个驱动电极上施加相等负电压。在静电力作用下，左边质量块1与驱动框2沿X负方向运动，右边质量块1和驱动框2沿X正方向运动，此时陀螺仪处于驱动模态，如图2所示。同时，两边驱动检测电极2b可检测左右整体结构在X方向运动的正负位移，可通过位移产生的电容变化来检测陀螺仪谐振频率。当外界施加Z方向的角速度时，在柯氏力作用下两端质量块1和检测框3沿Y方向运动，左右结构的运动方向相反，此时陀螺仪处于检测模态，如图2所示。通过检测电极3a即可检测出质量块1在Y方向运动位移引起的电容变化，即可通过信号转换输出得到角度和角速度的值。

提出的一种MEMS陀螺仪的制造方法，包括以下步骤：

S1、如图3-1所示，提供衬底硅片6，采用深反应离子刻蚀的方法在正面刻蚀出带有支撑柱7的凹腔结构。

S2、如图3-2所示，采用热氧化或是化学气相沉积的方法在衬底硅片6正面和背面沉积一层氧化硅层8。

S3、如图3-2所示，提供结构硅片9，在结构硅片9上安装质量块1、驱动框2和检测框3等器件，结构硅片9作为陀螺仪器件层，之后采用圆片级真空键合技术将器件层与衬底硅片6的正面对准键合。

S4、如图3-3所示，在结构硅片9上进行图案化光刻和刻蚀，刻蚀出陀螺仪的结构。

S5、如图3-4所示，备盖板硅片10，在盖板硅片10的正面刻蚀出凹腔结构，之后通过热氧化或是气相沉积的方法在盖板硅片10的正面沉积一层氧化硅层8。

S6、如图3-5所示，将盖板硅片10正面与结构硅片9另一侧进行圆片级对准键合；

S7、如图3-5所示，采用湿法腐蚀工艺在盖板硅片10背面腐蚀出电极引出通孔11，并在整个背面通过化学气相沉积或热氧化方法沉积一层氧化硅层8。

S8、如图3-6所示，刻蚀结构硅片9表面电极引出通孔11位置处的氧化硅；

S9、如图3-7所示，在盖板硅片10正面沉积一层金属层12，并将金属层12图形化，制作金属焊盘，完成电学布线。制作完成MEMS陀螺仪器件结构的同时，实现了对器件的圆片级真空封装。

实施例2：一种MEMS振动式陀螺仪，如图4所示，可对其正交补偿电极2a位置进行改变，将分布于驱动框2两端的正交补偿电极2a移动至左右质量块1的中心位置，同样可实现抑制正交耦合误差的功能，此方案优化了电极排布空间和排布方式，其中各种功能电极21可灵活排布。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种MEMS振动式陀螺仪，其特征在于：包括盖板硅片(10)、结构硅片(9)和衬底硅片(6)，盖板硅片(10)、结构硅片(9)和衬底硅片(6)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(9)上安装有器件，所述器件包括两个质量块(1)、四个驱动框(2)、四个检测框(3)、若干弹性连接梁(5)、锚点(4)、驱动电极、检测电极(3a)和功能电极(21)，两个质量块(1)左右对称布置，两个质量块(1)之间通过一对弹性连接梁(5)连接，质量块(1)四周的弹性连接梁(5)连接于周围的锚点(4)，并通过锚点(4)固定在结构硅片(9)上；驱动框(2)和检测框(3)的与质量块(1)通过弹性梁连接，驱动框(2)和检测框(3)外侧分别通过弹性梁连接于锚点(4)，并通过锚点(4)固定在结构硅片(9)上；驱动电极位于驱动框(2)的区域，检测电极(3a)位于检测框(3)的区域，功能电极(21)位于驱动框(2)或其他位置，驱动电极、检测电极(3a)和功能电极(21)由可动电极和固定电极组成；陀螺仪整体结构中除锚点(4)和固定电极外，其余结构均为悬空可动结构。

2.根据权利要求1所述的MEMS振动式陀螺仪，其特征在于：所述质量块(1)是由多个长方体拼接而成的多边形柱体。

3.根据权利要求1所述的MEMS振动式陀螺仪，其特征在于：所述功能电极(21)是驱动检测电极(2b)、频率调谐电极和正交补偿电极(2a)中一种或多种。

4.根据权利要求1所述的MEMS振动式陀螺仪，其特征在于：所述驱动电极、检测电极(3a)和功能电极(21)均为梳齿状电极。

5.根据权利要求1所述的MEMS振动式陀螺仪，其特征在于：所述弹性连接梁(5)是U形梁、折叠梁或者蟹脚梁。

6.根据权利要求1所述的MEMS振动式陀螺仪，其特征在于：所述驱动框(2)与检测框(3)分别位于两个质量块(1)四周并且中心轴对称布置。

7.根据权利要求1所述的MEMS振动式陀螺仪，其特征在于：所述驱动框(2)与质量块(1)之间的弹性连接梁(5)以驱动框(2)的对称轴对称分布或位于对称轴处，弹性连接梁(5)数目为一个或多个，驱动框(2)与锚点(4)之间的弹性连接梁(5)位于驱动框(2)的两端对称布置或位于驱动框(2)的对称轴处，弹性连接梁(5)数目为一个或多个；位于检测框(3)与质量块(1)之间的弹性连接梁(5)以检测框(3)的对称轴对称分布或位于对称轴处，弹性连接梁(5)数目为一个或多个，检测框(3)与锚点(4)之间的弹性连接梁(5)位于检测框(3)的两端对称布置或位于检测框(3)的对称轴处，弹性连接梁(5)数目为一个或多个。

8.一种权利要求1-7任一项所述MEMS振动式陀螺仪的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、提供衬底硅片(6)，在衬底硅片(6)上采用深反应离子刻蚀的方法在衬底硅片(6)的正面刻蚀出带有支撑柱(7)的凹腔结构；

S2、采用热氧化或是化学气相沉积的方法在衬底硅片(6)正面和背面沉积一层氧化硅；

S3、提供结构硅片(9)，器件安装结构硅片(9)上，将结构硅片(9)作为陀螺仪器件层，采用圆片级真空键合技术将结构硅片(9)与衬底硅片(6)正面对准键合；

S4、在结构硅片(9)上进行图案化光刻和刻蚀，刻蚀出陀螺仪的结构；

S5、准备盖板硅片(10)，在盖板硅片(10)的正面刻蚀出凹腔结构，之后通过热氧化或是气相沉积的方法在盖板硅片(10)的正面沉积一层氧化硅层(8)；

S6、将盖板硅片(10)正面与结构硅片(9)另一侧进行圆片级对准键合；

S7、在盖板硅片(10)背面采用湿法腐蚀或深反应离子刻蚀出电极引出通孔(11)，并在整个背面沉积一层氧化硅层(8)；

S8、刻蚀掉电极引出通孔(11)位置处的氧化硅层(8)；

S9、在盖板硅片(10)上沉积一层金属层(12)，并将金属层(12)图形化，完成电学布线，制作金属焊盘，制作完成MEMS陀螺仪器件结构的同时，实现了器件的圆片级真空封装。

9.根据权利要求8所述的，其特征在于：在步骤S1和步骤S5中，衬底硅片(6)的凹腔结构和盖板硅片(10)的凹腔结构，两个凹腔结构的尺寸大于陀螺仪的悬空可动部分尺寸。

10.根据权利要求8所述的，其特征在于：所述衬底硅片(6)、结构硅片(9)和盖板硅片(10)是单晶硅或多晶硅，其中盖板硅片(10)的金属层(12)材料是铝、金、铂、钼和多晶硅中的一种。

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