CN117190993A - 一种类环形mems陀螺仪及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种类环形MEMS陀螺仪，包括第一基板，该第一基板上形成有谐振结构、电极组件，以及用于支撑所述谐振结构的支撑锚点；第二基板，该第二基板上形成有凹槽，从而使所述第一基板和第二基板键合后，形成容纳所述谐振结构的真空腔；采用类环形的谐振结构，由复数个悬浮环与复数个悬浮梁构成，悬浮环是由复数个悬浮环长方体首尾衔接而成的线性多边形，各悬浮环由第一基板的中心沿轴线由内向往分布，相邻悬浮环的各悬浮环长方体之间由悬浮梁相连，悬浮梁是由四个长方体首尾顺次衔接围成、且内开口的横断面呈菱形。本发明有效减少制造误差，使性能得到保证，能够达到低频率失配的高灵敏度检测，并降低器件整体的成本。
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MEMS陀螺仪及其制作方法。
背景技术
微机械谐振陀螺仪随着微机电系统(MEMS)技术的成熟而取得了不断进展，因具有体积小、功耗低、易集成、成本低等优势被广泛应用于惯性导航系统、姿态控制、航空航天、军事、汽车和消费电子等领域。MEMS陀螺仪的研究和发展已成为微纳技术领域的热点和重要方向，其结构设计也已经从早期的框架式、音叉式逐步向微半球形、环形等过渡。其中环形结构陀螺仪是当前灵敏度较高的MEMS陀螺仪，并且加工工艺相对简单，但加工过程中引入的一些缺陷会极大地影响器件的性能。另外为了进一步提高灵敏度就需要提高品质因子，降低能量损耗。其中热弹性阻尼被认为是微谐振器内部主要的耗散机制，是因为振动结构的各个部分之间缺乏热平衡而引起的内在损失。由于工艺误差以及热弹性阻尼引起的能量耗散不容易控制和消除，所以通过降低制造缺陷以及提高品质因子来改善陀螺仪的灵敏度性能是当前需要解决的技术难题。而提高陀螺仪品质因子主要通过改善谐振器件结构参数达到理想效果，但是谐振器件结构众多，这种方法只能针对特定结构设计。因此，过程繁琐复杂，增加设计成本，并且产品制造的良率较低。
现阶段，对于振动环型结构陀螺仪，制造误差引起的频率失配和热弹性阻尼引起的能量耗散不容易控制，所以导致制造出的谐振器件实际性能与设计时的理想值偏差较大，并且产品制造的良率较低，使得器件最终无法在实际中得以应用。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种MEMS陀螺仪及其制作方法，以降低制造缺陷，提高MEMS陀螺仪的灵敏度。
第一方面，本发明提供一种MEMS陀螺仪，包括：
一种类环形MEMS陀螺仪，包括：
第一基板，该第一基板上形成有谐振结构、电极组件，以及用于支撑所述谐振结构的支撑锚点；
第二基板，该第二基板上形成有凹槽，从而使所述第一基板和第二基板键合后，形成容纳所述谐振结构的真空腔；
其特点在于，所述谐振结构由复数个悬浮环与复数个悬浮梁构成，所述悬浮环是由复数个悬浮环长方体首尾衔接而成的线性多边形，各悬浮环由所述第一基板的中心沿轴线由内向往分布，相邻悬浮环的各悬浮环长方体之间由所述悬浮梁相连，最内圈悬浮环的各悬浮环长方体与位于中央的支撑锚点之间由所述悬浮梁相连，最外圈悬浮环的各悬浮环长方体与位于两侧的支撑锚点之间由所述悬浮梁相连，所述悬浮梁是由四个长方体首尾顺次衔接围成、且内开口的横断面呈菱形。
优选的，所述悬浮梁的宽度为5-10um，角度为30-55°。
优选的，所述凹槽的底部凹面处形成有薄膜吸气剂。
第二方面，本发明提供了一种MEMS陀螺仪的制作方法，包括：
提供一第一基板和第二基板；
在第一基板形成支撑锚点、谐振结构和电极引线；
在第二基板形成带吸气剂的盖板；
将第一基板的电极引线面与第二基板的凸起面进行键合，并形成密封了谐振结构的真空腔；最后通过硅通孔制作将电极引出去。其中，所述谐振结构与所述电极组件形成电容；
与现有技术相比，本发明的主要优势有：
(1)其结构采用与工艺更适配的全线性结构，可减少在制版和光刻过程中产生的结构误差；
(2)通过悬浮梁采用菱形辐条设计，减小了结构刚度和谐振频率，可提高品质因子使其在同类型的陀螺仪中处于领先水平；
(3)通过优化辐条宽度和菱形的角度可减少频率失配，对于需要高度对称和模式匹配的频率调制和速率积分陀螺仪具有借鉴意义。
(4)本发明制作过程简单、容易操作。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的MEMS陀螺仪的俯视图。
图2是本发明实施例中提供的MEMS陀螺仪的侧面结构示意图。
图3是本发明实施例中提供的MEMS陀螺仪的流程示意图。
图中：100-基底，110-埋氧层，120-顶硅，130-电极，200-盖板，210-吸气剂，301-支撑锚点，302-悬浮梁，303-悬浮环，400-电极组件，4001-外侧电极，4002-内侧电极。
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。
本发明实施例提供一种MEMS陀螺仪，以降低制造误差，提高MEMS陀螺仪的灵敏度。图1示出了本发明实施例中提供的MEMS陀螺仪的俯视图。图2示出了本发明实施例中提供的MEMS陀螺仪的侧面结构示意图。如图1和图2所示，本发明实施例提供的MEMS陀螺仪包括基底100，以及在所述基底上形成的电极组件400、支撑锚点301、谐振结构和盖板200。盖板上还可以形成吸气剂210。
所述谐振结构包括多个具有悬浮梁结构的悬浮环303和悬浮梁302；所述电极组件包括分布于器件最外侧的外侧电极4001和分布于中心瞄点处内侧电极4002。所述振动悬浮环采用正多边形结构，所述振动悬浮环与下方基底之间存在空隙并通过所述多个悬浮梁结构与支撑锚点301连接；所述吸气剂生长于盖板片的槽内。
MEMS器件的制造是基于集成电路(IC)技术，集成电路制造过程中的光刻和蚀刻技术都是基于线性结构开发的，因此在非线性图案的制造过程中会产生一定的偏差。此外，在光掩模板的制造中对圆弧状结构的处理也可能形成微小偏差。因此，多个误差的累积会增强缺陷，导致频率失配。本发明中谐振结构为全线性结构，代替现有技术中的圆环或椭圆，避免制造过程中的图案偏移，从而在性能上减小理论值与实际值之间的差距。悬浮梁采用菱形辐条，其压缩刚度较小，这使得整个结构的谐振频率降低，振幅增大，提高了器件的机械灵敏度。
在一种示例中，在驱动电极上施加电压，引起谐振结构进行拉伸和压缩的形变振动。当MEMS陀螺仪以一定角速度旋转时，检测电极检测MEMS陀螺仪感受到旋转时谐振结构的模态变化。在实际应用中可通过测量谐振结构在电极组件的作用下产生的振幅，来计算出MEMS陀螺仪旋转时的角速度。由于本案例采用了工艺误差更小的设计方式和制作流程，从而减小了频率失配进而提高了检测的灵敏度。
本发明示例性实施例还提供了一种MEMS陀螺仪的制作方法，其可以制作本发明实施例的MEMS陀螺仪，该方法制作过程简单、容易操作，适用于所有振环型MEMS陀螺仪。图3示出本发明示例性实施例的MEMS陀螺仪的制备方法在该阶段的状态示意图。
如图3所示，(1)提供绝缘体上硅(SOI)片，其中基底100厚度可以是400um～600um之间，埋氧层110厚度可以是2um～4um之间，顶硅120为低阻硅，厚度可以是60um～100um之间。
(2)电极130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，在顶硅120上溅射金属和金属图案形成电极引线。该金属可以为金、铂金中的至少一种。再通过光刻胶剥离工艺将不需要的部分去除形成电极图案。
(3)采用深反应离子刻蚀工艺制作器件层，刻蚀顶硅120停在埋氧层110上。所述深反应离子刻蚀工艺采用的气体可以为SF6、C4F8中的一种或多种。
(4)使用释放工艺去除氧化硅，需控制横向释放宽度使支撑锚点位置有氧化硅保留。所述释放工艺可以采用气态氢氟酸(Vapor HF)或者湿法腐蚀。
(5)在400um高阻硅上制作50um的凹槽再通过硬掩模工艺沉积吸气剂210。凹槽形成工艺可以为常规的基础平面工艺，如涂覆光刻胶，光刻、显影、刻蚀。
(6)将器件层与盖板片进行密封键合，键合过程中会同时进行吸气剂的激活。然后将顶层减薄至100um。所述密封键合可以是金-硅键合。
(7)利用深反应离子刻蚀工艺加工出通孔用于MEMS芯片与专用集成电路芯片之间的引线键合。所述深反应离子刻蚀工艺采用的气体可以为SF6和C4F8。
Claims (7)
1.一种类环形MEMS陀螺仪，包括：
第一基板，该第一基板上形成有谐振结构、电极组件，以及用于支撑所述谐振结构的支撑锚点；
第二基板，该第二基板上形成有凹槽，从而使所述第一基板和第二基板键合后，形成容纳所述谐振结构的真空腔；
其特征在于，所述谐振结构由复数个悬浮环与复数个悬浮梁构成，所述悬浮环是由复数个悬浮环长方体首尾衔接而成的线性多边形，各悬浮环由所述第一基板的中心沿轴线由内向往分布，相邻悬浮环的各悬浮环长方体之间由所述悬浮梁相连，最内圈悬浮环的各悬浮环长方体与位于中央的支撑锚点之间由所述悬浮梁相连，最外圈悬浮环的各悬浮环长方体与位于两侧的支撑锚点之间由所述悬浮梁相连，所述悬浮梁是由四个长方体首尾顺次衔接围成、且内开口的横断面呈菱形。
2.根据权利要求1所述的类环形MEMS陀螺仪，其特征在于，所述悬浮梁的宽度为5-10um，锐角角度为30-55°。
3.根据权利要求1所述的类环形MEMS陀螺仪，其特征在于，所述凹槽的底部凹面处形成有薄膜吸气剂。
4.根据权利要求1所述的类环形MEMS陀螺仪，其特征在于，所述电极组件包括外侧电极和内侧电极，所述内侧电极分布于所述第一基板的中心，作为驱动电极，所述外侧电极围绕分布在所述最外圈悬浮环外，作为检测电极。
5.一种类环形MEMS陀螺仪的制作方法，提供第一基板和第二基板，其特征在于，该方法包括：
在第一基板上形成支撑锚点、谐振结构和电极组件；
在第二基板上形成凹槽，并在该凹槽内形成薄膜吸气剂；
将第一基板的电极引线面与第二基板的凸起面进行键合，形成内含所述谐振结构以及所述吸气剂的真空腔；
在第二基板上形成通孔，露出所述第一基板上的电极。
6.根据权利要求1所述的类环形MEMS陀螺仪的制作方法，其特征在于，所述谐振结构与所述电极组件形成电容。
7.根据权利要求1所述的类环形MEMS陀螺仪的制作方法，其特征在于，所述第一基板由下至上包括基底、埋氧层和顶硅。
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