CN116086420B - 一种振环型mems陀螺仪及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种振环型MEMS陀螺仪及其制作方法，涉及惯性技术和微机电系统技术领域，以解决振环MEMS陀螺仪无法获得线性的电压‑作用力的问题。该MEMS陀螺仪包括基底以及形成在基底上的第一锚点、多个第二锚点、梳齿电容组件以及谐振结构；多个第二锚点环绕第一锚点，每个第二锚点通过谐振结构与梳齿电容组件的一端连接，梳齿电容组件的另一端与第一锚点连接，梳齿电容组件的齿长方向与谐振结构的移动方向一致。本发明提供的振环型MEMS陀螺仪及其制作方法用于获得具有线性的电压‑作用力的MEMS陀螺仪。
Description
技术领域
本发明涉及惯性技术和微机电系统技术领域，尤其涉及一种振环型MEMS陀螺仪及其制作方法。
背景技术
陀螺仪作为一个惯性传感器，其基于科里奥利原理，通过振动元件测量角度或角速度的运动，被称为科里奥利振动陀螺仪。与以往的机械转子陀螺仪相比，它减少了对旋转部件的依赖，简化了结构形状。与MEMS技术相结合，还具有高数量、低成本、小尺寸、轻质量、低功耗的优点，是陀螺仪小型化的理想选择。另外，MEMS环形陀螺仪具有对称结构、较高的机械灵敏度、更好的抗冲击性和较低的温度灵敏度。因此，环形陀螺仪被认为是高性能MEMS陀螺仪的候选对象。
目前振环陀螺仪往往采用平行板电容器作为换能器，但是在其工作过程中会存在非线性的电压-作用力，导致输出的信号不稳定。此外，平行板电容器可移动的距离仅为极板间距的三分之一，如果超过这一限度，电压-作用力关系将成指数变化。若增大极板间距则会导致静电力的减弱，这对MEMS传感器与驱动器的设计很不利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种振环型MEMS陀螺仪及其制作方法，以获得线性的电压-作用力的关系。
第一方面，本发明提供一种振环型MEMS陀螺仪，包括：
基底以及形成在所述基底上的第一锚点、多个第二锚点、梳齿电容组件以及谐振结构；
多个所述第二锚点环绕所述第一锚点，每个所述第二锚点通过所述谐振结构与所述梳齿电容组件的一端连接，所述梳齿电容组件的另一端与所述第一锚点连接，所述梳齿电容组件的梳齿包括交替分布的定齿和动齿，所述梳齿电容组件的齿长方向与所述谐振结构的移动方向一致。
与现有技术相比，本发明提供的振环型MEMS陀螺仪中使用的电容组件为梳齿电容组件，该梳齿电容组件的一端通过谐振结构与每个第二锚点连接，另一端与第一锚点连接，梳齿电容组件的的齿长方向与谐振结构的移动方向一致。基于此，在谐振结构拉伸和压缩的过程中，梳齿电容组件的梳齿之间也会随之产生相对位移，相对位移越大，产生的电容变化越明显，提高了梳齿电容组件的感测灵敏度。相对与平行板电容器来说，梳齿电容组件无需增大梳齿间距就可以产生较大的相对位移，且可以通过改变梳齿之间的交错面积从而达到改变电容量的目的，此外，梳齿电容组件的电容量对梳齿之间产生的横向的相对位移的导数为常数，所以梳齿电容组件的感测线性度好。利用梳齿电容组件进行工作时，可以获得线性的电压-作用力关系。
第二方面，本发明提供了一种本发明技术方案提供一种振环型MEMS陀螺仪的制作方法，包括：
提供一第一基板和第二基板；
在第一基板上形成键合材料层；
在第二基板形成第一锚点、多个定齿和多个第二锚点；
将第一基板的键合材料层与第二基板的第一锚点、多个定齿和多个第二锚点进行键合；
在键合后的第二基板上形成谐振结构和多个动齿；
其中，多个定齿与多个动齿构成梳齿电容组件。
与现有技术相比，本发明提供的振环型MEMS陀螺仪的制作方法的有益效果与第一方面提供的振环型MEMS陀螺仪的有益效果相同。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出本发明实施例提供的振环型MEMS陀螺仪的俯视图；
图2A~图2D示出本发明示例性实施例的振环型MEMS陀螺仪的制备方法在该阶段的状态示意图。
附图标记：
100-基底；101-第一基板；102-第二基板；200-键合材料层；301-第一锚点；302-第二锚点；303-谐振结构；304-梳齿电容组件；3041-定齿；3042-动齿。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
目前振环陀螺仪往往采用平行板电容器作为换能器，但是在其工作过程中会存在非线性的电压-作用力，导致输出的信号不稳定。此外，平行板电容器可移动的距离仅为极板间距的三分之一，如果超过这一限度，电压-作用力关系将成指数变化。若增大极板间距则会导致静电力的减弱，这对MEMS传感器与驱动器的设计很不利。
针对上述问题，本发明实施例提供一种振环型MEMS陀螺仪，以获得线性的电压-作用力的关系。图1示出了本发明实施例中提供的振环型MEMS陀螺仪的俯视图。如图1所示，本发明实施例提供的振环型MEMS陀螺仪包括基底100、第一锚点301、多个第二锚点302、梳齿电容组件304以及谐振结构303。
如图1所示，第一锚点301、多个第二锚点302、梳齿电容组件304以及谐振结构303可以形成在基底100上。基底100可以为绝缘性基底100，包括但不仅限于塑料基板、玻璃基板、石英基板、陶瓷基板、硅基板。多个第二锚点302环绕第一锚点301，每个第二锚点302通过谐振结构303与梳齿电容组件304的一端连接，梳齿电容组件304的另一端与第一锚点301连接，梳齿电容组件304的齿长方向与谐振结构303的移动方向一致。其中，第二锚点302起着支撑谐振结构303的作用，在第二锚点302的支撑下，谐振结构303带动梳齿电容组件304进行振动。基于此，在谐振结构303拉伸和压缩的过程中，梳齿电容组件304的梳齿之间也会随之产生相对位移，相对位移越大，产生的电容变化越明显，提高了梳齿电容组件304的感测灵敏度。相对与平行板电容器来说，梳齿电容组件304可以产生较大的相对位移。应理解，梳齿电容组件304的齿长方向与谐振结构303的移动方向的一致是指相对一致，可根据实际情况进行调整，在此不作限定。
如图1所示，梳齿电容组件304具有多个梳齿结构，多个梳齿结构环绕第一锚点301间隔分布，每个梳齿结构中梳齿总数量大于等于2。其中，梳齿电容组件304的梳齿包括交替分布的定齿3041和动齿3042，定齿3041的数量为m个，动齿3042的数量为n个，m大于等于1，n大于等于1，该梳齿电容组件304产生的电容对产生的横向的相对位移的导数为常数，可以获得线性的电压-作用力关系，并且可以通过增加或减少梳齿的数量来增大或减少作用力。
平行板电容器在工作过程中，会存在非线性的电压-作用力。而这种非线性的电压-作用力不但会造成输出的信号不稳定，产生额外的噪声，还会导致电刚度的问题，影响振环型MEMS陀螺仪的谐振频率。因此将梳齿电容组件取代平行板电容器进行工作后，可以使得振环型MEMS陀螺仪具有线性的电压-作用力关系，从而减少工作过程中产生的额外噪声，极大程度上消除电刚度的影响。
在实际应用中，第一锚点与定齿连接，用于将每个定齿固定在第一锚点周围，将每个定齿的底部与基底连接后，可以使得每个定齿更加稳固的固定在第一锚点周围；谐振结构包括悬梁结构和振动环，谐振结构的振动环的内侧与动齿连接，用于带动动齿随振动环一同振动，动齿与定齿的横向的相对位移也随之增大或减小。梳齿结构可以感测到较大的速度/位移输入，在这个过程中，每个动齿与定齿之间可以实现大的移动距离，其交错的部分产生电容变化也会更加明显，增强了梳齿电容组件的感测灵敏度。应理解，图1中梳齿结构的数量为8个，每个梳齿结构的梳齿总数量为7个，但是实际应用中梳齿结构的数量以及每个梳齿结构的梳齿总数量可以根据实际情况进行调整，在此不作限定。
示例性的，在梳齿电容组件工作的过程中，定齿与动齿的间距是固定的，发生变化的仅是动齿与定齿交错的面积。换句话说，定齿与动齿之间进行横向移动时，不会受到极板距离的限制，因此可产生较大的可移动距离。
示例性的，多个梳齿结构包括用于在静电力的驱动下进行振动的第一类梳齿结构和用于检测振环型MEMS陀螺仪在旋转时产生的模态变化的第二类梳齿结构。由于每个定齿与每个动齿的交错部分会产生电容，随着梳齿数量的增加，第一类梳齿结构与第二类梳齿结构产生电容量也随之增加，从而增大了第一类梳齿结构的驱动能力以及第二类梳齿结构的检测灵敏度。在实际应用中可通过测量第二类梳齿结构产生的电容变化量，来计算出振环型MEMS陀螺仪旋转时的角速度。
在一种示例中，第一锚点、多个第二锚点的底部具有键合材料层，该键合材料为金、铝、钛、硅化铂、硅化钛中的至少一种，可用作键合材料层，将上述第一锚点、多个第二锚点键合在基底。
本发明示例性实施例还提供了一种振环型MEMS陀螺仪的制作方法，其可以制作本发明实施例的振环型MEMS陀螺仪，该方法制作过程简单、容易操作，适用于所有振环振环型MEMS陀螺仪。
图2A~图2D示出本发明示例性实施例的振环型MEMS陀螺仪的制备方法在该阶段的状态示意图。
应理解，图2D为示意图，为了更直观的体现本申请的发明点，省略了振环型MEMS陀螺仪的悬梁结构。
如图2A所示，提供一第一基板101并在第一基板101形成键合材料层200。键合材料层200的形成工艺可以为常规的基础平面工艺。例如：在涂覆光刻胶，光刻、显影之后，在第一基板101上溅射金属和金属图案形成键合材料层200。该金属可以为金、铝、钛、硅化铂、硅化钛中的至少一种。该金属被用作中间过渡层，置于欲键合的两块基板之间，该第一基板101可以为常见的各种基板，例如：玻璃基板、石英基板、陶瓷基板、多晶硅基板以及单晶硅基板等。
如图2B所示，提供一第二基板102，并在第二基板102形成第一锚点301、多个定齿3041和多个第二锚点302。例如：可以在第二基板102的上方涂胶，形成涂胶层，然后对涂胶层进行光刻、显影，接着在第二基板102上刻蚀出第一锚点301和多个第二锚点302，最后将涂胶层去除。除此之外，还可以通过电感耦合氧等离子体干法刻蚀、反应离子刻蚀等工艺在第二基板102形成第一锚点301和多个第二锚点302。其中，刻蚀的方法可以为深度反应离子刻蚀法。该第二基板102可以为常见的各种基板，例如：玻璃基板、石英基板、陶瓷基板、多晶硅基板以及单晶硅基板等。
如图2C所示，将第一基板101的键合材料层200与第二基板102的第一锚点301、多个定齿3041和多个第二锚点302进行键合。其键合的工艺例如：可以通过阳极键合将第一基板101的键合材料层200与第二基板的第一锚点301、多个定齿3041和多个第二锚点302进行阳极键合。当第一基板101为玻璃基板，第二基板为硅基板时，由于两个基板接触的界面有足够的Si-O键形成，使得两个基板键合界面牢固、稳定。
如图2D所示，在键合后的第二基板102上形成谐振结构303和多个动齿3042。例如：在键合好的两块基板的上方涂胶，形成涂胶层，然后对涂胶层进行光刻、显影，接着在第二基板101上刻蚀出谐振结构303和多个动齿3042。其中，多个动齿与多个定齿3041形成了梳齿电容组件304。
下面举例描述本发明示例性实施例的振环型MEMS陀螺仪的制作方法。
实施例一
本发明实施例提供的振环型MEMS陀螺仪的制作方法包括：首先提供一个玻璃基板以及一个多晶硅基板，接着在玻璃基板上涂覆光刻胶，形成涂胶层，然后对涂胶层进行光刻、显影，其次，在玻璃基板上溅射金和金图案形成键合材料层，并将涂胶层去除。然后，在多晶硅基板的上方涂胶，形成涂胶层，然后对涂胶层进行光刻、显影，接着在多晶硅基板上刻蚀出第一锚点、多个定齿和多个第二锚点，将涂胶层去除。接下来将玻璃基板的键合材料层与多晶硅基板的第一锚点、多个定齿和多个第二锚点进行阳极键合，然后在键合好的第二基板的上方涂胶，形成涂胶层，对涂胶层进行光刻、显影，接着利用深度反应离子刻蚀法在多晶硅基板上刻蚀出谐振结构和多个动齿，其中多个定齿和多个动齿构成了梳齿电容组件。
实施例二
本发明实施例提供的振环型MEMS陀螺仪的制作方法包括：首先提供一个玻璃基板以及一个单晶硅基板，接着在玻璃基板上涂覆光刻胶，形成涂胶层，然后对涂胶层进行光刻、显影，其次，在玻璃基板上溅射铝和铝图案形成键合材料层，并将涂胶层去除。然后，在多晶硅基板的上方涂胶，形成涂胶层，然后对涂胶层进行光刻、显影，接着在单晶硅基板上刻蚀出第一锚点、多个定齿和多个第二锚点，将涂胶层去除。接下来将玻璃基板的键合材料层与单晶硅基板的第一锚点、多个定齿和多个第二锚点进行阳极键合，然后在键合好的两块基板的上方涂胶，形成涂胶层，对涂胶层进行光刻、显影，接着利用深度反应离子刻蚀法在单晶硅基板上刻蚀出谐振结构和多个动齿，其中多个定齿和多个动齿构成了梳齿电容组件。
实施例三
本发明实施例提供的振环型MEMS陀螺仪的制作方法包括：首先提供一个多晶硅基板以及一个单晶硅基板，接着在玻璃基板上涂覆光刻胶，形成涂胶层，然后对涂胶层进行光刻、显影，其次，在玻璃基板上溅射硅化铂和硅化铂图案，形成键合材料层，并将涂胶层去除。然后，在多晶硅基板的上方涂胶，形成涂胶层，然后对涂胶层进行光刻、显影，接着在单晶硅基板上刻蚀出第一锚点、多个定齿和多个第二锚点，将涂胶层去除。接下来将石英基板的键合材料层与单晶硅基板的第一锚点、多个定齿和多个第二锚点进行阳极键合，然后在键合好的两块基板的上方涂胶，形成涂胶层，对涂胶层进行光刻、显影，接着利用深度反应离子刻蚀法在单晶硅基板上刻蚀出谐振结构和多个动齿，其中多个定齿和多个动齿构成了梳齿电容组件。
实施例四
本发明实施例提供的振环型MEMS陀螺仪的制作方法包括：首先提供一个玻璃基板以及一个单晶硅基板，接着在玻璃基板上涂覆光刻胶，形成涂胶层，然后对涂胶层进行光刻、显影，其次，在玻璃基板上溅射硅化钛和硅化钛图案，形成键合材料层，并将涂胶层去除。然后，在玻璃基板的上方涂胶，形成涂胶层，然后对涂胶层进行光刻、显影，接着在单晶硅基板上刻蚀出第一锚点、多个定齿和多个第二锚点，将涂胶层去除。接下来将陶瓷基板的键合材料层与单晶硅基板的第一锚点、多个定齿和多个第二锚点进行阳极键合，然后在键合好的单晶硅的上方涂胶，形成涂胶层，对涂胶层进行光刻、显影，接着利用深度反应离子刻蚀法在单晶硅基板上刻蚀出谐振结构和多个动齿，其中多个定齿和多个动齿构成了梳齿电容组件。
在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。
Claims (8)
1.一种振环型MEMS陀螺仪，其特征在于，包括：基底以及形成在所述基底上的第一锚点、多个第二锚点、梳齿电容组件以及谐振结构；
多个所述第二锚点环绕所述第一锚点，每个所述第二锚点通过所述谐振结构与所述梳齿电容组件的一端连接，所述梳齿电容组件的另一端与所述第一锚点连接，所述梳齿电容组件的梳齿包括交替分布的定齿和动齿，所述梳齿电容组件的齿长方向与所述谐振结构的移动方向一致；每个所述定齿的底部与所述基底连接，每个所述动齿的底部与基底具有间隔；每个所述动齿的一端与所述谐振结构连接，每个所述定齿的一端与第一锚点连接；
所述谐振结构包括悬梁结构和振动环，所述谐振结构的所述振动环的内侧与所述动齿连接，用于带动所述动齿随所述振动环一同振动，所述动齿与所述定齿的横向的相对位移也随之增大或减小。
2.根据权利要求1所述的振环型MEMS陀螺仪，其特征在于，所述梳齿电容组件具有多个梳齿结构，多个所述梳齿结构环绕所述第一锚点间隔分布，每个所述梳齿结构中梳齿总数量大于等于2。
3.根据权利要求1所述的振环型MEMS陀螺仪，其特征在于，所述定齿的数量为m个，所述动齿的数量为n个，m大于等于1，n大于等于1。
4.根据权利要求2所述的振环型MEMS陀螺仪，其特征在于，所述多个梳齿结构包括用于在静电力的驱动下进行振动的第一类梳齿结构和用于检测所述MEMS陀螺仪在旋转时产生的模态变化的第二类梳齿结构。
5.根据权利要求1所述的振环型MEMS陀螺仪，其特征在于，所述多个第二锚点的底部与所述第一锚点的底部具有键合材料层。
6.一种基于权利要求1~5任一项所述的振环型MEMS陀螺仪的制作方法，其特征在于，包括：
提供一第一基板和第二基板；
在第一基板上形成键合材料层；
在第二基板形成第一锚点、多个定齿和多个第二锚点；
将第一基板的键合材料层与第二基板的第一锚点、多个定齿和多个第二锚点进行键合；
在键合后的第二基板上形成谐振结构和多个动齿；
其中，多个定齿与多个动齿构成梳齿电容组件。
7.根据权利要求6所述的振环型MEMS陀螺仪的制作方法，其特征在于，所述键合材料层用到的金属材料包括金、铝、钛、硅化铂、硅化钛中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的振环型MEMS陀螺仪的制作方法，其特征在于，所述第二基板的材料为单晶硅和多晶硅中的至少一种。
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