CN113607153A - 一种两轴mems圆环陀螺仪及其制备封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于MEMS陀螺仪传感器设计和加工技术领域，公开了一种两轴MEMS圆环陀螺仪及其制备封装方法。两轴MEMS圆环陀螺仪自下而上依次包括衬底层、器件层和盖板层，陀螺仪的主体结构位于器件层。所述MEMS陀螺仪采用电容式驱动和检测，陀螺仪结构采用圆环感应框结构，在圆环感应框外侧的感应电极可设置较多电极板对数，提供较大的感应电容。本发明可增大陀螺仪的灵敏度、提升陀螺仪的传感性能和抑制封装应力所导致的陀螺仪输出误差。采用硅通孔填充多晶硅和圆片级真空封装技术实现了器件的制备封装，同时实现了面外感应电极结构的制作，能够大大简化器件的电学布线，减小芯片体积的同时可实现器件和集成电路芯片的工艺的兼容。

Description

一种两轴MEMS圆环陀螺仪及其制备封装方法
技术领域
本发明属于MEMS陀螺仪传感器设计和加工技术领域，更具体地，涉及一种两轴MEMS圆环陀螺仪及其制备封装方法。
背景技术
陀螺仪是一种测量角速度或角度的惯性传感器，基于微纳加工技术的微机电(Micro-electro-mechanical System，MEMS)陀螺仪具有成本低、体积小、重量轻、功耗低、可批量生产、易与CMOS接口电路集成、数字化和智能化等特点，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。在过去的几十年中，随着MEMS陀螺机械结构设计的优化、微纳制造技术的不断改进以及读出电路的优化，MEMS陀螺系统性能不断提高。
现有的电容式MEMS陀螺仪感应电极中电极板的对数一般为几十对，灵敏度较低。此外，常用MEMS陀螺仪主要是音叉式结构，但通常结构复杂，且具有数量较多的固定锚点，导致陀螺仪对于外界应力的变化十分敏感，严重降低了陀螺仪的温度和应力的稳定性。如何提高MEMS陀螺仪的灵敏度、稳定性是本领域需要解决的技术问题。
发明内容
本发明通过提供一种两轴MEMS圆环陀螺仪及其制备封装方法，解决现有技术中MEMS陀螺仪的灵敏度较低、应力稳定性较差的问题。
本发明提供一种两轴MEMS圆环陀螺仪，自下而上依次包括衬底层、器件层和盖板层；
所述两轴MEMS圆环陀螺仪的主体结构位于所述器件层，包括：圆环感应框，位于所述圆环感应框内侧的中心锚点、第一质量块和第二质量块，以及位于所述圆环感应框外侧的至少两组第一感应单元；
所述中心锚点位于陀螺仪的中心位置，所述第一质量块和所述第二质量块对称分布于所述中心锚点的两侧，所述第一质量块上设置有第一驱动单元，所述第二质量块上设置有第二驱动单元；
所述中心锚点通过第一弹性梁与所述圆环感应框连接，所述第一弹性梁沿长度方向的轴线平行于Y轴；所述第一质量块和所述第二质量块均通过第二弹性梁与所述圆环感应框连接，所述第二弹性梁沿长度方向的轴线平行于Y轴；
所述两轴MEMS圆环陀螺仪的主体结构通过所述中心锚点固定于所述衬底层；
所述盖板层在靠近所述器件层的一侧表面设置有两组第二感应单元，两组所述第二感应单元分别位于所述第一质量块和所述第二质量块的正上方；
所述陀螺仪的驱动工作模态为所述第一质量块和所述第二质量块同时沿X轴方向进行同相的面内振荡运动；
所述陀螺仪包括第一感应模态和第二感应模态；当所述陀螺仪处于所述驱动工作模态时，若外界向陀螺仪施加沿Z轴方向的角速度，则所述第一质量块、所述第二质量块和所述圆环感应框绕所述陀螺仪的结构中心位置作扭摆旋转运动，所述陀螺仪处于所述第一感应模态，通过所述第一感应单元检测获得Z轴方向的角速度信息；若外界向陀螺仪施加沿Y轴方向的角速度时，则所述第一质量块、所述第二质量块和所述圆环感应框沿Y轴作面外上下扭摆运动，所述陀螺仪处于所述第二感应模态，通过所述第二感应单元检测获得Y轴方向的角速度信息。
优选的，所述第一感应单元包括梳齿状感应电极；所述梳齿状感应电极包括多个可动电极板和多个固定电极板，一个所述可动电极板和一个所述固定电极板构成一对电极对；所述梳齿状感应电极为变间距梳齿电极；每个所述第一感应单元中的所述电极对的数量超过一百对。
优选的，每组所述第二感应单元中包括一个平板感应电极，所述平板感应电极与所述器件层的结构平行。
优选的，所述第一驱动单元和所述第二驱动单元的结构相同，均包括两组驱动电极和两组驱动检测电极，所述驱动电极和所述驱动检测电极均为等间距梳齿状电极。
优选的，包括两组所述第一感应单元和两组所述第二感应单元；两组所述第一感应单元关于Y轴对称分布，两组所述第二感应单元关于Y轴对称分布；
所述陀螺仪处于所述第一感应模态时，两组所述第一感应单元中的梳齿状感应电极输出幅值相同、相位相反的信号，实现差分输出；
所述陀螺仪处于所述第二感应模态时，两组所述第二感应单元中的平面感应电极输出幅值相同、相位相反的信号，实现差分输出。
优选的，包括四组所述第一感应单元和两组所述第二感应单元；四组所述第一感应单元沿X轴和Y轴对称分布，两组所述第二感应单元关于Y轴对称分布；
所述陀螺仪处于所述第一感应模态时，位于一条对角线上的两个所述第一感应单元中的梳齿状感应电极采用同相信号输出，位于另一条对角线上的两个所述第一感应单元中的梳齿状感应电极采用反相信号输出，实现差分输出；
所述陀螺仪处于所述第二感应模态时，两组所述第二感应单元中的平面感应电极输出幅值相同、相位相反的信号，实现差分输出。
优选的，所述圆环感应框为圆环柱体结构，所述中心锚点为圆柱体结构。
优选的，所述第一弹性梁和所述第二弹性梁分别采用直梁、U形梁、折叠梁或蟹脚梁结构中的一种或多种的组合。
另一方面，本发明提供一种两轴MEMS圆环陀螺仪的制备封装方法，包括以下步骤：
步骤1、在衬底层的正面刻蚀出带有支撑柱的凹腔结构，在所述衬底层的正面和的背面均沉积一层氧化硅；
步骤2、将器件层的背面与所述衬底层的正面对准，并直接键合；在所述器件层的正面沉积一层铝金属层，在所述铝金属层上进行图案化光刻和刻蚀；
步骤3、在所述器件层上刻蚀出如权利要求1-9中任一项所述的两轴MEMS圆环陀螺仪的主体结构；
步骤4、在盖板层的表面刻蚀出硅通孔，并在所述硅通孔和所述盖板层的表面沉积一层氧化硅；
步骤5、在所述盖板层的正面沉积一层多晶硅薄膜，并在所述硅通孔处填充多晶硅；
步骤6、对所述多晶硅薄膜进行减薄处理，并在所述多晶硅薄膜的表面沉积一层金属锗；
步骤7、刻蚀所述多晶硅薄膜和所述金属锗，得到多晶硅支撑柱；基于刻蚀后剩余的多晶硅薄膜，刻蚀得到如权利要求3所述的平面感应电极；
步骤8、通过铝锗键合的方式，将所述盖板层和所述器件层的正面进行圆片级真空键合；
步骤9、对所述盖板层的背面进行减薄处理，漏出填充有所述多晶硅的硅通孔；在所述盖板层的背面沉积一层氧化硅，并将所述硅通孔对应区域的氧化硅去除；在所述盖板层的背面沉积一层铝金属层，并制作铝金属焊盘。
优选的，所述衬底层的制备材料采用单晶硅和石英玻璃，所述器件层的制备材料采用掺杂单晶硅，所述盖板层的制备材料采用单晶硅。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在发明中，设计的两轴MEMS圆环陀螺仪自下而上依次包括衬底层、器件层和盖板层；两轴MEMS圆环陀螺仪的主体结构位于器件层，并采用圆环感应框，圆环感应框的外侧设置有至少两组第一感应单元，圆环感应框的外侧可全部用于传感输出，能够最大化利用传感面积，相对于传统的电容式MEMS陀螺仪感应单元中电极对的对数一般为几十对，本发明所提出的陀螺仪中每个第一感应单元中的电极对可以提升至几百对，可有效增大器件的电容输出信号，增大陀螺仪的灵敏度，相比于传统的电容式陀螺仪，本发明提供的陀螺仪的灵敏度可增大数十倍。此外，本发明提出的陀螺仪是以一种与传统MEMS陀螺仪不同的传感模态来实现了双轴角速度传感功能。且本发明在单片上可以实现双轴方向的传感，可有效提升MEMS陀螺仪的传感性能，同时减少了传感器芯片的体积和功耗。本发明采用单锚点结构，可有效抑制封装应力所导致的陀螺仪输出误差，从而提高MEMS陀螺仪的长期稳定性。另一方面，本发明提出的两轴MEMS圆环陀螺仪的制备封装方法采用硅通孔填充多晶硅的技术实现了器件的电学连通，同时实现了平面感应电极结构的制作，该方式大大简化了器件的电学布线，可实现器件和集成电路芯片工艺的兼容。此外，采用铝锗键合实现了器件的圆片级真空封装，方法简单高效，适合器件的批量生产。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种两轴MEMS圆环陀螺仪中器件层的平面结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的一种两轴MEMS圆环陀螺仪的驱动工作模态简图；
图3为本发明实施例1提供的一种两轴MEMS圆环陀螺仪的第一感应模态简图；
图4为本发明实施例1提供的一种两轴MEMS圆环陀螺仪的第二感应模态简图；
图5为本发明实施例2提供的一种两轴MEMS圆环陀螺仪中器件层的平面结构示意图；
图6-1为本发明实施例3提供的一种两轴MEMS圆环陀螺仪的制备封装方法的工艺流程中带凹腔和支撑柱衬底层截面结构示意图；
图6-2为衬底层与器件层对准键合后，在器件层表面制作金属焊盘的截面结构示意图；
图6-3为采用深反应离子刻蚀的方式刻蚀出两轴MEMS圆环陀螺仪的主体结构的截面示意图；
图6-4为带有凹腔和硅通孔结构的盖板层截面结构示意图；
图6-5为在盖板层正面沉积多晶硅截面结构示意图；
图6-6为在盖板层正面沉积多晶硅和金属锗层截面结构示意图；
图6-7为带有填充满多晶硅的通孔和平面感应电极结构的盖板层截面结构示意图；
图6-8为盖板层、器件层和衬底层键合后三层结构示意图；
图6-9为最终得到的两轴MEMS圆环陀螺仪的封装结构的截面示意图。
其中，1-中心锚点、2-质量块、3-第一弹性梁、4-第二弹性梁、5-驱动单元、6-驱动电极、7-驱动检测电极、8-圆环感应框、9-第一感应单元、10-氧化硅、11-衬底层、12-器件层、13-铝金属层、14-盖板层、15-硅通孔、16-多晶硅、17-金属锗、18-多晶硅支撑柱、19-平面感应电极、20-铝金属焊盘。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：
实施例1提供了一种两轴MEMS圆环陀螺仪，自下而上依次包括衬底层、器件层和盖板层。所述两轴MEMS圆环陀螺仪的主体结构位于所述器件层，参见图1，包括：圆环感应框8，位于所述圆环感应框8内侧的中心锚点1、第一质量块和第二质量块，以及位于所述圆环感应框8外侧的至少两组第一感应单元9。即除了所述第一感应单元9之外，其余所有的主体结构均位于所述圆环感应框8的内部。
所述中心锚点1位于陀螺仪的中心位置，所述第一质量块和所述第二质量块(即两个质量块2)对称分布于所述中心锚点1的两侧，所述第一质量块上设置有第一驱动单元，所述第二质量块上设置有第二驱动单元。例如，两组驱动单元5(即第一驱动单元和第二驱动单元)分别位于两个质量块2的中间。所述中心锚点1通过第一弹性梁3与所述圆环感应框8连接，所述第一弹性梁3沿长度方向的轴线平行于Y轴；所述第一质量块和所述第二质量块均通过第二弹性梁4与所述圆环感应框8连接，所述第二弹性梁4沿长度方向的轴线平行于Y轴。
所述两轴MEMS圆环陀螺仪的主体结构通过所述中心锚点1固定于所述衬底层。
所述盖板层在靠近所述器件层的一侧表面设置有两组第二感应单元，两组所述第二感应单元分别位于所述第一质量块和所述第二质量块的正上方。
所述陀螺仪的驱动工作模态为所述第一质量块和所述第二质量块同时沿X轴方向进行同相的面内振荡运动。两个质量块2设置为同时靠近或远离所述中心锚点1，陀螺仪在驱动状态下两个质量块2作同相运动。
所述第一驱动单元和所述第二驱动单元的结构相同，均包括两组驱动电极6和两组驱动检测电极7，所述驱动电极6和所述驱动检测电极7均为等间距梳齿状电极。
所述第一感应单元9包括梳齿状感应电极；所述梳齿状感应电极包括多个可动电极板和多个固定电极板，一个所述可动电极板和一个所述固定电极板构成一对电极对；所述梳齿状感应电极为变间距梳齿电极；每个所述第一感应单元9中的所述电极对的数量超过一百对。
即所述驱动单元5与所述第一感应单元9中的电极均包括可动电极板和固定电极板；所述可动电极板和所述固定电极板均为梳齿状，其中所述驱动电极6和所述驱动检测电极7中的可动电极板与所述质量块2连接，所述第一感应单元9中的可动电极板与所述圆环感应框8连接。
当在所述两轴MEMS圆环陀螺仪中两个所述驱动单元5中靠近所述中心锚点1的两组所述驱动电极6上施加同相交流电压Va时，在两个所述驱动单元5中远离所述中心锚点1的两组所述驱动电极6上施加同相交流电压Vb(Va与Vb相位相差180度)，由于静电力的作用，两个所述质量块2同时沿X轴方向进行面内振荡运动，两个所述质量块2设置为同时靠近或同时远离位于中心处的所述中心锚点1。当施加的交流电压频率与所述质量块2的振荡运动谐振频率相同时，所述两轴MEMS圆环陀螺仪处于驱动工作模态，如图2所示，此时所述质量块2位移的幅值最大。此时可通过所述驱动单元5中的所述驱动检测电极7监测陀螺仪的驱动信息，用于搭建陀螺仪驱动闭环控制电路。
所述MEMS陀螺仪为双轴陀螺仪，可检测从Y轴和Z轴方向上输入的角速度信号。所述陀螺仪包括第一感应模态和第二感应模态。
当所述陀螺仪处于所述驱动工作模态时，若外界向陀螺仪施加沿Z轴方向的角速度，则所述第一质量块、所述第二质量块和所述圆环感应框8绕所述陀螺仪的结构中心位置作扭摆旋转运动，所述陀螺仪处于所述第一感应模态，通过所述第一感应单元9检测获得Z轴方向的角速度信息，参见图3。
即当所述陀螺仪处于驱动工作模态时，当从外界施加沿Z轴方向的角速度时，两个所述质量块2分别受到与Y轴平行方向的科里奥利力的作用并产生位移，两个所述质量块2运动的方向相反。同时，由于所述圆环感应框8和所述质量块2之间采用所述第二弹性梁4连接，所述质量块2的运动通过所述第二弹性梁4耦合到所述圆环感应框8上，由于两个所述质量块2之间的力矩作用，所述质量块2和所述圆环感应框8沿陀螺仪结构中心位置作扭摆旋转运动，此时陀螺仪处于第一感应模态。陀螺仪处于感应模态时，所述第一感应单元9中的可动电极板和固定电极板之间的间距发生改变，即可通过检测所述第一感应单元9中电极的电容变化进而获得外界所施加的Z轴方向角速度的信息。
若外界向陀螺仪施加沿Y轴方向的角速度时，则所述第一质量块、所述第二质量块和所述圆环感应框8沿Y轴作面外上下扭摆运动，所述陀螺仪处于所述第二感应模态，通过所述第二感应单元检测获得Y轴方向的角速度信息，参见图4。
即当陀螺仪处于驱动工作模态时，当从外界施加沿Y轴方向的角速度时，两个所述质量块2分别受到与Z轴平行方向的科里奥利力的作用并产生位移，两个所述质量块2运动的方向相反。此时，两个所述质量块2和所述圆环感应框8沿Y轴作面外上下扭摆运动，此时陀螺仪处于第二感应模态。
每组所述第二感应单元中包括一个平板感应电极，所述平板感应电极与所述器件层的结构平行。
即所述两轴MEMS圆环陀螺仪的两个所述质量块2的正上方处分别设置有平面感应电极19，如图6-9所示，当陀螺仪处于第二感应模态时，所述质量块2和所述平面感应电极19之间的间距发生改变，通过检测所述质量块2和所述平面感应电极19之间的电容变化，即可获得外界所施加的Y轴方向角速度的信息。
所述圆环感应框8为圆环柱体结构，所述中心锚点1为圆柱体结构。所述质量块2为柱体结构，所述质量块2根据所述中心锚点1和所述圆环感应框8的结构的尺寸变化而变化，所述质量块2与所述中心锚点1、所述圆环感应框8、所述第一弹性梁3之间的间距均保持不变。
所述第一弹性梁3和所述第二弹性梁4分别采用直梁、U形梁、折叠梁或蟹脚梁结构中的一种或多种的组合。
具体的，可包括两组所述第一感应单元9和两组所述第二感应单元；两组所述第一感应单元9关于Y轴对称分布(如图1所示的9e和9f)，两组所述第二感应单元关于Y轴对称分布。所述陀螺仪处于所述第一感应模态时，两组所述第一感应单元9中的梳齿状感应电极输出幅值相同、相位相反的信号，实现差分输出；所述陀螺仪处于所述第二感应模态时，两组所述第二感应单元中的平面感应电极输出幅值相同、相位相反的信号，实现差分输出。即所述两轴MEMS圆环陀螺仪采用差分输出的形式实现角速度信号检测。
实施例2：
基于实施例1中的两轴MEMS圆环陀螺仪的平面结构，可对所述第一感应单元9的数量和位置进行改变，得到的平面结构如图5所示。与实施例1平面结构不同的是，实施例2中的所述第一感应单元9的数量可设置为四组，此时，所述第一感应单元9位于所述圆环感应框8外侧四周，四组所述第一感应单元9同时沿X轴和Y轴对称分布。当两轴MEMS圆环陀螺仪处于第一感应模态时，由于陀螺仪结构的对称性，位于一条对角线上两个所述第一感应电极9a和9c采用同相信号输出，位于另一条对角线上的两个所述第一感应电极9b和9d采用反相信号输出，也可实现MEMS陀螺仪的差分信号检测，所述差分检测的方式可起到抑制误差和增强输出信号的作用。
实施例3：
实施例3提供的一种两轴MEMS圆环陀螺仪的制备封装方法，包括以下步骤：
步骤1、在衬底层的正面刻蚀出带有支撑柱的凹腔结构，在所述衬底层的正面和的背面均沉积一层氧化硅；
步骤2、将器件层的背面与所述衬底层的正面对准，并直接键合；在所述器件层的正面沉积一层铝金属层，在所述铝金属层上进行图案化光刻和刻蚀；
步骤3、在所述器件层上刻蚀出如实施例1或实施例2所述的两轴MEMS圆环陀螺仪的主体结构；
步骤4、在盖板层的表面刻蚀出硅通孔，并在所述硅通孔和所述盖板层的表面沉积一层氧化硅；
步骤5、在所述盖板层的正面沉积一层多晶硅薄膜，并在所述硅通孔处填充多晶硅；
步骤6、对所述多晶硅薄膜进行减薄处理，并在所述多晶硅薄膜的表面沉积一层金属锗；
步骤7、刻蚀所述多晶硅薄膜和所述金属锗，得到多晶硅支撑柱；基于刻蚀后剩余的多晶硅薄膜，刻蚀得到如实施例1或实施例2所述的平面感应电极；
步骤8、通过铝锗键合的方式，将所述盖板层和所述器件层的正面进行圆片级真空键合；
步骤9、对所述盖板层的背面进行减薄处理，漏出填充有所述多晶硅的硅通孔；在所述盖板层的背面沉积一层氧化硅，并将所述硅通孔对应区域的氧化硅去除；在所述盖板层的背面沉积一层铝金属层，并制作铝金属焊盘。
其中，所述衬底层的制备材料可采用单晶硅和石英玻璃，所述器件层的制备材料可采用掺杂单晶硅，所述盖板层的制备材料可采用单晶硅。
通过实施例3的步骤能够得到如实施例1或实施例2中的两轴MEMS圆环陀螺仪。
具体的，实施例3得到的对应的封装结构自下而上包括衬底层11、器件层12和盖板层14，具体的制备封装步骤如下：
(1)如图6-1所示，采用深反应离子刻蚀的方法在衬底层11正面刻蚀出带有支撑柱的凹腔结构。并采用热氧化或是化学气相沉积的方法在衬底层正面和背面沉积一层氧化硅10。
(2)如图6-2所示，将器件层12背面与衬底层11正面对准直接键合。在器件层12正面沉积一层铝金属层13，在铝金属层13上进行图案化光刻和刻蚀。
(3)如图6-3所示，采用图案化光刻和刻蚀的方法在器件层12上刻蚀出两轴MEMS圆环陀螺仪的主体结构。
(4)如图6-4所示，采用深反应离子刻蚀的方法在盖板层14表面刻蚀硅通孔15结构，并在硅通孔15和盖板层14表面沉积一层氧化硅10。
(5)如图6-5所示，采用低压化学气相沉积的方法在盖板层14正面沉积一层多晶硅16薄膜，同时在硅通孔15处填充多晶硅16。
(6)如图6-6所示，采用化学机械抛光的方法将多晶硅16减薄至合适厚度，采用物理气相沉积的方法在多晶硅表面沉积一层金属锗17。
(7)如图6-7所示，采用图案化光刻和刻蚀的方法刻蚀多晶硅16和金属锗17，基于刻蚀后的多晶硅16得到多晶硅支撑柱18结构，并保留部分厚度多晶硅16薄膜。同时采用图案化光刻和刻蚀的方法刻蚀剩余多晶硅16，用于制作平面感应电极19，并保留盖板层14表面的氧化硅10。
(8)如图6-8所示采用，铝锗键合的方式将盖板层14和器件层12正面进行圆片级真空键合。
(9)如图6-9所示，采用化学机械抛光的方法将盖板层14的背面厚度减薄至漏出填充满多晶硅16的通孔，然后在沉积盖板层14背面沉积一层氧化硅10，之后将采用图案化光刻和刻蚀的方式将通孔区域的氧化硅10去除；最后在盖板层14背面沉积一层铝金属层，并将铝金属层进行图案化光刻和刻蚀，完成电学布线，并制作铝金属焊盘20。
实施例3提出的两轴MEMS圆环陀螺仪的制备封装方法，采用硅通孔填充多晶硅的方式实现了器件的电学连通，同时实现了平面感应电极结构的制作，该方式大大简化了器件的电学布线，可实现MEMS器件芯片和集成电路芯片工艺的兼容。该方法采用圆片级真空键合的方式实现了器件的真空封装，降低了器件的设计和加工难度，方法简单且高效，有利于传感器的批量生产。
本发明实施例提供的一种两轴MEMS圆环陀螺仪及其制备封装方法至少包括如下技术效果：
(1)本发明所提出的MEMS陀螺仪结构采用圆环感应框，在圆环感应框外侧的感应电极可设置数量较多电极板，可以有效提升陀螺仪的电容输出，增大了陀螺仪的灵敏度。相对于传统的电容式MEMS陀螺仪感应电极中电极板的对数一般为几十对，本发明所提出的陀螺仪结构感应框外侧全部可用于传感输出，最大化利用了传感面积，感应电极中电极板对数可以提升至几百对，可有效增大器件的电容输出信号，增大了陀螺仪的灵敏度，相比于传统的电容式陀螺仪灵敏度可增大数十倍。
(2)本发明所提出的MEMS陀螺仪在单片上可以实现双轴方向的传感，可有效提升MEMS陀螺仪的传感性能，同时减少了传感器芯片的体积和功耗。
本发明提出了一种新型的结构，采用双质量块音叉结构，两个质量块分别通过二级弹性梁结构与圆环感应电极框耦合，可以实现面内感应模态，且该模态为整体结构绕中心位置旋转，与现有技术均不同，可以实现Z轴方向的角速度传感功能，与目前所有MEMS陀螺仪相比，本发明所提出的结构采用了不同的传感模态同样实现了Z轴方向的角速度传感功能。本发明所提出的结构中单个锚点和一级弹性梁位于圆环感应框的Y方向中轴线上，同时由于质量块和圆环感应框通过二级弹性梁进行耦合，该对称设计可以实现第二感应模态，可以实现Y轴方向的角速度传感功能。即本发明提出了与传统MEMS陀螺仪不同的传感模态实现了双轴角速度传感的功能。
(3)本发明提出的MEMS陀螺仪结构，该结构为音叉式结构陀螺仪，采用单个锚点数量，能有效抑制由于不同层热膨胀系数差异所引起封装应力对于陀螺仪器件性能的影响。
采用单锚点结构时，器件加工和封装过程中产生的应力只能通过单个锚点传导至器件，可有效降低封装应力对器件结构的影响，从而降低对器件性能的影响；目前现有的MEMS音叉式结构陀螺仪一般锚点大于四个，通常为八个至二十个锚点，本发明提出的结构相比于现有的MEMS音叉式陀螺仪锚点数量大大减少，可有效抑制封装应力对于MEMS陀螺仪的影响，提高MEMS陀螺仪的长期稳定性。
(4)本发明提出的MEMS陀螺仪的制备方法，采用硅通孔填充多晶硅的方式实现了器件的电学连通，同时实现了平面感应电极结构的制作，该方式大大简化了器件的电学布线，同时可实现器件和集成电路芯片工艺的兼容。该方法采用圆片级真空键合的方式实现了器件的真空封装，降低了器件的设计和加工难度，方法简单且高效，有利于传感器的批量生产。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种两轴MEMS圆环陀螺仪，其特征在于，自下而上依次包括衬底层、器件层和盖板层；
所述两轴MEMS圆环陀螺仪的主体结构位于所述器件层，包括：圆环感应框，位于所述圆环感应框内侧的中心锚点、第一质量块和第二质量块，以及位于所述圆环感应框外侧的至少两组第一感应单元；
所述中心锚点位于陀螺仪的中心位置，所述第一质量块和所述第二质量块对称分布于所述中心锚点的两侧，所述第一质量块内侧设置有第一驱动单元，所述第二质量块内侧设置有第二驱动单元；
所述中心锚点通过第一弹性梁与所述圆环感应框连接，所述第一弹性梁沿长度方向的轴线平行于Y轴；所述第一质量块和所述第二质量块均通过第二弹性梁与所述圆环感应框连接，所述第二弹性梁沿长度方向的轴线平行于Y轴；
所述两轴MEMS圆环陀螺仪的主体结构通过所述中心锚点固定于所述衬底层；
所述盖板层在靠近所述器件层的一侧表面设置有两组第二感应单元，两组所述第二感应单元分别位于所述第一质量块和所述第二质量块的正上方；
所述陀螺仪的驱动工作模态为所述第一质量块和所述第二质量块同时沿X轴方向进行同相的面内振荡运动；
所述陀螺仪包括第一感应模态和第二感应模态；当所述陀螺仪处于所述驱动工作模态时，若外界向陀螺仪施加沿Z轴方向的角速度，则所述第一质量块、所述第二质量块和所述圆环感应框绕所述陀螺仪的结构中心位置作扭摆旋转运动，所述陀螺仪处于所述第一感应模态，通过所述第一感应单元检测获得Z轴方向的角速度信息；若外界向陀螺仪施加沿Y轴方向的角速度时，则所述第一质量块、所述第二质量块和所述圆环感应框沿Y轴作面外上下扭摆运动，所述陀螺仪处于所述第二感应模态，通过所述第二感应单元检测获得Y轴方向的角速度信息。
2.根据权利要求1所述的两轴MEMS圆环陀螺仪，其特征在于，所述第一感应单元包括梳齿状感应电极；所述梳齿状感应电极包括多个可动电极板和多个固定电极板，一个所述可动电极板和一个所述固定电极板构成一对电极对；所述梳齿状感应电极为变间距梳齿电极；每个所述第一感应单元中的所述电极对的数量超过一百对。
3.根据权利要求1所述的两轴MEMS圆环陀螺仪，其特征在于，每组所述第二感应单元中包括一个平板感应电极，所述平板感应电极与所述器件层的结构平行。
4.根据权利要求1所述的两轴MEMS圆环陀螺仪，其特征在于，所述第一驱动单元和所述第二驱动单元的结构相同，均包括两组驱动电极和两组驱动检测电极，所述驱动电极和所述驱动检测电极均为等间距梳齿状电极。
5.根据权利要求1所述的两轴MEMS圆环陀螺仪，其特征在于，包括两组所述第一感应单元和两组所述第二感应单元；两组所述第一感应单元关于Y轴对称分布，两组所述第二感应单元关于Y轴对称分布；
所述陀螺仪处于所述第一感应模态时，两组所述第一感应单元中的梳齿状感应电极输出幅值相同、相位相反的信号，实现差分输出；
所述陀螺仪处于所述第二感应模态时，两组所述第二感应单元中的平面感应电极输出幅值相同、相位相反的信号，实现差分输出。
6.根据权利要求1所述的两轴MEMS圆环陀螺仪，其特征在于，包括四组所述第一感应单元和两组所述第二感应单元；四组所述第一感应单元沿X轴和Y轴对称分布，两组所述第二感应单元关于Y轴对称分布；
所述陀螺仪处于所述第一感应模态时，位于一条对角线上的两个所述第一感应单元中的梳齿状感应电极采用同相信号输出，位于另一条对角线上的两个所述第一感应单元中的梳齿状感应电极采用反相信号输出，实现差分输出；
所述陀螺仪处于所述第二感应模态时，两组所述第二感应单元中的平面感应电极输出幅值相同、相位相反的信号，实现差分输出。
7.根据权利要求1所述的两轴MEMS圆环陀螺仪，其特征在于，所述圆环感应框为圆环柱体结构，所述中心锚点为圆柱体结构。
8.根据权利要求1所述的两轴MEMS圆环陀螺仪，其特征在于，所述第一弹性梁和所述第二弹性梁分别采用直梁、U形梁、折叠梁或蟹脚梁结构中的一种或多种的组合。
9.一种两轴MEMS圆环陀螺仪的制备封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在衬底层的正面刻蚀出带有支撑柱的凹腔结构，在所述衬底层的正面和的背面均沉积一层氧化硅；
步骤2、将器件层的背面与所述衬底层的正面对准，并直接键合；在所述器件层的正面沉积一层铝金属层，在所述铝金属层上进行图案化光刻和刻蚀；
步骤3、在所述器件层上刻蚀出如权利要求1-9中任一项所述的两轴MEMS圆环陀螺仪的主体结构；
步骤4、在盖板层的表面刻蚀出硅通孔，并在所述硅通孔和所述盖板层的表面沉积一层氧化硅；
步骤5、在所述盖板层的正面沉积一层多晶硅薄膜，并在所述硅通孔处填充多晶硅；
步骤6、对所述多晶硅薄膜进行减薄处理，并在所述多晶硅薄膜的表面沉积一层金属锗；
步骤7、刻蚀所述多晶硅薄膜和所述金属锗，得到多晶硅支撑柱；基于刻蚀后剩余的多晶硅薄膜，刻蚀得到如权利要求3所述的平面感应电极；
步骤8、通过铝锗键合的方式，将所述盖板层和所述器件层的正面进行圆片级真空键合；
步骤9、对所述盖板层的背面进行减薄处理，漏出填充有所述多晶硅的硅通孔；在所述盖板层的背面沉积一层氧化硅，并将所述硅通孔对应区域的氧化硅去除；在所述盖板层的背面沉积一层铝金属层，并制作铝金属焊盘。
10.根据权利要求9所述的两轴MEMS圆环陀螺仪的制备封装方法，其特征在于，所述衬底层的制备材料采用单晶硅和石英玻璃，所述器件层的制备材料采用掺杂单晶硅，所述盖板层的制备材料采用单晶硅。
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