CN111595312A - 一种可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪及其加工方法 - Google Patents

一种可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪及其加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪及其加工方法，微陀螺仪结构形式为四方对称结构，主要包括外环形驱动框架部分、内环型驱动耦合框架部分、敏感检测质量块部分以及相应的耦合折叠梁等。其中，所设计的四方对称结构中四个质量块及内部结构完全一致，每个质量块包含一个驱动传递框架，两个双自由度框架，两个检测框架及对应的耦合折叠梁，四个质量块的驱动传递框架通过外环及内环耦合连接，实现等幅差分驱动；检测框架通过耦合梁实现全解耦功能，从而达到较好的测量性能。加工工艺简单，能够达到较好的检测性能。

Description

一种可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪及其加工方法
技术领域
本发明涉及微机电陀螺仪领域，特别是一种可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪及其加工方法。
背景技术
与传统陀螺仪相比，硅微机械陀螺仪具有体积小，重量轻，成本低，可靠性高，功耗小，可批量生产等优点，可广泛用于航空、汽车、医疗、摄影、电子消费等领域，具有广阔的应用前景。目前研究应用较为广泛的是单轴陀螺仪，它只能敏感检测一个方向的角速度输入，而三轴陀螺仪则可以同时敏感三个方向的角速度输入。
在三轴陀螺仪的研制方面，目前某公司等已经有了商业级的产品问世，但其较多三轴陀螺仪产品并非单片集成，而是由水平轴陀螺仪、Z轴陀螺仪组装而成，其精度极限有限，目前已经到了进一步提高的瓶颈期。某公司设计了一种单片集成的三轴陀螺仪产品，其结构尺寸仅为3.2×3.2毫米，但是它并没有实现各驱动、检测方向的完全解耦，因此难以达到较高性能。某大学设计了一种振动环式硅微陀螺仪，理论上可以实现三个方向的角速度测量，但是其结构与加工工艺复杂，难以达到较好的性能，因此还需要进一步研究提高。
发明内容
发明目的：本发明的一个目的是提供一种可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪。
本发明的另一个目的是提供一种所述陀螺仪的加工方法。
技术方案：本发明所述的陀螺仪，由上至下依次包括：器件结构层A、金属引线层和玻璃衬底层B，器件结构层包括驱动固定梳齿A01、驱动活动梳齿A02、内部耦合环A03、质量块A04、外部耦合环A05和驱动电极A06，其中，驱动固定梳齿A01包含内环驱动固定梳齿A01-1及外环驱动固定梳齿A01-2，驱动活动梳齿A02包含内环驱动活动梳齿A02-1及外环驱动活动梳齿A02-2，四个质量块A04包括两个位于X方向的质量块A04-X及两个位于Y方向的质量块A04-Y。
沿外部耦合环外部周围均匀分布四个驱动电极A06，且两个位于X轴方向，两个位于Y轴方向；每个驱动电极均通过外环驱动固定梳齿A01-2和外环驱动活动梳齿A02-2与外部耦合环连接，其中，外环驱动固定梳齿A01-2固定连接到驱动电极A06上，外环驱动活动梳齿A02-2固定连接到外部耦合环上；沿内部耦合环内部一周均匀分布四个驱动电极A06，且两个位于X轴方向，两个位于Y轴方向；每个驱动电极均通过内环驱动固定梳齿A01-1和内环驱动活动梳齿A02-1与内部耦合环连接，其中，内环驱动固定梳齿A01-1固定连接到驱动电极A06上，内环驱动活动梳齿A02-1固定连接到内部耦合环上；沿X轴方向，在外部耦合环和内部耦合环之间对称设置两个X方向质量块A04-X，且每个X方向质量块A04-X分别与外部耦合环和内部耦合环连接；沿Y轴方向，在外部耦合环和内部耦合环之间对称设置两个Y方向质量块A04-Y，且每个Y方向质量块A04-Y分别与外部耦合环和内部耦合环连接；器件结构层A通过锚点A10与玻璃衬底层B的键合点键合连接，金属引线层的信号引线生长在玻璃衬底层上，器件结构层A的电极与金属引线层的信号引线连接。
优选的，X方向质量块A04-X包括驱动传递框架A04-a1、航向角双自由度框架A04-b1、航向角敏感检测框架A04-c1、翻滚角双自由度框架A04-b2、翻滚角单自由度框架A04-c2、驱动传递推手梁A04-d1、折叠U型梁A04-d2、工字型折叠梁A04-d3、航向角检测电极A07和固定锚点A10，其中，驱动传递框架A04-a1外围通过折叠U型梁A04-d2连接固定锚点A10，驱动传递框架A04-a1的两侧边上分别设置一个与外部耦合环和内部耦合环连接的驱动传递推手梁A04-d1；驱动传递框架A04-a1为对称结构，包括第一部分和第二部分，其中航向角双自由度框架A04-b1位于第一部分内，航向角敏感检测框架A04-c1位于航向角双自由度框架A04-b1内，航向角检测电极A07位于航向角敏感检测框架A04-c1内，航向角敏感检测框架A04-c1和航向角双自由度框架A04-b1之间还设置有固定锚点A10，航向角敏感检测框架A04-c1分别通过折叠U型梁A04-d2与驱动传递框架A04-a1和航向角双自由度框架A04-b1连接，航向角敏感检测框架A04-c1分别通过折叠U型梁A04-d2和梳齿与固定锚点A10和航向角检测电极A07连接；翻滚角双自由度框架A04-b2位于第二部分内，翻滚角单自由度框架A04-c2位于翻滚角双自由度框架A04-b2内，且翻滚角单自由度框架A04-c2与翻滚角双自由度框架A04-b2之间设置有固定锚点A10，翻滚角双自由度框架A04-b2分别通过工字型折叠梁A04-d3与驱动传递框架A04-a1和翻滚角单自由度框架A04-c2连接，翻滚角单自由度框架A04-c2通过工字型折叠梁A04-d3与固定锚点A10连接；翻滚角单自由度框架A04-c2内部或下面设置有翻滚角检测电极A08；固定锚点A10与玻璃衬底层固定连接。
优选的，翻滚角单自由度框架A04-c2上的翻滚角检测电极为翻滚角梳齿检测电极A08-1或翻滚角金属检测电极薄膜A08-2；当翻滚角单自由度框架A04-c2为方框结构时，翻滚角检测电极为翻滚角梳齿检测电极A08-1，该翻滚角梳齿检测电极A08-1位于翻滚角单自由度框架A04-c2内部，且通过翻滚角检测梳齿与翻滚角单自由度框架A04-c2连接；当翻滚角单自由度框架A04-c2为平板结构时，翻滚角检测电极为翻滚角金属检测电极薄膜A08-2，该翻滚角金属检测电极薄膜A08-2位于翻滚角单自由度框架A04-c2下表面。
优选的，当翻滚角检测电极为翻滚角梳齿检测电极A08-1时，玻璃衬底层上生长的信号引线B01包含金属引线B01-a、驱动检测焊盘差分对B02-b1和B02-b2、驱动焊盘差分对B02-c1和B02-c2、航向角检测焊盘差分对B02-d1和B02-d2、翻滚角检测焊盘差分对B02-e1和B02-e2，俯仰角检测焊盘差分对B02-f1和B02-f2；键合点B02与器件结构层相应的电极连接，所有焊盘通过金属引线B01-a与键合点B02相连从而实现电气连通；当翻滚角检测电极为翻滚角金属检测电极薄膜A08-2时，玻璃衬底层上生长的信号引线B01包含金属引线B01-a、驱动检测焊盘差分对B02-b1和B02-b2、驱动焊盘差分对B02-c1和B02-c2、航向角检测焊盘差分对B02-d1和B02-d2、翻滚角检测焊盘差分对B02-e1和B02-e2、俯仰角检测焊盘差分对B02-f1和B02-f2；键合点B02与器件结构层相应的电极连接，除翻滚角及俯仰角焊盘外，所有焊盘通过金属引线B01-a与键合点B02相连从而实现电气连通。
优选的，沿Y方向质量块A04-Y包括驱动传递框架A04-a1、航向角双自由度框架A04-b1、航向角敏感检测框架A04-c1、俯仰角双自由度框架A04-b3、俯仰角单自由度框架A04-c3、驱动传递推手梁A04-d1、折叠U型梁A04-d2、工字型折叠梁A04-d3、航向角检测电极A07和固定锚点A10，其中，驱动传递框架A04-a1四角分别通过折叠U型梁A04-d2连接至固定锚点A10，驱动传递框架A04-a1的两侧边分别设置一个与外部耦合环和内部耦合环连接的驱动传递推手梁A04-d1；驱动传递框架A04-a1为对称结构，包括第一部分和第二部分，其中航向角双自由度框架A04-b1位于第一部分内，航向角敏感检测框架A04-c1位于航向角双自由度框架A04-b1内，航向角检测电极A07位于航向角敏感检测框架A04-c1内，航向角敏感检测框架A04-c1与航向角双自由度框架A04-b1之间设有固定锚点A10，航向角双自由度框架A04-b1分别通过折叠U型梁A04-d2与驱动传递框架A04-a1和航向角敏感检测框架A04-c1连接，航向角敏感检测框架A04-c1分别通过折叠U型梁A04-d2和梳齿与固定锚点A10和航向角检测电极A07连接；俯仰角双自由度框架A04-b3位于第二部分内，俯仰角单自由度框架A04-c3位于俯仰角双自由度框架A04-b3内，俯仰角单自由度框架A04-c3与俯仰角双自由度框架A04-b3之间设有固定锚点A10，俯仰角双自由度框架A04-b3分别通过工字型折叠梁A04-d3与驱动传递框架A04-a1和俯仰角单自由度框架A04-c3连接，俯仰角单自由度框架A04-c3通过工字型折叠梁A04-d3与固定锚点A10连接；俯仰角单自由度框架A04-c3内部或下面设置有俯仰角检测电极A09；固定锚点A10与玻璃衬底层固定连接。
优选的，俯仰角单自由度框架A04-c3上的俯仰角检测电极为俯仰角梳齿检测电极A09-1或俯仰角金属检测电极薄膜A09-2；当俯仰角单自由度框架A04-c3为方框结构时，俯仰角检测电极为俯仰角梳齿检测电极A09-1，该俯仰角梳齿检测电极A09-1位于俯仰角单自由度框架A04-c3内部，且通过俯仰角检测梳齿与俯仰角单自由度框架A04-c3连接；当俯仰角单自由度框架A04-c3为平板结构时，俯仰角检测电极为俯仰角金属检测电极薄膜A09-2，该俯仰角金属检测电极薄膜A09-2位于俯仰角单自由度框架A04-c3下表面。
优选的，当俯仰角检测电极为俯仰角梳齿检测电极A09-1时，玻璃衬底层上生长的信号引线B01包含金属引线B01-a、驱动检测焊盘差分对B02-b1和B02-b2、驱动焊盘差分对B02-c1和B02-c2、航向角检测焊盘差分对B02-d1和B02-d2、翻滚角检测焊盘差分对B02-e1和B02-e2，俯仰角检测焊盘差分对B02-f1和B02-f2；键合点B02与器件结构层相应的电极连接，所有焊盘通过金属引线B01-a与键合点B02相连从而实现电气连通；当俯仰角检测电极为俯仰角金属检测电极薄膜A09-2时，玻璃衬底层上生长的信号引线B01包含金属引线B01-a、驱动检测焊盘差分对B02-b1和B02-b2、驱动焊盘差分对B02-c1和B02-c2、航向角检测焊盘差分对B02-d1和B02-d2、翻滚角检测焊盘差分对B02-e1和B02-e2、俯仰角检测焊盘差分对B02-f1和B02-f2；键合点B02与器件结构层相应的电极连接，除翻滚角及俯仰角焊盘外，所有焊盘通过金属引线B01-a与键合点B02相连从而实现电气连通。
所设计的四方对称结构中四个质量块及内部结构完全一致(当质量块位于X轴方向时，用于检测航向角和翻滚角；当质量块位于Y轴方向时，用于检测航向角和俯仰角)，每个质量块包含一个驱动传递框架，两个双自由度框架，两个检测框架及对应的耦合折叠梁，四个质量块的驱动传递框架通过外环及内环耦合连接，实现等幅差分驱动；检测框架通过耦合梁实现全解耦功能，从而达到较好的测量性能。所述驱动部分位于外部耦合环外侧及内部耦合环内侧，由最外侧及最内侧连接于衬底之上的固定驱动梳齿与连接于环形耦合环上的可动驱动梳齿共同组成；其中，驱动梳齿采用电容式变面积静电驱动形式。所述结构的运动形式为，外部耦合环及内部耦合环在驱动电压所产生的静电力作用下同时周期性向以X轴为长轴及以Y轴为长轴的椭圆形态靠近；四个质量块中的驱动传递框架伴随着耦合环共同做驱动运动。所述航向角检测部分为四个质量块一侧的双自由度框架及敏感框架，敏感检测梳齿由连接于衬底之上的固定航向角检测梳齿敏感框架上的活动航向角检测梳齿构成。所述俯仰角检测部分为竖直方向质量块区分于航向角检测的一侧的双自由度框架及敏感框架，敏感检测方式可分为检测梳齿及检测平板电容两种方式；敏感检测梳齿由连接于衬底之上的固定俯仰角检测梳齿敏感框架上的活动俯仰角检测梳齿构成；敏感检测平板电容由检测框架及检测框架下沉积于衬底之上的金属平板构成。所述翻滚角检测部分为水平方向质量块区分于航向角检测的一侧的双自由度框架及敏感框架，敏感检测方式可分为检测梳齿及检测平板电容两种方式；敏感检测梳齿由连接于衬底之上的固定翻滚角检测梳齿敏感框架上的活动翻滚角检测梳齿构成；敏感检测平板电容由检测框架及检测框架下沉积于衬底之上的金属平板构成。所述驱动部分梳齿为变面积式，航向角部分梳齿为边间距式，俯仰角及翻滚角部分检测分为检测梳齿及检测平板电容两种方式，在检测梳齿模式下为变面积式，在检测平板电容模式下为变间距式。所述推手型折叠梁、多弯折叠梁具有分别具有较小的面内水平切向刚度与面外垂直方向刚度，通过合理安排放置这两种折叠梁，可以实现对所连接质量块或框架在面内切向或者面外垂直方向的解耦设计。所述整体结构四方对称，可通过外部耦合环的连接将多个可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪连接阵列，提高精度和冗余度。
本发明的微陀螺仪的加工方法，包括以下步骤：
(a)取一片硅晶圆片，用H2SO4加H2O2溶液进行清洗；
(b)在硅晶圆片表面利用LPCVD工艺沉积一层SiO2薄膜；
(c)在硅晶圆片表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版进行光刻，曝光，显影操作，得到锚点图案；
(d)利用RIE刻蚀工艺刻蚀表面SiO2，将锚点图案转移到SiO2上；
(e)在硅晶圆片表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版进行光刻，曝光，显影操作，得到梳齿图案；
(f)利用RIE刻蚀工艺刻蚀硅晶圆片表面硅，最终得到具有高低梳齿的结构；
(g)取一片玻璃片，利用H2SO4加H2O2溶液进行清洗；
(h)在玻璃片表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版进行光刻，曝光，显影操作，得到金属电极图案；
(i)在玻璃片表面溅射一层Cr/Au金属合金，利用剥离工艺将光刻胶上的金属电极图案转移到溅射的合金层上；
(j)将加工的硅晶圆片与玻璃片进行阳极键合，得到样片；
(k)在样片表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版进行光刻，曝光，显影操作，得到静低梳齿图案；
(l)刻蚀样片的硅，释放结构，最终得到所需样件。
本发明的微陀螺仪的另一种加工方法，包括以下步骤：
(a)取一片SOI晶圆片，用H2SO4加H2O2溶液进行清洗；
(b)在SOI晶圆片表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版进行光刻，曝光，显影操作，得到结构图案；
(c)利用RIE工艺刻蚀SOI晶圆片的硅，得到硅结构；
(d)利用HF溶液刻蚀SOI晶圆片牺牲层SiO2，释放硅结构；
(e)取一片玻璃片，利用H2SO4加H2O2溶液进行清洗；
(f)在玻璃片表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版进行光刻，曝光，显影操作，得到锚点图案；
(g)利用HF溶液刻蚀玻璃片，将锚点图案转移到玻璃片上；
(h)利用剥离工艺及掩膜版，在玻璃片表面得到一层具有电极图案的Cr/Au合金金属层；
(i)利用键合工艺，将加工的SOI晶圆片与玻璃片进行阳极键合，得到最终的样件。
本发明的单片集成的可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪，其通过外部耦合环的连接将多个上述可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪阵列连接形成，相邻两个可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪呈现差分驱动模态，且椭圆形态长轴方向垂直。
有益效果：与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：
(1)本发明所设计的三轴硅微机械陀螺仪可以在单片硅片上加工获得，而且加工工艺相对简单，通过MEMS工艺易于实现大批量加工生产以降低成本。
(2)该三轴陀螺仪可以同时测量三个方向上的角速度输入，而且各方向的检测模态与驱动模态均互相解耦，有效减小了可能存在的机械耦合误差。
(3)该三轴陀螺仪的四边驱动可以通过电极引线连接在一起，这样一经加载驱动电压信号，很容易即可实现四边同时驱动。
(4)所设计的航向角检测梳齿为变间距式电容检测，将在单边的固定航向角检测梳齿分为了两部分，这样当可动航向角检测梳齿想对固定检测梳齿变间隙运动时，在单边即可实现差分检测，这种差分检测设计能够有效减小由于制造误差或梳齿倾斜所造成的航向角检测误差。
(5)俯仰角检测和翻滚角检测部分分别位于两对对边的正方形大框架内部，可以分别实现差分检测以减小检测误差。
(6)正方形大框架内部两质量块之间的工字型折叠梁在面外垂直方向刚度较低，可以有效实现两质量块间的面外垂直方向的运动解耦。
(7)翻滚角及俯仰角检测包含梳齿电容检测及平板电容检测两种结构方案，可以根据加工工艺灵活选择，降低加工难度。
(8)所设计结构四方对称，通过外部耦合环的连接将多个可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪阵列，在一个驱动力作用下共同等幅驱动工作，提高精度及冗余度。
附图说明
图1为本发明陀螺仪整体结构示意图；
图2为图1结构的剖面图；
图3为本发明微陀螺仪的器件结构层结构示意图；
图4为本发明器件结构层的X轴方向质量块结构示意图；
图5为本发明器件结构层的Y轴方向质量块结构示意图；
图6为本发明微陀螺仪俯仰角(翻滚角)敏感结构检测梳齿式结构示意图；
图7为本发明微陀螺仪俯仰角(翻滚角)敏感结构平板电容式结构示意图；
图8为俯仰角及翻滚角检测梳齿式玻璃衬底层俯视图；
图9为俯仰角及翻滚角平板电容式玻璃衬底层俯视图；
图10为图1所示微陀螺仪四环阵列情况下的驱动示意图；
图11为本发明所述微陀螺仪基于SOG工艺加工方法流程图；
图12为本发明所述微陀螺仪以SOI晶圆片为原材加工方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
本发明所述陀螺仪，包括上层的器件结构层、下层的玻璃衬底层以及生长于玻璃衬底层上的金属引线层，器件结构层包括两组驱动梳齿、两个环形耦合环、四个质量块、若干梁以及连接于玻璃衬底上的固定锚点；所述的玻璃衬底上刻有信号引线，器件结构层上的电极和玻璃衬底上的信号引线连接。所述的两个环形耦合环包括内部耦合环、外部耦合环；所述的四个质量块分为X轴上两个质量块及Y轴上两个质量块；每个质量块包含一个驱动传递框架，两个双自由度框架、两个单自由度检测框架、若干连接耦合梁及连接于玻璃衬底上的锚点；其中位于X轴上的每个质量块包含的两个双自由度框架分别为航向角双自由度框架、翻滚角双自由度框架；包含的两个单自由度框架分别为航向角单自由度检测框架(即航向角敏感检测框架)、翻滚角单自由度框架；位于Y轴上的每个质量块包含的两个双自由度框架分别为航向角双自由度框架、俯仰角双自由度框架；包含的两个单自由度框架分别为航向角单自由度检测框架(即航向角敏感检测框架)、俯仰角单自由度框架；所述的两组驱动梳齿分别位于内部耦合环之内和外部耦合环之外。
本发明的微陀螺仪结构为四方对称结构，四个质量块的驱动传递框架通过外环及内环耦合连接，实现等幅差分驱动；检测框架通过耦合梁实现全解耦功能，从而达到较好的测量性能。四边的驱动部分均包含外侧驱动梳齿，外部耦合环，通过耦合梁与内部耦合环和外部耦合环相连的驱动传递框架，内部耦合环及内侧驱动梳齿；其中，驱动梳齿采用电容式变面积静电驱动形式。所述驱动部分的固定驱动梳齿可以通过电极引线连接在一起，通过在固定梳齿上施加叠加的直流电压信号与交流电压信号来驱动圆环耦合框及内部质量块的驱动传递框架运动；在驱动电压所产生的静电力作用下，所述结构的运动形式为外部圆环耦合框架周期性的向以X轴为长轴的椭圆形态和以Y轴为长轴的椭圆形态靠近；外部周期性的向以X轴为长轴的椭圆形态和以Y轴为长轴椭圆形态靠近，与外框架靠近的椭圆形态长轴时刻保持相同。驱动检测部分位于内圆环耦合框架内侧，由最内侧连接与衬底之上的固定驱动检测梳齿与连接在内圆环耦合框架上的可动检测梳齿共同组成。航向角检测部分位于四个质量块的一侧双自由度框架及对应检测框架部分，其中检测梳齿由连接与衬底之上的固定航向角检测梳齿与检测框架上的可动航向角检测梳齿共同组成，形成随航向角变化的电容用于检测；其中，四个质量块均包含航向角检测梳齿，在不同质量块上设置差分梳齿或在相同质量块上设置差分梳齿用于提高检测精度，这种设计可以有效减小加工误差及非理想性对检测结果的影响。俯仰角检测部分包含双自由度框架及对应检测框架部分；当陀螺仪工作时，驱动传递框架仅沿驱动方向运动，通过折叠梁将驱动方向运动传递到双自由度框架，双自由度框架检测到俯仰角时在哥氏力作用下有周期性的面外运动，通过折叠梁将双自由度框架中周期性的面外运动传递到检测框架部分；将连接在衬底上的固定俯仰角检测梳齿与连接在检测框架上的活动俯仰角检测梳齿设置成不等高来检测面外运动或在衬底上沉积大面积金属与检测框架形成电容检测面外运动，实现俯仰角速度的测量。翻滚角检测部分包含双自由度框架及对应检测框架部分；当陀螺仪工作时，驱动传递框架仅沿驱动方向运动，通过折叠梁将驱动方向运动传递到双自由度框架，双自由度框架检测到翻滚角时在哥氏力作用下有周期性的面外运动，通过折叠梁将双自由度框架中周期性的面外运动传递到检测框架部分；将连接在衬底上的固定翻滚角检测梳齿与连接在检测框架上的活动翻滚检测梳齿设置成不等高来检测面外运动或在衬底上沉积大面积金属与检测框架形成电容检测面外运动，实现翻滚角速度的测量。四质量块通过耦合梁与外耦合环及内耦合环连接在一起，在驱动力作用下共同运动。所述驱动部分梳齿均为变面积式，航向角检测部分为变间距式；翻滚角及俯仰角检测部分为检测面外运动，检测方式分为变面积梳齿和变间距平板两种形式。所述结构设计实现了在驱动、驱动检测以及三个方向的角速度测量上的完全解耦，这种设计能够有效提高陀螺仪的测量精度，减小机械耦合误差。通过外部耦合环间的直接连接，可实现多个环形耦合三轴全解耦微陀螺仪的阵列，这种连接方式下所有单个微陀螺仪可共用一个驱动电极，相连接的两个外部耦合环在驱动作用下同一时刻呈长轴垂直的两个椭圆。其加工制备方法可由成熟的SOG工艺及SOI工艺制备；在翻滚角及俯仰角检测方式为变面积梳齿式时可由SOG工艺加工，在翻滚角及俯仰角检测方式为变间距平板式时可由SOG工艺及SOI工艺加工。
如图1-5所示，该陀螺仪为三层结构，由上至下依次包括：器件结构层A、金属引线层和玻璃衬底层B，器件结构层A通过锚点A10与玻璃衬底层B连接，金属引线层位于器件结构层和玻璃衬底层之间，包含信号引线B01，将器件结构层与玻璃衬底层连接的部分锚点(电极)通过信号引线引至周围。
由图3可见，器件结构层包括驱动固定梳齿A01、驱动活动梳齿A02、内部耦合环A03、质量块A04、外部耦合环A05和驱动电极A06，其中，驱动固定梳齿A01包含内环驱动固定梳齿A01-1及外环驱动固定梳齿A01-2，驱动活动梳齿A02包含内环驱动活动梳齿A02-1及外环驱动活动梳齿A02-2，四个质量块A04包括两个位于X方向的质量块A04-X及两个位于Y方向的质量块A04-Y。
沿外部耦合环外部周围均匀分布四个驱动电极A06，且两个位于X轴方向，两个位于Y轴方向；每个驱动电极均通过外环驱动固定梳齿A01-2和外环驱动活动梳齿A02-2与外部耦合环连接(每个驱动电极通过外环驱动固定梳齿A01-2和外环驱动活动梳齿A02-2间形成的电容发挥作用)，其中，外环驱动固定梳齿A01-2固定连接到驱动电极A06上，外环驱动活动梳齿A02-2固定连接到外部耦合环上。
沿内部耦合环内部一周均匀分布四个驱动电极A06，且两个位于X轴方向，两个位于Y轴方向；每个驱动电极均通过内环驱动固定梳齿A01-1和内环驱动活动梳齿A02-1与内部耦合环连接(每个驱动电极通过内环驱动固定梳齿A01-1和内环驱动活动梳齿A02-1间形成的电容用于驱动及检测)，其中，内环驱动固定梳齿A01-1固定连接到驱动电极A06上，内环驱动活动梳齿A02-1固定连接到内部耦合环上。
沿X轴方向，在外部耦合环和内部耦合环之间对称设置两个X方向质量块A04-X，且每个X方向质量块A04-X分别与外部耦合环和内部耦合环连接。
沿Y轴方向，在外部耦合环和内部耦合环之间对称设置两个Y方向质量块A04-Y，且每个Y方向质量块A04-Y分别与外部耦合环和内部耦合环连接。
驱动电极A06与玻璃衬底层连接。
如图4(翻滚角检测方式为检测电极平板式时质量块结构图)所示，沿X方向质量块A04-X包括驱动传递框架A04-a1、航向角双自由度框架A04-b1、航向角敏感检测框架A04-c1、翻滚角双自由度框架A04-b2、翻滚角单自由度框架A04-c2、驱动传递推手梁A04-d1、折叠U型梁A04-d2、工字型折叠梁A04-d3、航向角检测电极A07和固定锚点A10，其中，驱动传递框架A04-a1两侧边上通过4个折叠U型梁A04-d2连接四个固定锚点A10，驱动传递框架A04-a1的两侧边上，位于两个固定锚点之间分别设置一个驱动传递推手梁A04-d1，驱动传递框架A04-a1通过驱动传递推手梁A04-d1分别与外部耦合环和内部耦合环连接；驱动传递框架A04-a1为对称结构，位于竖直对称轴(Y轴方向)上的中心杆将驱动传递框架A04-a1分为两部分，即第一部分和第二部分，其中航向角双自由度框架A04-b1位于第一部分内，且航向角双自由度框架A04-b1与驱动传递框架A04-a1之间通过底边和顶边的四个折叠U型梁A04-d2连接；航向角敏感检测框架A04-c1位于航向角双自由度框架A04-b1内，航向角检测电极A07位于航向角敏感检测框架A04-c1内，航向角敏感检测框架A04-c1的Y轴方向两端与航向角双自由度框架A04-b1之间分别设置一个固定锚点A10，航向角敏感检测框架A04-c1与航向角双自由度框架A04-b1之间通过两侧边的四个折叠U型梁A04-d2连接，航向角检测电极A07与航向角敏感检测框架A04-c1通过梳齿连接(航向角检测电极A07与航向角敏感检测框架A04-c1形成电容用于检测)，航向角敏感检测框架A04-c1与固定锚点A10之间通过底边和顶边的四个折叠U型梁A04-d2连接；翻滚角双自由度框架A04-b2位于第二部分内，且翻滚角双自由度框架A04-b2与驱动传递框架A04-a1之间通过底边和顶边的四个工字型折叠梁A04-d3连接，翻滚角单自由度框架A04-c2位于翻滚角双自由度框架A04-b2内，且翻滚角单自由度框架A04-c2的Y轴方向两端与翻滚角双自由度框架A04-b2之间分别设置一个固定锚点A10，翻滚角单自由度框架A04-c2与翻滚角双自由度框架A04-b2之间通过两侧边的四个工字型折叠梁A04-d3连接，翻滚角单自由度框架A04-c2与固定锚点A10之间通过底边和顶边的一个工字型折叠梁A04-d3连接；固定锚点A10与玻璃衬底层固定连接。当翻滚角检测方式为检测平板电容式时，翻滚角单自由度框架A04-c2部分结构如图7所示，下方沉积有翻滚角金属检测电极薄膜A08-2与翻滚角单自由度框架A04-c2形成电容用于翻滚角检测；当翻滚角检测方式为检测梳齿时，翻滚角单自由度框架A04-c2与A04-c1相同，结构如图6所示，内部包含与玻璃衬底B连接的翻滚角梳齿检测电极A08-1，连接于翻滚角单自由度框架A04-c2上的活动翻滚角检测高梳齿与连接于翻滚角梳齿检测电极A08-1上的翻滚角检测低梳齿形成电容用于翻滚角检测。
如图5(俯仰角检测方式为检测电极平板式时质量块结构图)所示，沿Y方向质量块A04-Y包括驱动传递框架A04-a1、航向角双自由度框架A04-b1、航向角敏感检测框架A04-c1、俯仰角双自由度框架A04-b3、俯仰角单自由度框架A04-c3、驱动传递推手梁A04-d1、折叠U型梁A04-d2、工字型折叠梁A04-d3、航向角检测电极A07和固定锚点A10，其中，驱动传递框架A04-a1的顶边和底边上通过四个折叠U型梁A04-d2连接四个固定锚点A10，驱动传递框架A04-a1的顶边和底边上位于两个固定锚点之间分别设置一个驱动传递推手梁A04-d1，驱动传递框架A04-a1通过驱动传递推手梁A04-d1分别与外部耦合环和内部耦合环连接；驱动传递框架A04-a1为对称结构，位于水平对称轴(X轴方向)上的中心杆将驱动传递框架A04-a1分为两部分，即第一部分和第二部分，其中航向角双自由度框架A04-b1位于第一部分内，且航向角双自由度框架A04-b1与驱动传递框架A04-a1之间通过两侧边的四个折叠U型梁A04-d2连接；航向角敏感检测框架A04-c1位于航向角双自由度框架A04-b1内，航向角检测电极A07位于航向角敏感检测框架A04-c1内，航向角敏感检测框架A04-c1的X轴方向两端与航向角双自由度框架A04-b1之间分别设置一个固定锚点A10，航向角敏感检测框架A04-c1与航向角双自由度框架A04-b1之间通过顶边和底边的四个折叠U型梁A04-d2连接，航向角检测电极A07与航向角敏感检测框架A04-c1通过梳齿连接(航向角检测电极A07与航向角敏感检测框架A04-c1形成电容用于检测)，航向角敏感检测框架A04-c1与固定锚点A10之间通过两侧边的四个折叠U型梁A04-d2连接；俯仰角双自由度框架A04-b3位于第二部分内，且俯仰角双自由度框架A04-b3与驱动传递框架A04-a1之间通过两侧边的四个工字型折叠梁A04-d3连接，俯仰角单自由度框架A04-c3位于俯仰角双自由度框架A04-b3内，且俯仰角单自由度框架A04-c3的X轴方向两端与俯仰角双自由度框架A04-b3之间分别设置一个固定锚点A10，俯仰角单自由度框架A04-c3与俯仰角双自由度框架A04-b3之间通过顶边和底边的四个工字型折叠梁A04-d3连接，俯仰角单自由度框架A04-c3与固定锚点A10之间通过两侧边的工字型折叠梁A04-d3连接；固定锚点A10与玻璃衬底层固定连接。当俯仰角检测方式为检测平板电容式时，俯仰角单自由度框架A04-c3部分结构如图7所示，下方沉积有俯仰角金属检测电极薄膜A09-2与俯仰角单自由度框架A04-c3形成电容用于俯仰角检测；当俯仰角检测方式为检测梳齿时，俯仰角单自由度框架A04-c3与A04-c1相同，结构如图6所示，内部包含与玻璃衬底B连接的俯仰角梳齿检测电极A09-1，连接于A04-c3上的活动俯仰角检测高梳齿与连接于俯仰角梳齿检测电极A09-1上的俯仰角检测低梳齿形成电容用于俯仰角检测。
如图6和图7所示，翻滚角单自由度框架A04-c2上的翻滚角检测电极为翻滚角梳齿检测电极A08-1或翻滚角金属检测电极薄膜A08-2；当翻滚角单自由度框架A04-c2为方框结构时，翻滚角检测电极为翻滚角梳齿检测电极A08-1，该翻滚角梳齿检测电极A08-1位于翻滚角单自由度框架A04-c2内部，且通过翻滚角检测梳齿与翻滚角单自由度框架A04-c2连接；当翻滚角单自由度框架A04-c2为平板结构时，翻滚角检测电极为翻滚角金属检测电极薄膜A08-2，该翻滚角金属检测电极薄膜A08-2位于翻滚角单自由度框架A04-c2下表面。
俯仰角单自由度框架A04-c3上的俯仰角检测电极为俯仰角梳齿检测电极A09-1或俯仰角金属检测电极薄膜A09-2；当俯仰角单自由度框架A04-c3为方框结构时，俯仰角检测电极为俯仰角梳齿检测电极A09-1，该俯仰角梳齿检测电极A09-1位于俯仰角单自由度框架A04-c3内部，且通过俯仰角检测梳齿与俯仰角单自由度框架A04-c3连接；当俯仰角单自由度框架A04-c3为平板结构时，俯仰角检测电极为俯仰角金属检测电极薄膜A09-2，该俯仰角金属检测电极薄膜A09-2位于俯仰角单自由度框架A04-c3下表面。
对于翻滚角单自由度框架A04-c2及俯仰角速度敏感检测框架A04-c3两个单自由度检测框架，检测方式可以分为图6高低梳齿式检测及图7平板电容式检测方式。四个质量块的翻滚角检测方式和俯仰角检测方式要么同为图6所示高低梳齿式检测，要么同为图7所示平板电容式检测。
所述三轴硅微陀螺仪的工作过程可分为如下几个部分。
(1)驱动部分：外部耦合环外围X轴方向的两个驱动电极A06通过信号引线连接，并施加一定直流信号及交流信号；外部耦合环外围Y轴方向的两个驱动电极A06通过信号引线连接，并施加与上述外部耦合环外围X轴方向两个驱动电极直流信号幅值相同的直流信号及与上述外部耦合环外围X轴方向两个驱动电极交流信号幅值相同、相位相差180°的交流信号；内部耦合环内部X轴方向的两个驱动电极A06通过信号引线连接，内部耦合环内部Y轴方向的两个驱动电极A06通过信号引线连接。根据电容式变面积静电力产生机理，这时外环驱动固定梳齿A01-2与外环驱动活动梳齿A02-2之间产生交变的作用力使外部耦合环A05做长轴为水平X轴及竖直Y轴交替的椭圆形态切换运动，外部耦合环A05及内部耦合环A03的运动沿驱动传递推手梁A04-d1带动X方向质量块A04-X中的驱动传递框架A04-a1、航向角双自由度框架A04-b1、翻滚角双自由度框架A04-b2在X轴方向(即水平方向)做周期往复运动，带动Y轴方向质量块A04-Y中的驱动传递框架A04-a1、航向角双自由度框架A04-b1、俯仰角双自由度框架A04-b3在Y轴方向做周期往复运动；带动内部耦合环A03做与外部耦合环A05相同的椭圆形态切换运动。
(2)驱动检测部分：驱动力作用于外部耦合环A05使其做长轴为水平X轴及竖直Y轴交替的椭圆形态切换运动，此时驱动运动通过驱动传递推手梁A04-d1及驱动传递框架A04-a1使内部耦合环A03做与外部耦合环A05相同的椭圆形态切换运动；内部耦合环A03的变化使其上的内环驱动活动梳齿A02-1与内环驱动固定梳齿A01-1之间的电容发生变化，通过在驱动电极A06(内部耦合环内的)下端做出信号引线即可实现驱动检测功能。
(3)航向角(绕Z轴角速度)检测部分：当陀螺仪敏感到外界航向角速度输入时，由于哥氏效应的存在，如图4所示的航向角双自由度框架A04-b1将受到一个沿Y轴方向的哥氏力，从而推动航向角双自由度框架A04-b1沿Y轴方向运动；由于航向角双自由度框架A04-b1通过折叠U型梁A04-d2与航向角敏感检测框架A04-c1相连，航向角双自由度框架A04-b1在Y轴方向的运动传递到航向角敏感检测框架A04-c1上；由于航向角敏感检测框架A04-c1通过折叠U型梁A04-d2与连接于玻璃衬底层上的固定锚点A10相连，航向角敏感检测框架A04-c1仅在Y轴方向上运动，航向角检测电极A07上的检测电容发生变化，检测到对应的航向角速度。如图5所示的航向角双自由度框架A04-b1将受到一个沿X轴方向的哥氏力，从而推动航向角双自由度框架A04-b1沿X轴方向运动；由于航向角双自由度框架A04-b1通过折叠U型梁A04-d2与航向角敏感检测框架A04-c1相连，航向角双自由度框架A04-b1在X轴方向的运动传递到航向角敏感检测框架A04-c1上；由于航向角敏感检测框架A04-c1通过折叠U型梁A04-d2与连接于玻璃衬底层上的固定锚点A10相连，航向角敏感检测框架A04-c1仅在X轴方向上运动，航向角检测电极A07上的检测电容发生变化，检测到对应的航向角速度。
(4)俯仰角(绕X轴角速度)检测部分：当陀螺仪敏感到外界俯仰角速度输入时，由于哥氏效应的存在，如图5所示的俯仰角双自由度框架A04-b3将受到一个沿Z轴方向的哥氏力，从而推动俯仰角双自由度框架A04-b3沿Z轴方向运动；由于俯仰角双自由度框架A04-b3通过工字型折叠梁A04-d3与俯仰角单自由度框架A04-c3相连，俯仰角双自由度框架A04-b3在Z轴方向的运动传递到俯仰角单自由度框架A04-c3上；由于俯仰角单自由度框架A04-c3通过工字型折叠梁A04-d3与连接于玻璃衬底层上的固定锚点A10相连，俯仰角单自由度框架A04-c3仅在Z轴方向上运动。如图6所示，俯仰角单自由度框架A04-c3在Z轴方向的运动导致与连接于玻璃衬底层上的俯仰角梳齿检测电极A09-1梳齿间静态电容发生变化，检测电容变化检测对应的俯仰角速度。如图7所示，俯仰角单自由度框架A04-c3在Z轴方向的运动导致与连接于玻璃衬底层上的俯仰角金属检测电极薄膜A09-2间静态电容发生变化，检测电容变化检测对应的俯仰角速度。
(5)翻滚角(绕Y轴角速度)检测部分：当陀螺仪敏感到外界翻滚角速度输入时，由于哥氏效应的存在，如图4所示的翻滚角双自由度框架A04-b2将受到一个沿Z轴方向的哥氏力，从而推动翻滚角双自由度框架A04-b2沿Z轴方向运动；由于翻滚角双自由度框架A04-b2通过工字型折叠梁A04-d3与翻滚角单自由度框架A04-c2相连，翻滚角双自由度框架A04-b2在Z轴方向的运动传递到翻滚角单自由度框架A04-c2上；由于翻滚角单自由度框架A04-c2通过工字型折叠梁A04-d3与连接于玻璃衬底层上的固定锚点A10相连，翻滚角单自由度框架A04-c2仅在Z轴方向上运动。如图6所示，翻滚角单自由度框架A04-c2在Z轴方向的运动导致与连接于玻璃衬底层上的翻滚角梳齿检测电极A08-1梳齿间静态电容发生变化，检测电容变化检测对应的翻滚角速度。如图7所示，翻滚角单自由度框架A04-c2在Z轴方向的运动导致与连接于玻璃衬底层上的翻滚角金属检测电极薄膜A08-2间静态电容发生变化，检测电容变化检测对应的翻滚角速度。
图8为所述微陀螺仪(俯仰角及翻滚角检测梳齿式)玻璃衬底层俯视示意图，其中键合点B02为器件结构层A与玻璃衬底B的连接点。当俯仰角检测电极为俯仰角梳齿检测电极A09-1和翻滚角检测电极为翻滚角梳齿检测电极A08-1时，玻璃衬底层上生长的信号引线B01包含金属引线B01-a，驱动检测焊盘差分对B02-b1、B02-b2，驱动焊盘差分对B02-c1、B02-c2，航向角检测焊盘差分对B02-d1、B02-d2，翻滚角检测焊盘差分对B02-e1、B02-e2，俯仰角检测焊盘差分对B02-f1、B02-f2；键合点B02处玻璃衬底与硅结构紧密相连，所有焊盘通过金属引线B01-a与键合点B02相连从而实现电气连通。
图9为所述微陀螺仪(俯仰角及翻滚角检测平板式)玻璃衬底层俯视示意图；其中键合点B02为器件结构层A与玻璃衬底B的连接点。当翻滚角检测电极为翻滚角金属检测电极薄膜A08-2和俯仰角检测电极为俯仰角金属检测电极薄膜A09-2时，玻璃衬底层上生长的信号引线B01包含金属引线B01-a，驱动检测焊盘差分对B02-b1、B02-b2，驱动焊盘差分对B02-c1、B02-c2，航向角检测焊盘差分对B02-d1、B02-d2，翻滚角检测焊盘差分对B02-e1、B02-e2，俯仰角检测焊盘差分对B02-f1、B02-f2；键合点B02处玻璃基底与硅结构紧密相连，除翻滚角及俯仰角焊盘外，所有焊盘通过金属引线B01-a与键合点B02相连从而实现电气连通。翻滚角及俯仰角分别通过翻滚角金属检测电极薄膜A08-2、俯仰角金属检测电极薄膜A09-2与翻滚角单自由度框架A04-c2、俯仰角单自由度框架A04-c3形成平板电容，检测对应角速度。
图10所示为四个可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪阵列连接时驱动工作模态示意图，单个微陀螺仪通过外部耦合环A05与相邻单个微陀螺仪相连(图中单个微陀螺仪结构只画了外部耦合环，每个耦合环内部实际结构如图3所示)在共同驱动力作用下，所述多个陀螺仪相邻两个呈现差分驱动模态，所处椭圆形态长轴方向垂直，这种阵列方式简单有效，且相邻两个可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪驱动模态差分提高测量性能。
本发明的陀螺仪可以通过目前已经较为成熟的体硅MEMS加工工艺实现大批量生产，图11为以SOG(silicon-on-glass)工艺来加工制备所述三轴硅微陀螺仪的加工过程(此种方法可加工检测梳齿式及检测平板电容式俯仰角及翻滚角结构)，包括以下步骤：
(a)取一片硅晶圆片11，用H2SO4加H2O2溶液进行清洗。
(b)在硅晶圆片11表面利用LPCVD工艺沉积一层SiO2薄膜。
(c)在硅晶圆片11表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版101进行光刻，曝光，显影操作，得到锚点图案。
(d)利用RIE刻蚀工艺刻蚀表面SiO2，将锚点图案转移到SiO2上。
(e)在硅晶圆片11表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版102进行光刻，曝光，显影操作，得到梳齿图案。
(f)利用RIE刻蚀工艺刻蚀硅晶圆片11表面硅，最终得到具有高低梳齿的结构(未刻通)。
(g)取一片玻璃片12，利用H2SO4加H2O2溶液进行清洗。
(h)在玻璃片12表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版103进行光刻，曝光，显影操作，得到金属电极图案。
(i)在玻璃片12表面溅射一层Cr/Au金属合金，利用剥离工艺将光刻胶上的金属电极图案转移到溅射的合金层上。
(j)将加工的硅晶圆片11与玻璃片12进行阳极键合，得到样片13。
(k)在样片13表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版104进行光刻，曝光，显影操作，得到静低梳齿图案。
(l)刻蚀样片13的硅，释放结构，最终得到所需样件。
本发明的陀螺仪可以通过目前已经较为成熟的体硅MEMS加工工艺实现大批量生产，图12为以SOI(silicon-on-insulator)为原材料来加工制备所述三轴硅微陀螺仪的加工过程(此种方法可加工检测平板电容式俯仰角及翻滚角结构)，包括以下步骤：
(a)取一片SOI晶圆片21，用H2SO4加H2O2溶液进行清洗。
(b)在SOI晶圆片21表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版201进行光刻，曝光，显影操作，得到结构图案。
(c)利用RIE工艺刻蚀SOI晶圆片21的硅，得到硅结构。
(d)利用HF溶液刻蚀SOI晶圆片21牺牲层SiO2，释放硅结构。
(e)取一片玻璃片22，利用H2SO4加H2O2溶液进行清洗。
(f)在玻璃片22表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版202进行光刻，曝光，显影操作，得到锚点图案。
(g)利用HF溶液刻蚀玻璃片，将锚点图案转移到玻璃片22上。
(h)利用剥离工艺及掩膜版203，在玻璃片22表面得到一层具有电极图案的Cr/Au合金金属层。
(i)利用键合工艺，将加工的SOI晶圆片21与玻璃片22进行阳极键合，得到最终的样件。
本发明的微陀螺仪结构形式为四方对称结构，主要包括外环形驱动框架部分、内环型驱动耦合框架部分、敏感检测质量块部分以及相应的耦合折叠梁等。其中，所设计的四方对称结构中四个质量块及内部结构完全一致，每个质量块包含一个驱动传递框架，两个双自由度框架，两个检测框架及对应的耦合折叠梁，四个质量块的驱动传递框架通过外环及内环耦合连接，实现等幅差分驱动；检测框架通过耦合梁实现全解耦功能，从而达到较好的测量性能。

Claims (10)

1.一种可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪，其特征在于，由上至下依次包括：器件结构层A、金属引线层和玻璃衬底层B，器件结构层包括驱动固定梳齿A01、驱动活动梳齿A02、内部耦合环A03、质量块A04、外部耦合环A05和驱动电极A06，其中，驱动固定梳齿A01包含内环驱动固定梳齿A01-1及外环驱动固定梳齿A01-2，驱动活动梳齿A02包含内环驱动活动梳齿A02-1及外环驱动活动梳齿A02-2，四个质量块A04包括两个位于X方向的质量块A04-X及两个位于Y方向的质量块A04-Y；
沿外部耦合环外部周围均匀分布四个驱动电极A06，且两个位于X轴方向，两个位于Y轴方向；每个驱动电极均通过外环驱动固定梳齿A01-2和外环驱动活动梳齿A02-2与外部耦合环连接，其中，外环驱动固定梳齿A01-2固定连接到驱动电极A06上，外环驱动活动梳齿A02-2固定连接到外部耦合环上；
沿内部耦合环内部一周均匀分布四个驱动电极A06，且两个位于X轴方向，两个位于Y轴方向；每个驱动电极均通过内环驱动固定梳齿A01-1和内环驱动活动梳齿A02-1与内部耦合环连接，其中，内环驱动固定梳齿A01-1固定连接到驱动电极A06上，内环驱动活动梳齿A02-1固定连接到内部耦合环上；
沿X轴方向，在外部耦合环和内部耦合环之间对称设置两个X方向质量块A04-X，且每个X方向质量块A04-X分别与外部耦合环和内部耦合环连接；
沿Y轴方向，在外部耦合环和内部耦合环之间对称设置两个Y方向质量块A04-Y，且每个Y方向质量块A04-Y分别与外部耦合环和内部耦合环连接；
器件结构层A通过锚点A10与玻璃衬底层B的键合点键合连接，金属引线层的信号引线生长在玻璃衬底层上，器件结构层A的电极与金属引线层的信号引线连接。
2.根据权利要求1所述的可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪，其特征在于：X方向质量块A04-X包括驱动传递框架A04-a1、航向角双自由度框架A04-b1、航向角敏感检测框架A04-c1、翻滚角双自由度框架A04-b2、翻滚角单自由度框架A04-c2、驱动传递推手梁A04-d1、折叠U型梁A04-d2、工字型折叠梁A04-d3、航向角检测电极A07和固定锚点A10，其中，驱动传递框架A04-a1外围通过折叠U型梁A04-d2连接固定锚点A10，驱动传递框架A04-a1的两侧边上分别设置一个与外部耦合环和内部耦合环连接的驱动传递推手梁A04-d1；驱动传递框架A04-a1为对称结构，包括第一部分和第二部分，其中航向角双自由度框架A04-b1位于第一部分内，航向角敏感检测框架A04-c1位于航向角双自由度框架A04-b1内，航向角检测电极A07位于航向角敏感检测框架A04-c1内，航向角敏感检测框架A04-c1和航向角双自由度框架A04-b1之间还设置有固定锚点A10，航向角敏感检测框架A04-c1分别通过折叠U型梁A04-d2与驱动传递框架A04-a1和航向角双自由度框架A04-b1连接，航向角敏感检测框架A04-c1分别通过折叠U型梁A04-d2和梳齿与固定锚点A10和航向角检测电极A07连接；翻滚角双自由度框架A04-b2位于第二部分内，翻滚角单自由度框架A04-c2位于翻滚角双自由度框架A04-b2内，且翻滚角单自由度框架A04-c2与翻滚角双自由度框架A04-b2之间设置有固定锚点A10，翻滚角双自由度框架A04-b2分别通过工字型折叠梁A04-d3与驱动传递框架A04-a1和翻滚角单自由度框架A04-c2连接，翻滚角单自由度框架A04-c2通过工字型折叠梁A04-d3与固定锚点A10连接；翻滚角单自由度框架A04-c2内部或下面设置有翻滚角检测电极A08；固定锚点A10与玻璃衬底层固定连接。
3.根据权利要求2所述的可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪，其特征在于：翻滚角单自由度框架A04-c2上的翻滚角检测电极为翻滚角梳齿检测电极A08-1或翻滚角金属检测电极薄膜A08-2；
当翻滚角单自由度框架A04-c2为方框结构时，翻滚角检测电极为翻滚角梳齿检测电极A08-1，该翻滚角梳齿检测电极A08-1位于翻滚角单自由度框架A04-c2内部，且通过翻滚角检测梳齿与翻滚角单自由度框架A04-c2连接；
当翻滚角单自由度框架A04-c2为平板结构时，翻滚角检测电极为翻滚角金属检测电极薄膜A08-2，该翻滚角金属检测电极薄膜A08-2位于翻滚角单自由度框架A04-c2下表面。
4.根据权利要求3所述的可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪，其特征在于：
当翻滚角检测电极为翻滚角梳齿检测电极A08-1时，玻璃衬底层上生长的信号引线B01包含金属引线B01-a、驱动检测焊盘差分对B02-b1和B02-b2、驱动焊盘差分对B02-c1和B02-c2、航向角检测焊盘差分对B02-d1和B02-d2、翻滚角检测焊盘差分对B02-e1和B02-e2，俯仰角检测焊盘差分对B02-f1和B02-f2；键合点B02与器件结构层相应的电极连接，所有焊盘通过金属引线B01-a与键合点B02相连从而实现电气连通；
当翻滚角检测电极为翻滚角金属检测电极薄膜A08-2时，玻璃衬底层上生长的信号引线B01包含金属引线B01-a、驱动检测焊盘差分对B02-b1和B02-b2、驱动焊盘差分对B02-c1和B02-c2、航向角检测焊盘差分对B02-d1和B02-d2、翻滚角检测焊盘差分对B02-e1和B02-e2、俯仰角检测焊盘差分对B02-f1和B02-f2；键合点B02与器件结构层相应的电极连接，除翻滚角及俯仰角焊盘外，所有焊盘通过金属引线B01-a与键合点B02相连从而实现电气连通。
5.根据权利要求1所述的可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪，其特征在于：沿Y方向质量块A04-Y包括驱动传递框架A04-a1、航向角双自由度框架A04-b1、航向角敏感检测框架A04-c1、俯仰角双自由度框架A04-b3、俯仰角单自由度框架A04-c3、驱动传递推手梁A04-d1、折叠U型梁A04-d2、工字型折叠梁A04-d3、航向角检测电极A07和固定锚点A10，其中，驱动传递框架A04-a1四角分别通过折叠U型梁A04-d2连接至固定锚点A10，驱动传递框架A04-a1的两侧边分别设置一个与外部耦合环和内部耦合环连接的驱动传递推手梁A04-d1；驱动传递框架A04-a1为对称结构，包括第一部分和第二部分，其中航向角双自由度框架A04-b1位于第一部分内，航向角敏感检测框架A04-c1位于航向角双自由度框架A04-b1内，航向角检测电极A07位于航向角敏感检测框架A04-c1内，航向角敏感检测框架A04-c1与航向角双自由度框架A04-b1之间设有固定锚点A10，航向角双自由度框架A04-b1分别通过折叠U型梁A04-d2与驱动传递框架A04-a1和航向角敏感检测框架A04-c1连接，航向角敏感检测框架A04-c1分别通过折叠U型梁A04-d2和梳齿与固定锚点A10和航向角检测电极A07连接；俯仰角双自由度框架A04-b3位于第二部分内，俯仰角单自由度框架A04-c3位于俯仰角双自由度框架A04-b3内，俯仰角单自由度框架A04-c3与俯仰角双自由度框架A04-b3之间设有固定锚点A10，俯仰角双自由度框架A04-b3分别通过工字型折叠梁A04-d3与驱动传递框架A04-a1和俯仰角单自由度框架A04-c3连接，俯仰角单自由度框架A04-c3通过工字型折叠梁A04-d3与固定锚点A10连接；俯仰角单自由度框架A04-c3内部或下面设置有俯仰角检测电极A09；固定锚点A10与玻璃衬底层固定连接。
6.根据权利要求5所述的可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪，其特征在于：俯仰角单自由度框架A04-c3上的俯仰角检测电极为俯仰角梳齿检测电极A09-1或俯仰角金属检测电极薄膜A09-2；
当俯仰角单自由度框架A04-c3为方框结构时，俯仰角检测电极为俯仰角梳齿检测电极A09-1，该俯仰角梳齿检测电极A09-1位于俯仰角单自由度框架A04-c3内部，且通过俯仰角检测梳齿与俯仰角单自由度框架A04-c3连接；
当俯仰角单自由度框架A04-c3为平板结构时，俯仰角检测电极为俯仰角金属检测电极薄膜A09-2，该俯仰角金属检测电极薄膜A09-2位于俯仰角单自由度框架A04-c3下表面。
7.根据权利要求6所述的可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪，其特征在于：
当俯仰角检测电极为俯仰角梳齿检测电极A09-1时，玻璃衬底层上生长的信号引线B01包含金属引线B01-a、驱动检测焊盘差分对B02-b1和B02-b2、驱动焊盘差分对B02-c1和B02-c2、航向角检测焊盘差分对B02-d1和B02-d2、翻滚角检测焊盘差分对B02-e1和B02-e2，俯仰角检测焊盘差分对B02-f1和B02-f2；键合点B02与器件结构层相应的电极连接，所有焊盘通过金属引线B01-a与键合点B02相连从而实现电气连通；
当俯仰角检测电极为俯仰角金属检测电极薄膜A09-2时，玻璃衬底层上生长的信号引线B01包含金属引线B01-a、驱动检测焊盘差分对B02-b1和B02-b2、驱动焊盘差分对B02-c1和B02-c2、航向角检测焊盘差分对B02-d1和B02-d2、翻滚角检测焊盘差分对B02-e1和B02-e2、俯仰角检测焊盘差分对B02-f1和B02-f2；键合点B02与器件结构层相应的电极连接，除翻滚角及俯仰角焊盘外，所有焊盘通过金属引线B01-a与键合点B02相连从而实现电气连通。
8.一种权利要求1-7任一项所述可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)取一片硅晶圆片(11)，用H2SO4加H2O2溶液进行清洗；
(b)在硅晶圆片(11)表面利用LPCVD工艺沉积一层SiO2薄膜；
(c)在硅晶圆片(11)表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版(101)进行光刻，曝光，显影操作，得到锚点图案；
(d)利用RIE刻蚀工艺刻蚀表面SiO2，将锚点图案转移到SiO2上；
(e)在硅晶圆片(11)表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版(102)进行光刻，曝光，显影操作，得到梳齿图案；
(f)利用RIE刻蚀工艺刻蚀硅晶圆片(11)表面硅，最终得到具有高低梳齿的结构；
(g)取一片玻璃片(12)，利用H2SO4加H2O2溶液进行清洗；
(h)在玻璃片(12)表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版(103)进行光刻，曝光，显影操作，得到金属电极图案；
(i)在玻璃片(12)表面溅射一层Cr/Au金属合金，利用剥离工艺将光刻胶上的金属电极图案转移到溅射的合金层上；
(j)将加工的硅晶圆片(11)与玻璃片(12)进行阳极键合，得到样片(13)；
(k)在样片(13)表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版(104)进行光刻，曝光，显影操作，得到静低梳齿图案；
(l)刻蚀样片(13)的硅，释放结构，最终得到所需样件。
9.一种权利要求1-7任一项所述可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)取一片SOI晶圆片(21)，用H2SO4加H2O2溶液进行清洗；
(b)在SOI晶圆片(21)表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版(201)进行光刻，曝光，显影操作，得到结构图案；
(c)利用RIE工艺刻蚀SOI晶圆片(21)的硅，得到硅结构；
(d)利用HF溶液刻蚀SOI晶圆片(21)牺牲层SiO2，释放硅结构；
(e)取一片玻璃片(22)，利用H2SO4加H2O2溶液进行清洗；
(f)在玻璃片(22)表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版(202)进行光刻，曝光，显影操作，得到锚点图案；
(g)利用HF溶液刻蚀玻璃片，将锚点图案转移到玻璃片(22)上；
(h)利用剥离工艺及掩膜版(203)，在玻璃片(22)表面得到一层具有电极图案的Cr/Au合金金属层；
(i)利用键合工艺，将加工的SOI晶圆片(21)与玻璃片(22)进行阳极键合，得到最终的样件。
10.一种单片集成的可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪，其特征在于，通过外部耦合环的连接将多个权利要求1-7任一项所述可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪阵列连接形成，相邻两个可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪呈现差分驱动模态，且椭圆形态长轴方向垂直。
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