一种高灵敏度的单轴MEMS陀螺仪的制作方法

本发明涉及mems领域，尤其涉及一种高灵敏度的单轴mems陀螺仪。

背景技术：

基于微机电系统(mems，micro-electro-mechanical-system)加工制作的微型陀螺仪，因其体积小、成本低、集成性好、性能优良等诸多优点，已在消费电子、工业、医疗、军事等非常广泛的领域得到了越来越多的应用，目前，在各类移动终端、相机、游戏手柄、导航仪等产品的应用中，在一定程度上，已经成为标准配置。随着消费电子产品逐渐向便携，轻便化发展的趋势，市场对陀螺仪芯片的需求日益迫切。

面向此市场的mems陀螺仪主要为电容谐振式陀螺仪，其包括驱动质量块、科里奥利力(科氏力)质量块和检测质量块。驱动电容使驱动质量块在驱动方向上振动，并带动科氏力质量块同时振动，在有与科氏力质量块运动方向垂直的角速度输入的时候，由于科氏力的作用，科氏力质量块会产生与运动方向和角速度方向所构成的平面相垂直方向的力，从而带动科氏力质量块在检测方向运动，科氏力质量块同时带动检测质量块运动，通过检测质量块电容变化可计算出角速度输入的大小，科氏力质量块与检测质量块可以合并为同一质量块以减小设计面积。

驱动状态下，科氏力质量块运动幅度越大，在有角速度输入的情况下，科氏力产生的动能越大，从而驱动效率越高。科氏力质量块产生的动能越大，可带动的检测质量块运动幅度越大，检测质量块产生的位移越大，其检测输出效率越高。

但通常，xy轴检测质量块在xy平面外运动的方向上是扭转的，由此带来的是，离转轴中心越近的位置，其输出的电容变化越低，相反则越高。检测质量块的转动运动模式，对传感器敏感的线性度有很大的要求，对转轴的工艺刻蚀精度要求较高，在转轴有微小工艺偏差时，灵敏度的非对称性会大幅度增加，同时质量块靠近转轴的地方质量利用效率低，也不利于惯性质量和相应的面积的降低。

技术实现要素：

鉴于现有技术中的问题，本发明提供一种mems陀螺仪，其包括驱动质量块、传动部件、科氏力质量块，并且限定了相互垂直的第一方向、第二方向和第三方向；所述驱动质量块被设置为可沿所述第一方向活动；所述传动部件分别通过具有弹性的结构与所述驱动质量块和所述科氏力质量块相连接；所述驱动质量块在沿所述第一方向活动时，带动所述传动部件活动，进而使所述传动部件驱动所述科氏力质量块仅沿所述第二方向活动；所述传动部件与所述科氏力质量块的连接适于所述科氏力质量块在科氏力的作用下仅沿所述第三方向活动。

进一步地，所述mems陀螺仪还包括驱动电极，所述驱动电极固定设置，其与所述驱动质量块相配合形成驱动电容，从而可通过静电力驱动所述驱动质量块沿所述第一方向活动。

进一步地，所述mems陀螺仪还包括检测电极，所述检测电极被固定设置在所述科氏力质量块沿所述第三方向的一侧，两者相配合形成检测电容。

进一步地，所述传动部件包括第一刚性件，所述第一刚性件分别通过第一弹性件和第二弹性件与所述驱动质量块和固定锚点相连接，从而所述驱动质量块在沿所述第一方向活动时可带动所述第一刚性件活动。

进一步地，所述第一弹性件和所述第二弹性件沿所述第二方向延伸。

进一步地，所述传动部件还包括第二刚性件，所述第二刚性件与所述第一刚性件间隔设置并且两者通过第三弹性件相连接，所述第三弹性件适于使所述第一刚性件在沿所述第二方向活动时，带动所述第二刚性件也沿所述第二方向活动。

进一步地，所述第二刚性件一端与所述第一刚性件通过所述第三弹性件相连接，另一端通过第四弹性件与固定锚点相连接。

进一步地，所述第一刚性件和所述第二刚性件分别通过第五弹性件和第六弹性件与所述科氏力质量块相连接，从而当所述第一刚性件和所述第二刚性件沿所述第二方向活动时，带动所述科氏力质量块也沿所述第二方向活动。

进一步地，所述第五弹性件和所述第六弹性件沿所述第二方向延伸。

进一步地，所述mems陀螺仪包括两个所述驱动质量块和两个所述传动部件，将其中一个所述驱动质量块和与其相配合的所述传动部件设置在所述科氏力质量块的一侧，将另一个所述驱动质量块和与其相配合的所述传动部件对称地设置于所述科氏力质量块的另一侧。

进一步地，所述mems陀螺仪包括两个所述科氏力质量块，在所述传动部件的驱动下，两个所述科氏力质量块沿所述第二方向的运动方向相反。

现有mems陀螺仪，如x轴陀螺仪在驱动时，科氏力质量块在xy平面内做面内转动，其有效位移是在y方向上的运动分量，从而科氏力质量块在靠近转轴的部分位移较小，其驱动效率较低。

本发明的mems陀螺仪，如x轴陀螺仪在驱动时，科氏力质量块在y方向的运动方式为平动，使其驱动效率提高；并可以根据科氏力质量块和驱动质量块的质量和位移的大小，调整连接的弹簧梁的位置和刚度，从而调整科氏力质量块的位移和驱动电极驱动力的关系；当采用刚性梁还可以起到上下左右耦合的作用，使得两个科氏力质量块的运动方向相同，大小相反，降低工艺偏差导致的影响。

现有mems陀螺仪，如x轴陀螺仪在科氏力质量块有绕x轴的角速度输入时，科氏力质量块相对于xy平面做面外转动，科氏力对科氏力质量块靠近转轴附近的部分产生的动能较小，质量利用率较低，产生位移较小，相对的检测电容变化较小，不利于增加陀螺仪的灵敏度和降低设计面积。

本发明的mems陀螺仪，如x轴陀螺仪的检测部分，由于刚性梁和耦合弹簧的作用，科氏力质量块在有绕x轴的角速度输入的情况下，受到的科氏力为z方向，具体为z方向的平动。此时科氏力质量块的全部质量都用于动能的转化，质量的利用率较高，有利于灵敏度的提高和减少陀螺仪的总体面积以降低成本。

在杠杆刚性梁、固定锚点和多组弹簧梁的作用下，保证两个科氏力质量块之间的耦合关系，使其运动方向相反，大小相等，从而进一步降低工艺偏差和外部环境变化对质量块输出位移的影响，保证了陀螺仪输出的稳定性，提高了陀螺仪性能。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是现有的一种mems陀螺仪的结构示意图；

图2是图1中mems陀螺仪驱动状态时的示意图；

图3是图1中mems陀螺仪当有绕x轴的角速度输入时的示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的结构示意图；

图5是图4中mems陀螺仪驱动状态时的示意图；

图6是图4中mems陀螺仪当有绕x轴的角速度输入时的示意图；

图7是图1中mems陀螺仪驱动状态时科氏力质量块的驱动幅度示意图；

图8是图4中mems陀螺仪驱动状态时科氏力质量块的驱动幅度示意图；

图9是图1中mems陀螺仪检测时科氏力质量块的运动幅度示意图；

图10是图4中mems陀螺仪检测时科氏力质量块的运动幅度示意图。

具体实施方式

在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，因此不能理解为对发明的限制。附图为原理图或者概念图，各部分厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的比例关系等等，与其实际值并非完全一致。

图1至图3是一种现有的x轴陀螺仪(根据应用的需求，可将设计版图或芯片旋转90度，形成y轴陀螺仪，其原理与x轴陀螺仪完全相同)，其中包括固定锚点a1～a5、弹簧梁s1～s8、刚性梁f1～f4、质量块m、固定电极e1～e6，其中固定电极e5、e6设置在质量块m的下方，故采用虚线表示。

质量块m通过弹簧梁s7、s8与固定锚点a5相连接，在y方向上质量块m的两侧分别固定连接刚性梁f3、f4，刚性梁f3、f4分别通过弹簧梁s5、s6与刚性梁f1、f2相连接，刚性梁f1的两端分别通过弹簧梁s1、s2与固定锚点a1、a2相连接，刚性梁f2的两端分别通过弹簧梁s3、s4与固定锚点a3、a4相连接。从而刚性梁f1～f4、质量块m相连接的整体组成了陀螺仪的可动部件pm。

刚性梁f1、f2构成陀螺仪的驱动质量块，质量块m同时作为科氏力质量块和检测质量块。弹簧梁s5～s8具有条状结构且沿y方向延伸，弹簧梁s1～s4具有u型结构且u型的开口沿y方向延伸。

刚性梁f1与固定电极e1、e2间具有相互配合的梳齿结构，分别构成电容ce1、ce2，刚性梁f2与固定电极e3、e4间具有相互配合的梳齿结构，分别构成电容ce3、ce4，质量块m分别与固定电极e5、e6构成电容ce5、ce6。上述这6个电容可分为4组，分别为驱动电容cdr1、cdr2以及检测电容csx1、csx2，其中电容ce1、ce4属于驱动电容cdr1，电容ce2、ce3属于驱动电容cdr2，电容ce5属于检测电容csx1，电容ce6属于检测电容csx2。

上述x轴陀螺仪的工作原理可分为驱动和x轴角速度检测两个部分，以下分别进行说明。

如图2所示，在驱动电容cdr1、cdr2的两端，分别施加方向相反的交变电压时，电容的两端会产生交变静电力，从而驱动刚性梁f1、f2在x方向做往复运动，刚性梁f1、f2在x方向上的运动方向相反。这一运动会通过弹簧梁s5、s6与刚性梁f3、f4的传动，被传递到质量块m上，使质量块m绕固定锚点a5转动，质量块m的左右两侧在y方向的位移分量始终相反，并且质量块m中越靠近固定锚点a5的部分y方向运动位移就越小。

如图3所示，当有绕x轴的角速度输入时，质量块m因为在y方向有运动(具体是在y方向上有位移分量)，所以会受到沿z方向的科里奥利力。由于质量块m的左右两侧沿y方向的运动方向是向相反的，所以它们受到的由于x轴角速度输出而产生的z方向的科里奥利力的方向也会相反，从而使得质量块m的左右两侧绕固定锚点a5与弹簧梁s7、s8所限定的轴线，在z方向上做方向相反的往复运动。

在检测过程中，质量块m与底电极e5、e6之间的距离发生变化，即x轴检测电容csx1、csx2会产生大小相等且方向相反的变化。通过后续电路检测这两个电容的相对变化δcsx1-δcsx2，就可以反推得到输入x轴的角速度的大小。在此需要说明的是，上述过程中质量块m的左右两侧在z方向上的运动并不是平动，而是以绕固定锚点a5与弹簧梁s7、s8所限定的轴线的转动，即质量块m中越靠近固定锚点a5的部分z方向运动位移就越小。

上述的x轴陀螺仪具有以下缺点：

1、驱动部分产生的驱动力使质量块m绕固定锚点a5在xy平面内转动，转动在y方向的分量是质量块m的实际驱动位移，靠近固定锚点a5的部分位移较小，使得驱动力转化为位移的利用率不高。

2、质量块m在科氏力的作用下，绕固定锚点a5与弹簧梁s7、s8所限定的轴线转动，距离中心轴近的部分位移较小，输出的电容变化也较小，使得科氏力转换的输出利用率较低，质量块m的利用率也较低。

3、弹簧梁s5～s8为质量块m的转轴，若加工工艺的偏差导致弹簧梁产生微小不对称现象，对整个质量块m的运动模态和方向有较大影响，在统一的晶圆制造中，会产生较大的片间差别。

本实施例的x轴陀螺仪如图4至图6所示，包括固定锚点a1～a10、弹簧梁s1.1～s1.4、弹簧梁2.1～2.4、弹簧梁3.1～3.4、弹簧梁4.1～4.4、弹簧梁5.1～5.8、刚性梁f1～f8、质量块m1、质量块m2、固定电极e1～e6，其中固定电极e5、e6分别设置在质量块m1、m2的下方，故采用虚线表示。

质量块m1和质量块m2结构相同，呈对称布置，质量块m1分别通过弹簧梁s5.1、s5.2、s5.3、s5.4与刚性梁f5、f3、f6、f4相连接；质量块m1分别通过弹簧梁s5.5、s5.6、s5.7、s5.8与刚性梁f3、f7、f4、f8相连接。刚性梁f5、f3、f7与刚性梁f6、f4、f8结构相同并且对称地设置在质量块m1、m2的两侧；刚性梁f5、f7分别布置在刚性梁f3的两侧，刚性梁f5的两端分别通过弹簧梁s2.1、s4.1与固定锚点a5和刚性梁f3相连接，刚性梁f7的两端分别通过弹簧梁s2.2、s4.2与固定锚点a6和刚性梁f3相连接；刚性梁f6、f8分别布置在刚性梁f4的两侧，刚性梁f6的两端分别通过弹簧梁s2.3、s4.3与固定锚点a7和刚性梁f4相连接，刚性梁f8的两端分别通过弹簧梁s2.4、s4.4与固定锚点a8和刚性梁f4相连接。刚性梁f3在y方向上分别通过弹簧梁s3.1、s3.3与刚性梁f1和固定锚点a9相连接；刚性梁f4在y方向上分别通过弹簧梁s3.2、s3.4与刚性梁f2和固定锚点a10相连接。刚性梁f1的两端分别通过弹簧梁s1.1、s1.2连接到固定锚点a1、a2，刚性梁f2的两端分别通过弹簧梁s1.3、s1.4连接到固定锚点a3、a4。从而刚性梁f1～f8、质量块m1、质量块m2相连接的整体组成了陀螺仪的可动部件pm。

刚性梁f1、f2构成陀螺仪的驱动质量块，质量块m1、m2同时作为科氏力质量块和检测质量块。刚性梁f3～f8是为了调整运动模态和方向而设计的杠杆结构。弹簧梁2.1～2.4、弹簧梁3.1～3.4、弹簧梁5.1～5.8具有条状结构且沿y方向延伸，弹簧梁s1.1～s1.4、弹簧梁s4.1～s4.4具有u型结构且u型的开口沿y方向延伸。

本实施例中，驱动部分和检测部分的电容设置与上述现有的陀螺仪基本相同。刚性梁f1与固定电极e1、e2间具有相互配合的梳齿结构，分别构成电容ce1、ce2，刚性梁f2与固定电极e3、e4间具有相互配合的梳齿结构，分别构成电容ce3、ce4。质量块m1、m2分别与固定电极e5、e6构成电容ce5、ce6。这6个电容也分为4组，分别为驱动电容cdr1、cdr2以及检测电容csx1、csx2，其中电容ce1、ce4属于驱动电容cdr1，电容ce2、ce3属于驱动电容cdr2，电容ce5属于检测电容csx1，电容ce6属于检测电容csx2。

同样地，本实施例的x轴陀螺仪的工作原理也分为驱动和x轴角速度检测两个部分，以下分别进行说明。

如图5所示，在驱动电容cdr1、cdr2的两端，分别施加方向相反的交变电压时，电容的两端会产生交变静电力，从而驱动刚性梁f1、f2在x方向做往复运动，刚性梁f1、f2在x方向上的运动方向相反。刚性梁f3、f4在弹簧梁s3.1～s3.4的连接作用下，分别跟随刚性梁f1、f2运动，具体地，刚性梁f3在刚性梁f1的带动下，会做以固定锚点a9为中心的转动，刚性梁f4在刚性梁f2的带动下，会做以固定锚点a10为中心的转动。由于驱动信号使得刚性梁f1、f2在x方向上的运动方向始终相反，从而在刚性梁f1、f2的带动下，刚性梁f3、f4的转动方向始终相同(顺时针或逆时针)。

刚性梁f3、f4与u型的弹簧梁s4.1～s4.4连接的端点会在y方向产生向上或向下的运动，通过u型的弹簧梁s4.1～s4.4的耦合作用，可以带动刚性梁f5～f8产生与其连接端点相一致的y方向的运动。刚性梁f5、f3、f6、f4分别通过与质量块m1相连接的弹簧梁s5.1～s5.4，带动质量块m1在y方向做同向运动，刚性梁f3、f7、f4、f8分别通过与质量块m2相连接的弹簧梁s5.5～s5.8，带动质量块m2在y方向做同向运动。由于刚性梁f3在刚性梁f1的带动下做以固定锚点a9为中心的转动，所以刚性梁f3的两端在y方向的运动方向相反，分别连接于刚性梁f3两端的刚性梁f5、f7在y方向的运动方向也相反，同样地，分别连接于刚性梁f4两端的刚性梁f6、f8在y方向的运动方向也相反。由于刚性梁f3、f4的转动方向始终相同，所以刚性梁f5、f6在y方向的运动方向相同，刚性梁f7、f8在y方向的运动方向相同。从而在驱动状态下，在xy平面内，质量块m1、m2在y方向做大小相等方向相反的往复运动。

如图6所示，当有绕x轴的角速度输入时，质量块m1、m2因为在沿y方向运动，所以会受到沿z轴方向的科里奥利力。由于质量块m1和m2在y方向的运动方向是相反的，所以它们受到的由于x轴的角速度输出而产生的z方向的科里奥利力的方向也会相反，从而使得质量块m1、m2在z方向做大小相等方向相反的往复运动。

在弹簧梁s5.1～s5.4的作用下，刚性梁f5、f6以及刚性梁f3、f4的左端与质量块m1一起沿z方向向平面内运动；刚性梁f5、f6以及刚性梁f3、f4的左端，由于固定锚点a5、a7、a9、a10的固定作用及弹簧梁s4.1、s4.3的耦合作用，可以使其在z方向的运动幅度完全相同，从而确保质量块m1在z方向是完全平动的。

在弹簧梁s5.5～s5.8的作用下，刚性梁f7、f8以及刚性梁f3、f4的右端与质量块m2一起沿z方向向平面外运动；刚性梁f7、f8以及刚性梁f3、f4的右端，由于固定锚点a6、a8、a9、a10的固定作用及弹簧梁s4.2、s4.4的耦合作用，可以使其在z方向的运动幅度完全相同，从而确保质量块m2在z方向是完全平动的。如前所述，由于刚性梁f3、f4的杠杆作用，可保证刚性梁f3、f4左右两端的运动幅度相同方向相反，从而可以保证质量块m1、m2的运动幅度相同方向相反。

在检测过程中，质量块m1、m2分别与固定电极e5、e6之间的距离发生变化，从而x轴检测电容csx1和csx2也会产生大小相等且方向相反的变化。通过后续电路检测这两个电容的相对变化δcsx1-δcsx2，就可以反推得到输入x轴的角速度的大小。

本实施例的x轴陀螺仪可根据应用的需求，将设计版图或芯片旋转90度，形成y轴陀螺仪，其原理与本实施例的x轴陀螺仪完全相同。

图1所示的陀螺仪在驱动时，质量块m绕固定锚点a5做转动，其有效位移是在y方向的分量，位移大小如图7所示，质量块m在靠近固定锚点a5附近的部分位移较小，整体驱动效率较低。

本实施例的陀螺仪，采用刚性梁f3～f8做杠杆，在驱动状态时，质量块m1、m2在y方向的运动方式为平动，如图8所示，使其驱动效率提高；并可以根据质量块m1、m2和刚性梁f1、f2(作为驱动质量块)的质量和位移的大小，调整连接的弹簧梁的位置和刚度，从而调整质量块m1、m2的位移和驱动电极驱动力的关系；刚性梁f3～f8还可以起到上下左右耦合的作用，使得两个质量块m1、m2的运动方向相同，大小相反，降低工艺偏差导致的影响。

图1所示的陀螺仪在质量块m有绕x轴的角速度输入时，质量块m的左右两侧绕固定锚点a5与弹簧梁s7、s8所限定的轴线，在z方向上做方向相反的往复运动，其运动方式如图9所示，科氏力对质量块m靠近固定锚点a5附近的部分产生的动能较小，使其质量利用率较低，产生位移较小，相对的检测电容变化较小，不利于增加陀螺仪的灵敏度和降低设计面积。

本实施例的陀螺仪的检测部分，由于刚性梁f3～f8和相应的弹簧梁的作用，质量块m1、m2在有绕x轴的角速度输入的情况下，受到的科氏力为z方向，其运动方向如图10所示，为z方向的平动。此时科氏力质量块m1、m2的全部质量都用于动能的转化，质量的利用率提高，有利于灵敏度的提高和减少陀螺仪的总体面积以降低成本。

在杠杆刚性梁、固定锚点和多组弹簧梁的作用下，保证质量块m1、m2之间的耦合关系，使其运动方向相反，大小相等，从而进一步降低工艺偏差和外部环境变化对质量块输出位移的影响，保证了陀螺仪输出的稳定性，提高了陀螺仪性能。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。