一种具有嵌入式磁源的MEMS陀螺仪的制作方法

本发明涉及mems陀螺仪领域，具体而言，是一种具有嵌入式磁源的mems陀螺仪。

背景技术：

陀螺仪也称角速度传感器，它和加速度传感器都属于惯性传感器，是一类重要的力学mems器件，广泛用于汽车工业、大地测量、生物工程、机器人控制、矿山开采、武器导弹等领域，因受到普遍的重视而快速发展起来。mems陀螺仪是基于科里奥利效应，科里奥利效应是指当一个质点相对于惯性系做直线运动时，相对于旋转体系，其轨迹是一条曲线，立足于旋转体系，我们认为有一个驱使质点运动轨迹形成曲线的力，这个力就是科里奥利力fc，其中fc＝-2mv×ω其中v表示相对于转动参考系质点的运动速度(矢量)，ω表示旋转体系角速度(矢量)，m表示质点的质量，科里奥利力是研究mems陀螺仪的基础，当存在绕驱动轴做高频振动的微机械陀螺仪敏感轴的角速度时，其检测质量块内各质点的科里奥利力会在输出轴方向存在科氏惯性力矩，这种惯性力矩即为陀螺力矩。由于科里奥利力和陀螺力矩的存在，在理想情况下，mems陀螺仪的输出信号正比于敏感轴输入信号，因此通过测量科里奥利力和运动物体的速度，就可以得到系统转动的角速度ω。

振动式mems陀螺仪可以分为两个独立的简谐振动即驱动和检测两个振动模态，这两个振动模态均可看作是弹簧-质量块-阻尼系统在周期性外力作用下的振动行为，如图1所示，其中x方向为陀螺仪的驱动振动方向，y方向为陀螺仪的检测振动方向，mems陀螺仪正常工作在谐振振动下，需要在驱动方向施加简谐驱动力作为外在的动力源，mems陀螺仪的驱动方式多种多样，如热驱动、电磁驱动、压电驱动和静电驱动等，由于制作静电驱动的电容结构比较简单、功耗低、灵敏度高、受温度的影响小，因此成为mems陀螺仪的主要驱动方式；mems陀螺仪的检测方式主要有电容检测方式、压阻检测方式、压电检测方式、光学检测方式和隧道电流检测方式等，其中压电检测方式具有高的电-机械耦合因子、高阻抗和温度稳定性；压阻检测方式具有相对低的阻抗，良好的线性，接口电路也很简单，但是这种检测方式具有较高的温度灵敏度；电容检测方式线性度低、温漂大、调零调满未能分离而相互影响等。

mems陀螺仪不需要与外界物理接触，因此可以气密封装，进行真空封装可以避免振动结构的空气阻尼，提高使用寿命；其次是对于一般的mems结构和电路封装，散热是必须给予充分重视的，高温下器件失效的可能性会大大增加。

现在的mems陀螺仪一般由质量块、衬底、支撑梁和锚点组成，如图2所示，质量块位于衬底上方；质量块通过电容梳驱动，即在质量块的x方向增加电容梳，使得质量块沿着x方向运动，质量块的检测同样通过电容梳驱动，即在质量块的y方向增加电容梳，使得质量块在y方向运动，其中x和y在质量块所在的平面内互相垂直，如图3所示，在工作的时候，质量块在共振频率下沿x方向振动，当有一个垂直x和y的z方向的角速度ω时，质量块会在y方向产生振动，该角速度ω可以通过质量块在x方向的位移计算出来，质量块在x方向的位移通过检测x方向的电容来得到，但是mems陀螺仪是微米/纳米技术，检测电容梳在进行检测的时候会产生空气阻尼，使得检测结果存在误差，线性度差；其次是质量块是导电材料，那么质量块的导热性能也比较好，容易产生温漂，产生噪音。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的中的检测方式的线性度差，存在温漂以及产生噪音的缺点，提供一种具有嵌入式磁源的mems陀螺仪。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种具有嵌入式磁源的mems陀螺仪，包括质量块、驱动单元和检测单元，所述驱动单元位于质量块的x方向，所述检测单元包括蓄热器、导线和磁电阻传感器，所述质量块位于衬底上方，所述蓄热器安装在质量块上且位于质量块底部，所述导线安装在蓄热器内，所述磁电阻传感器安装在衬底上且位于衬底上端。

优选的，所述的蓄热器与质量块连接处有一层隔热层，所述隔热层为隔热材料，本发明中的一个特例为tegesb。

优选的，所述的蓄热器的底部有一层保护层，所述保护层材料为一些陶瓷材料如金属的氧化物、氮化物、氮氧化物等，本发明中的一个特例为tiwn2。

优选的，所述的磁传感器是磁电阻传感器，所述磁电阻传感器的检测具有方向性。

优选的，所述的磁传感器为hall传感器、amr磁传感器、gmr磁传感器、tmr磁传感器或者是将hall传感器、amr磁传感器、gmr磁传感器、tmr磁传感器进行组合形成的传感器组。

优选的，所述的衬底的长度方向与质量块的长度方向平行，所述磁传感器的长度方向与衬底平行。

优选的，所述的导线中心与磁传感器的中心对齐

优选的，所述的驱动单元采用静电驱动的驱动方式。

本发明具有以下优点：

1、通过磁电阻传感器检测质量块在y方向的位移，测量准确，提高了角速度的精确性；

2、蓄热器隔绝了通电导线产生的焦耳热，避免了质量块形变、温漂及产生噪音。

附图说明

图1为mems陀螺仪的简化动力学模型图；

图2为mems陀螺仪内部简化图；

图3为mems陀螺仪的动作原理图；

图4为电容梳齿的电场分布图i；

图5为电容梳齿的电场分布图ii；

图6为本发明结构内部结构图；

图中，100-质量块，102-隔热层，104-蓄热器，106-衬底，108-保护层，112-导线，114-磁传感器。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定的发明的有益目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对根据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例，此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可有任何合适形式组合：

如图1所示为mems陀螺仪简化动力学模型，假设mems陀螺仪检测的是小角加速度，同时假设x和y方向没有角速度输入，z方向没有振动位移，那么此时的mems的工作模态可以分为连个独立的简谐振动即驱动和检测两个简谐振动模态，这两个模态均可以看做弹簧-质量块-阻尼系统在周期性外力作用下的振动行为，x方向为mems陀螺仪驱动振动方向，y方向为检测振动方向。

陀螺仪工作时，即在mems陀螺仪的x方向采用静电驱动的方式进行驱动，使得质量块在驱动力的作用下沿x方向做简谐振动，当系统在z方向有角速度ω输入时，如图3所示，质量块将在y方向受科里奥利力的作用，在y方向上，以电容检测方式进行检测，对检测电容梳进行通电，质量块在科里奥利力作用下，进行能量的转移，在y轴产生振动，质量块在y轴的振动使得质量块上的可动梳齿与固定梳齿发生交错，其中固定梳齿和活动梳齿之间的电容c主要由边缘效应产生的电容cf和活动梳齿与固定梳齿交错部分产生的电容cn，如图4和图5，其中cf与活动梳齿的位移无关，而cn与活动梳齿的位移成正比，因此一个活动梳齿上cn为其中h为梳齿厚度，d为梳齿间隙，x为梳齿重叠长度，根据静电力表达式可得fc＝静电力其中v表示带直流偏置的交流电压，通过即可求出角速度ω。

以往，由于mems陀螺仪的微米/纳米技术，检测电容梳在进行检测的时候会产生空气阻尼，使得检测结果存在误差，线性度差；其次是质量块是导电材料，那么质量块的导热性能也比较好，容易产生温漂，产生噪音。

在本发明中，提供了一种能够测量质量块100运动的磁传感结构，磁传感结构包括安装在质量块上的磁源和一个安装在衬底106的磁传感器114，磁源提供了围绕在磁传感器114周围的磁场，当磁源和质量块一起运动时，磁场因磁源的改变而变化，因此质量块的运动可通过磁场的变化计算出来。

更进一步地，质量块上的磁源由导线112组成，当导线112通电，通电导线会产生磁场，但此时的通电导线也会产生焦耳热，进而带来温漂，产生噪音，影响整个装置的性能，换言之，焦耳热的扩散使质量块带来额外的噪音，影响装置的性能。

因此本发明将导线112放入蓄热器104中来解决导线112通电产生焦耳热的问题，导线112放入蓄热器104，那么通电导线产生的焦耳热被封闭在蓄热器104内，且蓄热器104和质量块100之间有一层隔热层102，防止热量扩散进入质量块100，由于mems陀螺仪采用的是真空封装，那么产生的热辐射很少，可以忽略不计。

本发明的具体实施例中：给mems陀螺仪的振动单元的电容梳通带直流偏置的交流电压，质量块100在x方向做简谐振动，外部在z轴方向施加一个角速度ω时，对导线112进行通电，通电导线产生磁场，质量块100发生能量转移，沿y轴方向做简谐振动，由于安装在衬底106上的磁传感器114与质量块100沿y轴方向运动的方向垂直，根据磁传感器114检测方向具有方向性的特点，磁传感器114检测出质量块100在y轴方向的位移，通过检测到的质量块100在y轴方向的位移，进而得出质量块100在y轴方向的运动特性，求出角速度ω；但是导线112一旦通电，那么会产生焦耳热，经过时间的积累，会产生很大的热量，热量一旦传到质量块100内，会使得质量块100发生变形以及产生额外的噪音，因此将导线112安装在蓄热器104内，将导线112产生的热量封闭在蓄热器104内，且蓄热器104上部与质量块100下部之间的隔热层102对导线112产生的热量做了进一步的隔离，使得通过该mems陀螺仪检测得到的角速度更加精准。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。