CN116625341A - 微电子机械系统陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微电子机械系统陀螺仪，属于传感器技术领域。陀螺仪包括依次键合的第一晶圆层、第二晶圆层和第三晶圆层；第一晶圆层上具有垂直于第一晶圆层的多个功能电极，相邻的功能电极之间具有垂直于第一晶圆层的隔离通孔，多个功能电极之间通过隔离通孔相互绝缘隔离，多个功能电极包括第一调频电极；第二晶圆层包括至少一个质量块，每个质量块均通过锚点结构悬挂于第一晶圆层上，且质量块可绕锚点结构沿平行或垂直于第二晶圆层的方向振动；第三晶圆层的与第二晶圆层键合的一面上具有第二调频电极，第一调频电极和第二调频电极用于调整陀螺仪的检测频率，从而可以实现调整陀螺仪的驱动频率和检测频率的差值，保证陀螺仪的灵敏度和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种微电子机械系统陀螺仪。
背景技术
陀螺仪是用于测量物体在X轴、Y轴以及Z轴运动角速度的惯性器件，目前，MEMS(micro electro mechanical systems，微电子机械系统)陀螺仪的应用较为普遍。MEMS陀螺仪是基于微机电工艺制造的惯性器件，具有体积小，可靠性高，成本低廉，适合大批量生产的特点。
目前，专利号为CN 102607543 B的相关专利中公开了一种MEMS陀螺仪，包括硅-硅直接键合的三层硅晶圆层。三层硅晶圆层依次为固定电极晶圆层、质量块晶圆层和封盖晶圆层。其中，固定电极晶圆层为通孔硅晶圆层，具有多个垂直于通孔硅晶圆层的通孔硅电极，通过采用通孔硅作为可变电容传感器的电极材料，与质量块晶圆层中的质量块电极形成可变电容的两个极。通过检测电容的变化可以计算出陀螺仪在科里奥利力作用下产生的角速度。
由于MEMS陀螺仪器件的灵敏度、稳定性等参数均与驱动频率Fd与检测频率Fs数值有关，特别是与二者的差值ΔF＝Fd-Fs有关，因此经常需要调节此差值。而上述陀螺仪无法实现频率调节的功能，因此，如何实现陀螺仪的频率调节，以保证陀螺仪器件的灵敏度和稳定性是目前亟需解决的问题。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种微电子机械系统陀螺仪，该陀螺仪具有频率调节功能，可以保证陀螺仪器件的灵敏度和稳定性。
本发明提供了一种微电子机械系统陀螺仪，所述陀螺仪包括依次键合的第一晶圆层、第二晶圆层和第三晶圆层；
所述第一晶圆层上具有垂直于所述第一晶圆层的多个功能电极，相邻的所述功能电极之间具有垂直于所述第一晶圆层的隔离通孔，所述多个功能电极之间通过所述隔离通孔相互绝缘隔离，所述多个功能电极包括第一调频电极；
所述第二晶圆层包括至少一个质量块，每个所述质量块均通过锚点结构悬挂于所述第一晶圆层上，且所述质量块可绕所述锚点结构沿平行或垂直于所述第二晶圆层的方向振动；
所述第三晶圆层的与所述第二晶圆层键合的一面上具有第二调频电极，所述第一调频电极和所述第二调频电极用于调整所述陀螺仪的检测频率。
可选的，所述第一晶圆层的远离所述第二晶圆层的一面上设有绝缘层，所述绝缘层上开设有与所述多个功能电极一一对应的多个第一导电孔，所述多个第一导电孔内设有用于与对应的所述功能电极电连接的电极pad。
可选的，所述第一晶圆层包括内晶圆层以及位于所述内晶圆层外侧的外晶圆层，所述内晶圆层和所述外晶圆层之间具有垂直于所述第一晶圆层的隔离槽，所述内晶圆层和所述外晶圆层之间通过所述隔离槽相互绝缘隔离，所述多个功能电极位于所述内晶圆层上，所述外晶圆层与所述第二调频电极电连接；
所述绝缘层上设有与所述外晶圆层相对应的第二导电孔，所述第二导电孔内设有用于与所述外晶圆层电连接的电极pad。
可选的，所述绝缘层为氧化硅或氮化硅层。
可选的，所述第三晶圆层的远离所述第二晶圆层的一面上设有与所述第二调频电极电连接的导电层。
可选的，所述多个功能电极还包括质量块电极、驱动电极、驱动检测电极、反馈电极和检测电极。
可选的，所述第二晶圆层包括沿所述陀螺仪的中心对称布置的四个质量块，所述第三晶圆层上具有与每个质量块对应布置的所述第二调频电极，所述第一晶圆层上具有与每个所述质量块对应布置的所述质量块电极、所述驱动电极、所述驱动检测电极、所述反馈电极、所述检测电极和所述第一调频电极。
可选的，所述第二晶圆层的与所述第一晶圆层键合的一面上具有第一凹槽，所述第三晶圆层的与所述第二晶圆层键合的一面上具有第二凹槽，所述质量块在所述第一凹槽和所述第二凹槽内沿平行或垂直于所述第二晶圆层的方向振动。
可选的，所述第二晶圆层和所述第三晶圆层之间通过键合层键合，所述键合层为导电层。
可选的，所述第一晶圆层、所述第二晶圆层和所述第三晶圆层均为硅晶圆。
本发明实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例提供的一种微电子机械系统陀螺仪，通过在第一晶圆层上形成第一调频电极，在第三晶圆层上形成第二调频电极，使得第一调频电极和第二调频电极分别位于第二晶圆层的质量块两侧。当质量块在科里奥利力作用下沿平行或垂直于第二晶圆层的方向振动时，可以通过第一调频电极和第二调频电极调整陀螺仪的检测频率，从而调整陀螺仪的驱动频率和检测频率的差值，保证陀螺仪器件的灵敏度和稳定性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。
在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种微电子机械系统陀螺仪的剖面图；
图2是本发明实施例提供的一种微电子机械系统陀螺仪的部分原理结构图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
图1是本发明实施例提供的一种微电子机械系统陀螺仪的原理图，如图1所示，该微电子机械系统陀螺仪包括依次键合的第一晶圆层10、第二晶圆层20和第三晶圆层30。
第一晶圆层10上具有垂直于第一晶圆层10的多个功能电极，相邻的功能电极之间具有垂直于第一晶圆层的隔离通孔10a，多个功能电极之间通过隔离通孔10a相互绝缘隔离，多个功能电极包括第一调频电极11。
第二晶圆层20包括至少一个质量块21，每个质量块21均通过锚点结构22悬挂于第一晶圆层10上，且质量块21可绕锚点结构22沿平行或垂直于第二晶圆层20的方向振动。
第三晶圆层30的与第二晶圆层20键合的一面上具有第二调频电极31，第一调频电极11和第二调频电极31用于调整陀螺仪的检测频率。
本发明实施例通过在第一晶圆层上形成第一调频电极，在第三晶圆层上形成第二调频电极，使得第一调频电极和第二调频电极分别位于第二晶圆层的质量块两侧。当质量块在科里奥利力作用下沿平行或垂直于第二晶圆层的方向振动时，可以通过第一调频电极和第二调频电极调整陀螺仪的检测频率，从而调整陀螺仪的驱动频率和检测频率的差值，保证陀螺仪器件的灵敏度和稳定性。
在本实施例中，第一晶圆层10、第二晶圆层20和第三晶圆层30均为硅晶圆层。具体可以为高掺杂的单晶硅层。第一调频电极11和第二调频电极31也均为硅材料电极。隔离通孔10a可以为绝缘硅通孔(Through Silicon Via，TSV)。
可选的，第一晶圆层10的远离第二晶圆层20的一面上设有绝缘层40，绝缘层40上开设有与多个功能电极一一对应的多个第一导电孔40a，多个第一导电孔40a内设有用于与对应的功能电极电连接的电极pad41。多个功能电极可以通过对应电极pad41与外部电路电连接，以实现不同的功能。
在本实施例中，电极pad41可以为金、银、铂、铝等金属电极pad，也可以为其它可导电的合金材料等，本发明对此不作限定。
可选的，第一晶圆层10包括内晶圆层S1以及位于内晶圆层S1外侧的外晶圆层S2，内晶圆层S1和外晶圆层S2之间具有垂直于第一晶圆层10的隔离槽10b，内晶圆层S1和外晶圆层S2之间通过隔离槽10b相互绝缘隔离。多个功能电极位于内晶圆层S1上，外晶圆层S2与第二调频电极31电连接。
绝缘层40上设有与外晶圆层S2相对应的第二导电孔40b，第二导电孔40b内设有用于与外晶圆层电连接的电极pad41。
在上述实现方式中，第一调频电极11和第二调频电极31均可以通过电极pad41与不同电压的外部电路电连接，以分别实现不同方向上的检测频率的调节。
可选的，绝缘层40为氧化硅或氮化硅层，以起到隔绝水汽，防止接触导体触电的作用。
可选的，第三晶圆层30的远离第二晶圆层20的一面上设有与第二调频电极31电连接的导电层50。通过设置导电层50可以便于后续进行封装时，使得第二调频电极31与外部电路电连接。
需要说明的是，本实施例中，第二调频电极31即可以通过导电层50与外部电路电连接，也可以通过第二导电孔40b内的电极pad41与外部电路电连接，以实现调频功能。
可选的，第二晶圆层20的与第一晶圆层10键合的一面上具有第一凹槽20a，第三晶圆层30的与第二晶圆层20键合的一面上具有第二凹槽30a，质量块21在第一凹槽20a和第二凹槽30a内沿平行或垂直于第二晶圆层20的方向振动，以保证质量块能够具有足够的移动空间。
可选的，第二晶圆层20和第三晶圆层30之间通过键合层60键合，键合层60为导电层。具体的，键合层60可以为Au-Si层、或是Si-SiO2层。
在本实施例的其它实现方式中，第二晶圆层20和第一晶圆层10之间也可以通过键合层50键合连接。或者，第一晶圆层10、第二晶圆层20和第三晶圆层30之间也可以采用Si-Si直接键合的方式键合连接。本实施例对此不作限定。
可选的，多个功能电极还包括质量块电极12、驱动电极、驱动检测电极、反馈电极和检测电极。
上述各个功能电极可以通过对应的电极pad与外部电路连接。当器件工作时，由外部电路向驱动电极施加差分驱动电压激发陀螺仪的驱动模态，驱动检测电极可以差分检测驱动模态的运动状态并通过外部电路将检测结果反馈给驱动电极，实现闭环驱动。检测电极可以差分检测陀螺仪在检测模态的运动状态，并通过外部电路将检测结果反馈给反馈电极，形成闭环检测。
图2是本发明实施例提供的一种微电子机械系统陀螺仪的部分原理结构图，如图2所示，第二晶圆层20包括关于陀螺仪结构中心对称分布的四个质量块21，分别记为第一质量块21a、第二质量块21b、第三质量块21c和第四质量块21d。其中，第一质量块21a与第三质量块21c关于X轴负方向轴对称布置；第二质量块21b与第四质量块21d关于X轴正方向轴对称布置；第一质量块21a与第二质量块21b关于Y轴正方向轴对称布置；第三质量块21c与第四质量块21d关于Y轴负方向轴对称布置；第一质量块21a与第四质量块21d中心对称布置；第三质量块21c与第二质量块21b中心对称布置。各个质量块之间通过耦合弹性梁连接。
其中，以第一晶圆层10的中心点为原点建立包含有X轴、Y轴、Z轴的三维空间坐标系，X轴、Y轴均与第一晶圆层10的端面相平行，Z轴与第一晶圆层10的端面相垂直。
如图2所示，第一晶圆层10上具有与每个质量块21对应布置的质量块电极(pm)、驱动电极(D-、D+)、驱动检测电极(DS-、DS+)、反馈电极(Xb-、Xb+、Yb-、Yb+)、检测电极(Xs-、Xs+、Ys+、Ys-)和第一调频电极(图中未示出)。
需要说明的是，在本实施例中，第一晶圆层10的内晶圆层S1上除上述质量块电极、驱动电极、驱动检测电极、反馈电极和检测电极之外的区域均可以设置为第一调频电极。第三晶圆层30上具有与每个质量块21对应布置的第二调频电极31。
在本实施例的一种实现方式中，对于绕X轴转动的Y轴陀螺仪，第二调频电极31可以沿Y轴方向设置在每个质量块21的锚点结构的两侧(例如，图2中反馈电极Yb+、Yb-和检测电极Xs+上方)。对于绕Y轴转动的X轴陀螺仪，第二调频电极31可以沿X轴方向设置在每个质量块21的锚点结构的两侧(例如，图2中反馈电极Xb+、Xb-和检测电极Xs-上方)。
需要说明的是，上述图2中示出的各个电极的设置方式仅为示例，在本实施例的其它实现方式中，各个电极还可以为其它设置方式，本实施例对此不作限定。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
本发明实施例提供的一种微电子机械系统陀螺仪，通过在第一晶圆层上形成第一调频电极，在第三晶圆层上形成第二调频电极，使得第一调频电极和第二调频电极分别位于第二晶圆层的质量块两侧。当质量块在科里奥利力作用下沿平行或垂直于第二晶圆层的方向振动时，可以通过第一调频电极和第二调频电极调整陀螺仪的检测频率，从而调整陀螺仪的驱动频率和检测频率的差值，保证陀螺仪器件的灵敏度和稳定性。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
Claims (10)
1.一种微电子机械系统陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪包括依次键合的第一晶圆层、第二晶圆层和第三晶圆层；
所述第一晶圆层上具有垂直于所述第一晶圆层的多个功能电极，相邻的所述功能电极之间具有垂直于所述第一晶圆层的隔离通孔，所述多个功能电极之间通过所述隔离通孔相互绝缘隔离，所述多个功能电极包括第一调频电极；
所述第二晶圆层包括至少一个质量块，每个所述质量块均通过锚点结构悬挂于所述第一晶圆层上，且所述质量块可绕所述锚点结构沿平行或垂直于所述第二晶圆层的方向振动；
所述第三晶圆层的与所述第二晶圆层键合的一面上具有第二调频电极，所述第一调频电极和所述第二调频电极用于调整所述陀螺仪的检测频率。
2.根据权利要求1所述的微电子机械系统陀螺仪，其特征在于，所述第一晶圆层的远离所述第二晶圆层的一面上设有绝缘层，所述绝缘层上开设有与所述多个功能电极一一对应的多个第一导电孔，所述多个第一导电孔内设有用于与对应的所述功能电极电连接的电极pad。
3.根据权利要求2所述的微电子机械系统陀螺仪，其特征在于，所述第一晶圆层包括内晶圆层以及位于所述内晶圆层外侧的外晶圆层，所述内晶圆层和所述外晶圆层之间具有垂直于所述第一晶圆层的隔离槽，所述内晶圆层和所述外晶圆层之间通过所述隔离槽相互绝缘隔离，所述多个功能电极位于所述内晶圆层上，所述外晶圆层与所述第二调频电极电连接；
所述绝缘层上设有与所述外晶圆层相对应的第二导电孔，所述第二导电孔内设有用于与所述外晶圆层电连接的电极pad。
4.根据权利要求2所述的微电子机械系统陀螺仪，其特征在于，所述绝缘层为氧化硅或氮化硅层。
5.根据权利要求1所述的微电子机械系统陀螺仪，其特征在于，所述第三晶圆层的远离所述第二晶圆层的一面上设有与所述第二调频电极电连接的导电层。
6.根据权利要求1所述的微电子机械系统陀螺仪，其特征在于，所述多个功能电极还包括质量块电极、驱动电极、驱动检测电极、反馈电极和检测电极。
7.根据权利要求6所述的微电子机械系统陀螺仪，其特征在于，所述第二晶圆层包括沿所述陀螺仪的中心对称布置的四个质量块，所述第三晶圆层上具有与每个质量块对应布置的所述第二调频电极，所述第一晶圆层上具有与每个所述质量块对应布置的所述质量块电极、所述驱动电极、所述驱动检测电极、所述反馈电极、所述检测电极和所述第一调频电极。
8.根据权利要求1所述的微电子机械系统陀螺仪，其特征在于，所述第二晶圆层的与所述第一晶圆层键合的一面上具有第一凹槽，所述第三晶圆层的与所述第二晶圆层键合的一面上具有第二凹槽，所述质量块在所述第一凹槽和所述第二凹槽内沿平行或垂直于所述第二晶圆层的方向振动。
9.根据权利要求1所述的微电子机械系统陀螺仪，其特征在于，所述第二晶圆层和所述第三晶圆层之间通过键合层键合，所述键合层为导电层。
10.根据权利要求1所述的微电子机械系统陀螺仪，其特征在于，所述第一晶圆层、所述第二晶圆层和所述第三晶圆层均为硅晶圆。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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