一种MEMS陀螺仪及其制造工艺的制作方法

本发明涉及一种MEMS传感器，特别是一种MEMS陀螺仪。

背景技术：

陀螺仪可以检测物体旋转的角度和方向，并且已经运用于诸多领域，如轮船、飞机等。而在微电子机械系统(MEMS)技术不断进步的情况下，许多微米级的小型陀螺仪将被商业化广泛应用于汽车、机器人、手机、移动设备等领域。

与传统的陀螺仪不同，MEMS陀螺仪并没有旋转部件，也不需要轴承。MEMS的陀螺仪采用了振动物体传感角速度的概念。利用振动来诱导和探测科氏力。例如公开号为CN201780110的中国实用新型专利申请，其利用驱动器对多个质量块以X方向进行加速，当陀螺仪在Z轴上发生角速度为Ω的旋转时，质量块会根据以下公式在Y方向产生科氏力F_cori。陀螺仪对Y方向的科氏力进行检测，从而可以计算出旋转角速度Ω。

F_cori＝2mΩv

其中，m为质量块的质量，而v则为速度。

从上述公式可以得出，为了得到更大的科氏力，则需要增加质量块的质量m。进而在MEMS传感器领域，质量块的质量大小会直接影响到传感器的检测灵敏度和精度。

现有的MEMS陀螺仪的检测梳齿结构包括设置在质量块上的动齿，以及设置在框架或者锚点上的定齿，并通过检测动齿与定齿之间的间距或重叠面积变化所带来的电容变化来计算角速度。例如CN201780110专利中写道：“第一定齿和第一动齿之间加上静电力就可以驱动质量块沿X方向往复运动，当陀螺仪厚度方向有角速度输入时，在Y方向就会出现科氏力，迫使质量块沿Y方向运动，导致陀螺检测梳齿的第二定齿和第二动齿之间间距改变。”

然而，为了增加MEMS陀螺仪的灵敏度，则需要提高陀螺仪的整体电容变化量。也就进一步需要在质量块上设置更多的定齿和动齿的检测结构。技术人员则需要作出一定的选择，要么牺牲质量块的体积，降低了整个MEMS陀螺仪的灵敏度和精度。或者将整个MEMS陀螺仪的尺寸做大，但这样一来在一块硅片上能够制造出的MEMS陀螺仪数量则会减少，进而增加了MEMS陀螺仪的制造成本。另一方面，梳齿结构的制造比较复杂，对制造精度的要求较高。设置多组梳齿结构会使得制造成本大大上升。

此外，传统的MEMS陀螺仪中，驱动和检测均施加在同一块质量块上，进而相对于定齿来说，质量块上的动齿会在X和Y两个方向上均产生位移。而根据电容变化公式：

即两片平行的导电片之间的电容量等于介电系数乘以正对面积除以垂直间距。在X方向上施加的驱动信号会导致动齿在X方向上的位移，也会改变动齿和定齿之间的电容变化。对检测结果产生串扰。为此，检测出的电容变化结果并不能直接反应角速度的大小。技术人员还需要在电路端把X方向和Y方向的检测结果隔离开，才能够得到准确的角速度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种具有较高的灵敏度，并且检测误差小，性能稳定的MEMS陀螺仪。

一种MEMS陀螺仪，包括上盖板、测量体以及下盖板，所述测量体设置于所述上盖板及下盖板之间，所述测量体中设置有与所述上盖板以及下盖板相连接的锚点；所述测量体包括相互对称设置的质量块组；其特征在于：每组质量块组包括：驱动质量块、传动质量块以及检测质量块；所述驱动质量块通过连接梁与所述锚点相连接；所述驱动质量块设置在所述传动质量块中；所述传动质量块通过连接梁与所述检测质量块相连接；每组所述质量块组中的所述驱动质量块与所述锚点之间形成有驱动梳齿结构；一组所述质量块组中的检测质量块相连接的检测梳齿与另一组与所述质量块组中的检测质量块相连接的检测梳齿相互交叉，形成所述检测梳齿结构；所述测量体通过检测两组所述检测梳齿之间的间距变化引起的电容值变化来检测角速度。

本发明中的陀螺仪还具有以下附属特征：

所述质量块组通过耦合梁相连接，所述耦合梁的一端与所述锚点相连接。

所述第一梳齿结构分别向两组所述质量块组中的所述驱动质量块施加同频率同幅度反方向的驱动信号。

所述驱动信号为正弦波，所述信号频率在3000赫兹至10000赫兹之间。

所述驱动质量块、传动质量块以及检测质量块的位移方向在同一平面中。

所述驱动质量块的位移方向被所述连接梁限制在一个维度中；所述检测质量块的位移方向被所述连接梁限制在另一个维度中；所述驱动质量块的位移方向与所述检测质量块的位移方向相垂直。

所述连接梁由多个工字型折叠梁组成。

所述检测质量块中形成有二氧化硅层；所述二氧化硅层将所述检测质量块间隔成多个检测区域和反馈区域。

所述上盖板与所述下盖板由硅或玻璃制成。一种MEMS陀螺仪，包括上盖板、测量体以及下盖板，所述测量体设置于所述上盖板及下盖板之间，所述测量体中设置有与所述上盖板以及下盖板相连接的锚点；所述测量体包括相互对称设置的质量块组；其特征在于：每组质量块组包括：驱动质量块、传动质量块以及检测质量块；所述驱动质量块以及所述检测质量块通过连接梁与所述锚点相连接；所述传动质量块通过连接梁分别与所述驱动质量块以及所述检测质量块相连接；每组所述质量块组中的所述检测质量块与所述锚点之间形成有检测梳齿结构；一组质量块组中的所述驱动质量块与另一组质量块组中的所述驱动质量块之间形成有驱动梳齿结构。

所述驱动质量块、传动质量块以及检测质量块的位移方向在同一平面中。

所述驱动质量块的位移方向被所述连接梁限制在一个维度中；所述检测质量块的位移方向被所述连接梁限制在另一个维度中；所述驱动质量块的位移方向与所述检测质量块的位移方向相垂直。

一种MEMS陀螺仪的制造工艺，所述制造工艺包括以下步骤：

第一步，通过光刻以及刻蚀，在绝缘体上硅片的底面上刻蚀出多个深至氧化埋层的槽；

第二步，利用高温生长或者化学淀积法，在所述槽以及所述绝缘体上硅片的底面上形成二氧化硅层；

第三步，通过光刻以及刻蚀，在所述绝缘体上硅片的底面的二氧化硅层上刻蚀出多个深至下硅层的槽；

第四步，在所述槽中淀积金属，形成电极；

第五步，通过光刻以及刻蚀，在所述二氧化硅层上刻蚀出图形；

第六步，在所述绝缘体上硅片的底面涂覆光刻胶，并利用光刻以及深度刻蚀，对所述图形进行进一步刻蚀至氧化埋层；形成质量块组、连接梁以及梳齿结构；

第七步，将所述绝缘体上硅片的底面与制作好的下盖板进行键合；

第八步，将所述绝缘体上硅片的上硅层去除；

第九步，将所述绝缘体上硅片的氧化埋层去除，形成自由活动的质量块组；

第十步，将所述绝缘体上硅片的顶面与制作好的上盖板进行键合，形成完整的陀螺仪。

对于所述上盖板以及所述下盖板的加工步骤包括：利用光刻和刻蚀在所述上盖板及所述下盖板的表面形成凹槽。

对于所述下盖板的加工步骤还包括：利用高温生长或者化学淀积法，在所述下盖板的表面形成二氧化硅层。

所述刻蚀的方法为以下方法中的一种或多种方法：干法刻蚀或湿法刻蚀，所述干法刻蚀包括：硅的深度反应离子、反应离子、以及气态的二氟化氙刻蚀和氧化硅的反应离子、等离子、以及气态的氟化氢刻蚀。

用于湿法刻蚀所述上硅层及下硅层的刻蚀剂为以下刻蚀剂中的一种或多种的组合：氢氧化钾、四甲基氢氧化铵、或乙二胺邻苯二酚腐蚀液。

所述用于湿法刻蚀所述二氧化硅层的刻蚀剂为以下刻蚀剂中的一种或多种的组合：氢氟酸以及缓冲氢氟酸。

相对于传统的陀螺仪，本发明的技术方案具有以下优点：首先，在传统陀螺仪的梳齿检测结构中，均采用的是检测连接在质量块上的动齿以及连接在框架或锚点上的定齿之间间距或者重叠面积所带来的电容变化。而本发明的检测采用的是通过两组不同质量块上的动齿来进行检测。两组动齿的方案的输出结果直接是动齿和定齿方案的两倍。而且本发明中质量块组的整体质量较大，也增加了本陀螺仪的检测灵敏度和精度。另外，本发明对两个质量块分别施加一个同幅度、同频率却方向相反的振动，并且对两个质量块通过差分的方式检测角速度，对外界的共模干扰有相同的响应结果，有效地抑制了共模干扰，减少了检测方向上因线性加速度而产生的误差。进而提高了陀螺仪的整体检测灵敏度。另一方面，通过两组动齿的方案也节约了面积，该面积进而可以用于增加质量块的面积来增加质量块的灵敏度。再次，本发明将驱动质量块和检测质量块分离开，并且驱动质量块和检测质量块的位移方向相互垂直；进一步减少了驱动信号和检测信号之间的串扰以及误差。

附图说明

图1为陀螺仪的侧视图。

图2为陀螺仪中测量体的俯视图。

图3为图2中方框A的放大示意图。

图4为陀螺仪中在第二实施例中测量体的俯视图。

图5为为图4中方框A的放大示意图。

图6为陀螺仪芯片制造工艺的初始状态以及第一步的示意图。

图7为陀螺仪芯片制造工艺的第二步、第三步示意图。

图8为陀螺仪芯片制造工艺的第四步、第五步示意图。

图9为陀螺仪芯片制造工艺的第六步、第七步示意图。

图10为陀螺仪芯片制造工艺的第八步示意图。

图11为陀螺仪芯片制造工艺的第九步示意图。

图12为陀螺仪芯片制造工艺的第十步、第十一步示意图。

图13为陀螺仪芯片制造工艺的第十二步示意图。

上盖板1、测量体2、下盖板3、二氧化硅层4、二氧化硅间隔层41、上硅层5、下硅层6、金属电极7、锚点21、耦合梁22、驱动质量块241、传动质量块242、检测质量块243、动齿251、定齿252

具体实施方式

下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

参照图1，按照本发明提供的一种MEMS陀螺仪，包括相互连接的上盖板1、测量体2、以及下盖板3。

图2为本MEMS陀螺仪的测量体2的俯视图，其中，测量体2包括：锚点21，锚点21在图中通过交叉阴影来表示。所述锚点21与上盖板1和下盖板2相连接。耦合梁22通过连接梁与锚点21相连接。此外，耦合梁22两端还分别连接有两组相互对称的质量块组。每组质量块组包括：驱动质量块241，传动质量块242以及检测质量块243。其中，驱动质量块241和检测质量块243分别通过连接梁与锚点21相连接。传动质量块242通过连接梁分别和驱动质量块241以及检测质量块243相连接。

实施例1

参照图1至3，驱动质量块241通过连接梁23A与锚点相连接。检测质量块243通过连接梁23C与锚点21和耦合梁22相连接。由于连接梁23A的布局，驱动质量块241的活动方向仅限于在X轴方向上的左右移动。同理，连接梁23C将检测质量块243的活动方向仅限于在Y轴方向上的上下移动。传动质量块242通过连接梁23B分别与驱动质量块241和检测质量块243相连接。由于连接梁23B为工字梁，传动质量块242可以在X、Y平面中自由移动。

参照图3,，驱动质量块241与锚点21之间形成有一组梳齿结构。该梳齿结构包括设置在驱动质量块241上的动齿251以及设置在锚点21上的定齿252。在检测质量块243上同样形成有一组动齿251,一组检测质量块243上的动齿251与对称设置的另一组检测质量块243上的动齿251交叉形成梳齿结构。

参照图2及图3，陀螺仪的驱动电路会分别在两组驱动质量块241和锚点21之间的梳齿结构上施加一个同频率同幅度但是极性相反的驱动电信号。以至于两组驱动质量块241会朝着相反的方向同时来回振动。而连接梁23A会将驱动质量块241的振动方向限制在X轴方向中。当没有角速度时，驱动质量块241在X轴上的左右位移也会通过连接梁23B传输给传动质量块242，使得传动质量块242也沿着X轴方向左右移动。与此同时，由于连接梁23C对检测质量块243的限制，检测质量块243在X轴方向上是处于静止状态的。但当在Z轴上出现角速度时，传动质量块242会产生一个Y轴方向上的加速度。而传动质量块242在Y轴上的位移也会通过连接梁23B传输到检测质量块243上，进而引发检测质量块243在Y轴方向上的位移。由于两组驱动质量块241在X方向上的位移方向是相反的，则根据左手定律，两组检测质量块243在Y方向上也会是向相反方向移动，进而使得检测质量块243上的两组动齿251之间的间隔距离产生变化。与此同时，根据两块金属片之间的电容公式

即两片平行的导电片之间的电容量等于介电系数乘以正对面积除以垂直间距。而通过检测两组动齿251间距变化所带来的电容变化则可以计算出角速度。

参照图2及图3，优选地，在检测质量块243中还形成有二氧化硅间隔层41。二氧化硅间隔层41在图中由斜线阴影表示。而二氧化硅间隔层41将检测质量块243分隔成多个区域。其中包括检测区域和反馈区域。从而在检测质量块243上分隔出多个电位。检测区域和反馈区域通过四组不同的电极引线7连接。在图2以及图3中，电极引线7由黑色实线表示。相对于传统MEMS陀螺仪在定齿上来分隔电位的技术方案来说，本方案直接在两组动齿251上分隔出了不同的电位，方便控制和测量。

相对于传统的动齿和定齿的陀螺仪，本实施例中通过两组相反位移的动齿251来检测角速度。其输出信号是传统陀螺仪输出信号的两倍。增加了陀螺仪的灵敏度。但陀螺仪的整体体积又远远小于传统的动齿加定齿的方案。技术人员可以根据具体的需要，选择性地增加质量块组的体积来增加陀螺仪的检测灵敏度和精度。也可以因为整体体积的缩小，在一块硅片上增加了MEMS陀螺仪的数量，减少了制造的成本。而由于本实施例采用了反向驱动以及差分检测的方式，两组检测质量块243在检测角速度时会产生一上一下相反方向的位移，进而产生电容变化。而对于外界施加在陀螺仪上的加速度，两组检测质量块243都会朝一个方向产生位移，两组检测质量块243上动齿251之间的电容变化很小。进而线性加速度对本发明中检测信号的干扰极小。

此外，由于驱动质量块241的位移被限制在X方向上，而检测质量块243的位移被限制在Y方向上，并且两者之间通过传动质量块242进行传动。驱动信号对检测结果的影响也非常的小。

本实施例中所施加在驱动质量块241上的电信号为正弦波，其频率在3000-10000赫兹之间，并且带有5伏的直流偏置。但其他波形的信号，例如方波、锯齿波等信号也可施加在驱动质量块241上。

实施例2

参照图4至5，在本发明的另一种实施例中，驱动质量块241通过连接梁23A与锚点21相连接。而连接梁23A将驱动质量块241的位移方向限制在Y轴方向上。同理，检测质量块243通过连接梁23C与锚点21相连接，连接梁23C将检测质量块243的位移方向限制在X轴方向上。而传动质量块242通过连接梁23B分别与驱动质量块241和检测质量块243相连接。

参照图4和5，驱动质量块241上形成有一组动齿251。两组驱动质量块241上的动齿251交叉形成了梳齿结构。陀螺仪的驱动电路会向驱动质量块241施加一个驱动信号。该信号可以是正弦波、方波、三角波等。从而使得两组驱动质量块241分别朝相反方向一上一下地振动。驱动质量块241的位移会带动传动质量块242在Y轴上的位移。但如果出现角速度时，根据左手定律，传动质量块242会产生一个X方向上的位移。该位移会传输到检测质量块243上，并带动检测质量块243在X方向上移动。而检测质量块243与锚点21之间形成有梳齿结构。检测质量块243的位移会使得检测质量块243上的动齿251与锚点21上的定齿252之间的重叠面积的变化。与此同时，根据两块金属片之间的电容公式

即两片平行的导电片之间的电容量等于介电系数乘以正对面积除以垂直间距。通过检测动齿251与定齿252重叠面积变化所带来的电容变化可以进一步计算出角速度。

本实施例中所施加在驱动质量块241上的电信号为正弦波，其频率在3000-10000赫兹之间，并且带有5伏的直流偏置。但其他波形的信号，例如方波、锯齿波等信号也可施加在驱动质量块241上。

接下来，参照图6至图13对本陀螺仪的制造工艺进行进一步的描述。其中，本陀螺仪的测量体2采用了绝缘体上硅(SOI)结构，其包括上硅层5，下硅层6以及设置在上硅层5和下硅层6之间的二氧化硅层4。其中，二氧化硅层4也可被称为氧化埋层。其具体的加工步骤包括：

第一步，在所述绝缘体上硅硅晶圆片的底面上涂覆光刻胶，之后按照特定图案对所述底面进行曝光，并用显影剂将已曝光的光刻胶去除，及将未经曝光的光刻胶烘烤。这样被曝光的图案就会显现出来。利用深度反应离子刻蚀、或氢氧化钾、或四甲基氢氧化氨、或乙二胺磷苯二酚在下硅层6上刻蚀出多个深至二氧化硅层4的槽。

第二步，通过高温生长，或者等离子体化学汽相淀积(PECVD)的方法在所述下硅层6的槽中生长或者淀积一层二氧化硅4。

第三步，通过高温生长，或者等离子体化学汽相淀积(PECVD)的方法在所述绝缘体上硅硅晶圆片的底面生长或淀积一层二氧化硅层4。

第四步，在所述绝缘体上硅硅晶圆片的底面上涂覆光刻胶，之后按照特定图案对所述底面进行曝光，并用显影剂将已曝光的光刻胶去除，及将未经曝光的光刻胶烘烤。这样被曝光的图案就会显现出来。再用反应离子或等离子干法刻蚀、或氢氟酸腐蚀、对底面的二氧化硅层4进行刻蚀，形成深至下硅层6的槽。

第五步，在所述二氧化硅层4的槽中淀积金属，引出金属电极7。所述金属电极7引致外部锚点，并通过二氧化硅层4进行绝缘。

第六步，在所述绝缘体上硅硅晶圆片的底面上涂覆光刻胶，之后按照特定图案对所述底面进行曝光，并用显影剂将已曝光的光刻胶去除，及将未经曝光的光刻胶烘烤。这样被曝光的图案就会显现出来。再用反应离子或等离子干法刻蚀、或氢氟酸腐蚀，对底面的二氧化硅层4进行刻蚀，暴露出下硅层6并形成图形。

第七步，利用深度反应离子刻蚀、或氢氧化钾、或四甲基氢氧化氨、或乙二胺磷苯二酚对暴露在外的下硅层6进一步刻蚀至氧化埋层8，从而形成测量体2中的各个部件。

第八步，使用阳极键合或者金属热压键合，将所述绝缘体上硅硅晶圆片的底面与预先刻蚀出凹槽的下盖板3键合在一起。

第九步，通过高温生长，或者等离子体化学汽相淀积(PECVD)的方法在下盖板上生长或者淀积一层二氧化硅层4。

第十步，利用深度反应离子刻蚀、或氢氧化钾、或四甲基氢氧化氨、或乙二胺磷苯二酚将上硅层5去除。

第十一步，利用再用反应离子或等离子干法刻蚀或氢氟酸腐蚀，将氧化埋层4去除，形成自由活动的测量体2部件。

第十二步，使用阳极键合或者金属热压键合，将所述绝缘体上硅硅晶圆片的底面与预先刻蚀出凹槽的上盖板1键合在一起。

此外，本发明中的上盖板1和下盖板3也可以由玻璃制成。使用玻璃制作盖板的优点在于：硅-玻璃键合温度低，不会影响之前的金属电极及引线。当上盖板1和下盖板3由玻璃制成时，上述制造工艺步骤中的第八步以及第十二步则会采用硅-玻璃键合，将所述绝缘体上硅硅晶圆片与所述上盖板1和下盖板3相键合。另外，则不再需要执行上述制造工艺中的第九步。

本发明中所述的深度刻蚀及所述刻蚀的方法为以下方法中的一种或多种方法：干法刻蚀或湿法刻蚀，所述干法刻蚀包括：硅的深度反应离子刻蚀及反应离子刻蚀。

本发明中的上述方法中所用的材料、设备、工艺均采用现有技术，但通过利用这些材料及工艺，尤其是利用了SOI硅片所制造出的MEMS陀螺仪，发生了质的变化。首先，通过采用反方向驱动的两个质量块，并且利用差分进行检测的方式，不单单因为增加了质量块的质量而增加了检测灵敏度；而且通过两组动齿的检测方式所得到的输出信号直接是传统陀螺仪的两倍。进而增加了本陀螺仪的检测灵敏度和精度。而且将驱动质量块241和检测质量块243的位移方向进行限制，使得两个方向相互垂直也减少了驱动信号和检测信号之间的串扰。而在检测质量块243上利用二氧化硅层4分隔出多个区域，一方面防止了各个区域之间的串扰，另一方面通过增加力反馈区域也达到了高线性度的闭环控制。提高了陀螺仪的精度。由于本发明采用两组动齿的检测方式，其节省了设置定齿的空间。技术人员也可以根据其具体需要进一步选择增加质量块体积来提高灵敏度，或者增加制造数量来降低整体的制造成本。而且由于刻蚀工艺和硅的键合工艺较为简单，也使得本产品的生产效率极高、成本也较低。为此本工艺所制造的MEMS陀螺仪具有灵敏度高、误差小、成本低等优点。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，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实质和范围。