專利名稱：Mems陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，簡稱 MEMS)，特別是涉及一種MEMS陀螺儀。
背景技術(shù)：
隨著MEMS技術(shù)的日益發(fā)展，MEMS慣性傳感器(包括加速度計和陀螺儀)的性能 指標越來越高，以其尺寸小、價格便宜的優(yōu)勢在汽車、工業(yè)、醫(yī)療以及消費電子產(chǎn)品等各個 行業(yè)都得到了廣泛的應用。在MEMS陀螺儀中，振動式硅微機械陀螺儀是最常見的一種陀螺儀，這種陀螺儀利 用哥氏效應檢測角速度的大小，其基本工作原理是首先使檢測質(zhì)量塊沿驅(qū)動方向做線振 動或角振動，進入驅(qū)動模態(tài)；當沿敏感軸方向有角速度輸入時，在檢測軸方向就會出現(xiàn)哥氏 力，迫使檢測質(zhì)量塊沿檢測方向有位移產(chǎn)生。哥氏力的大小和輸入角速度成正比關(guān)系，因此 通過檢查哥氏力引起的位移變化量就可以直接得到輸入角速度的信息。從以上MEMS慣性傳感器的原理可以看出，目前制約MEMS陀螺儀性能提高的因素 主要有兩個方面一是模態(tài)頻率匹配的問題，振動式陀螺要求驅(qū)動和檢測模態(tài)的諧振頻率 匹配來提高靈敏度，但常規(guī)設(shè)計的陀螺儀由于彈簧梁的彈性系數(shù)差異、工藝偏差、應力、環(huán) 境溫度和氣壓的變化等都會導致諧振頻率漂移。二是模態(tài)耦合問題，MEMS陀螺儀驅(qū)動模態(tài) 和檢測模態(tài)之間的耦合會帶來正交誤差，而正交誤差信號會混入角速度信號引起的有用振 動信號中，從而增加了陀螺儀的噪音，降低了陀螺儀的性能。為了解決以上兩個問題，人們 進行了各種方法的嘗試，但是都沒有突破性技術(shù)。同時，目前大多數(shù)公司都使用多晶硅作為MEMS陀螺器件的材料，由于其制造工藝 的局限，用多晶硅很難制造高性能的MEMS陀螺儀。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種MEMS陀螺 儀，其采用了全對稱的方法設(shè)計質(zhì)量塊，在質(zhì)量塊的周圍設(shè)計了特殊柔性彈簧梁，在工藝上 采用SOKSilicon-On-Insulator，絕緣襯底上的硅)技術(shù)增大了質(zhì)量塊的質(zhì)量，從而優(yōu)化 了器件性能。本實用新型是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的一種MEMS陀螺儀，其特 征在于，其包括定子和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子包括單晶硅質(zhì)量塊、十六個對稱折疊梁彈簧和四組可動梳 齒，十六個對稱折疊梁彈簧位于單晶硅質(zhì)量塊的周圍且與單晶硅質(zhì)量塊相連，四組可動梳 齒分布在轉(zhuǎn)子的四周；定子包括四組固定式梳齒，四組固定式梳齒與轉(zhuǎn)子上的四組可動梳 齒交叉并形成電容器。優(yōu)選地，所述定子還包括四個錨柱，四個錨柱分布在單晶硅質(zhì)量塊的四個角上，定 子固定在一硅基板上，轉(zhuǎn)子的單晶硅質(zhì)量塊、對稱折疊梁彈簧和可動梳齒懸在硅基板上。優(yōu)選地，所述單晶硅質(zhì)量塊的圖形是中心對稱圖形。[0010]優(yōu)選地，所述單晶硅質(zhì)量塊的圖形是正方形、八邊形和圓形中的一種，或者是正方 形、八邊形和圓形的組合。優(yōu)選地，所述十六個對稱折疊梁彈簧為蛇形彈簧折疊結(jié)構(gòu)并且中心對稱。優(yōu)選地，所述四組可動梳齒分為兩組驅(qū)動梳齒和兩組檢測梳齒，驅(qū)動梳齒與檢測 梳齒垂直。優(yōu)選地，所述MEMS陀螺儀為一種MEMS慣性傳感器，整體結(jié)構(gòu)是關(guān)于中心點對稱 的。本實用新型的積極進步效果在于本實用新型通過SOI圓片技術(shù)，在保持傳感器 尺寸的情況下增大了質(zhì)量塊本身的質(zhì)量，通過中心對稱的轉(zhuǎn)子以及折疊彈簧連接結(jié)構(gòu)消除 了模態(tài)耦合，并且使得驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)頻率匹配。本實用新型的陀螺儀具有靈敏度高， 噪音低的優(yōu)點。同時，該陀螺儀的尺寸小，加工簡單，成本低。另外，本實用新型通過對稱折 疊梁彈簧結(jié)構(gòu)有效解耦，同時單晶硅質(zhì)量塊關(guān)于中心對稱，可使整個結(jié)構(gòu)達到在驅(qū)動和感 應方向有相匹配的諧振頻率，在驅(qū)動方向有大諧振位移，感應模式下有高品質(zhì)因子，以及低 機械串擾，從而達到高靈敏度和低噪音的目標。

圖1為本實用新型MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型質(zhì)量塊帶釋放孔的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實用新型中部對稱折疊梁彈簧的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本實用新型驅(qū)動方向和檢測方向的對稱折疊梁彈簧的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖給出本實用新型較佳實施例，以詳細說明本實用新型的技術(shù)方案。本實用新型MEMS陀螺儀是在SOI圓片上通過光刻、刻蝕等工藝加工得到的，具體 是提供一晶圓，該晶圓為SOI晶圓，通過光刻、刻蝕等工藝在SOI晶圓上生成MEMS陀螺儀的 定子、轉(zhuǎn)子等部分；SOI晶圓的絕緣層上硅的厚度可調(diào)，從數(shù)微米到數(shù)百微米不等。陀螺儀 的定子和轉(zhuǎn)子部分結(jié)構(gòu)尺寸可根據(jù)實際需要進行優(yōu)化，最終使得整個結(jié)構(gòu)達到在驅(qū)動和感 應方向有一匹配諧振頻率，在驅(qū)動方向有大諧振位移，感應模式有高品質(zhì)因子，以及低機械 串擾，從而達到高靈敏度和低噪音的目標。如圖1所示，其中X和Y分別是指陀螺儀驅(qū)動方向和感應檢測方向，陀螺儀的轉(zhuǎn)子 包括單晶硅質(zhì)量塊1、十六個對稱折疊梁彈簧和四組可動梳齒，定子包括四個錨柱2，單晶 硅質(zhì)量塊1的圖形是中心對稱圖形，可以為正方形，八邊形，圓形等，也可以為正方形，八邊 形，圓形等形狀的組合，單晶硅質(zhì)量塊1可以沿X方向運動，也可以沿Y方向運動。十六個對 稱折疊梁彈簧位于單晶硅質(zhì)量塊的周圍且與單晶硅質(zhì)量塊相連，對稱折疊梁彈簧為蛇形彈 簧折疊結(jié)構(gòu)，并且中心對稱，折疊數(shù)目可為一個或者數(shù)個，數(shù)十個，根據(jù)需要可以調(diào)整；如圖 2所示，單晶硅質(zhì)量塊1被均勻刻出復數(shù)個五微米乘五微米的釋放孔11，釋放孔11用于犧 牲層釋放工藝的最佳化，即用于制備懸浮結(jié)構(gòu)時釋放犧牲層；錨柱2分布在單晶硅質(zhì)量塊 1的四個角上；十六個對稱折疊梁彈簧包括四個驅(qū)動方向的對稱折疊梁彈簧4、四個檢測方 向的對稱折疊梁彈簧6和八個中部對稱折疊梁彈簧7，如圖3所示，八個中部對稱折疊梁彈
4簧為中部連接彈簧且有相同的尺寸和結(jié)構(gòu)，并且沿中間梁對稱，每根折疊梁都是三微米寬， 任何兩個相鄰折疊梁間距是十微米；如圖4所示，驅(qū)動方向的對稱折疊梁彈簧4和檢測方 向的對稱折疊梁彈簧6的結(jié)構(gòu)、尺寸相同并且沿中線對稱，這些折疊梁彈簧被固定在錨柱2 上，任何兩個相鄰折疊梁彈簧之間的間距是13. 6微米。四組可動梳齒分布在轉(zhuǎn)子的四周， 其中兩組可動梳齒為驅(qū)動梳齒，另外兩組可動梳齒為檢測梳齒，驅(qū)動梳齒與檢測梳齒垂直， 驅(qū)動梳齒包括第一定齒3a和第一動齒3b，在第一定齒3a和第一動齒3b之間加上靜電力 就可以驅(qū)動質(zhì)量塊沿X方向往復運動，檢測梳齒包括第二定齒5a和第二動齒5b，當陀螺儀 厚度方向有角速度輸入時，在Y方向就會出現(xiàn)哥氏力，迫使質(zhì)量塊沿Y方向運動，導致陀螺 檢測梳齒的第二定齒5a和第二動齒5b之間間距改變，這種間距改變所帶來的差分電容變 化可通過外部電路檢測并最終得到角速度值。其中驅(qū)動梳齒運動方式為滑膜阻尼方式，檢 測梳齒運動方式為壓膜阻尼方式。八個中部對稱折疊梁彈簧7將質(zhì)量塊1連接在第一動齒 3b和第二動齒5b上。傳導彈簧末端固定在四個錨柱上，轉(zhuǎn)子的其它部分懸在硅基板上。陀螺儀的定子固定在硅基板上，定子包括四組固定式梳齒，它們與轉(zhuǎn)子上的四組 可動梳齒交叉并形成電容器。本實用新型MEMS陀螺儀為一種MEMS慣性傳感器，整體結(jié)構(gòu)是關(guān)于中心點對稱的， 其厚度約為二十五微米。雖然以上描述了本實用新型的具體實施方式
，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應當理解， 這些僅是舉例說明，在不背離本實用新型的原理和實質(zhì)的前提下，可以對這些實施方式做 出多種變更或修改。因此，本實用新型的保護范圍由所附權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求1.一種MEMS陀螺儀，其特征在于，其包括定子和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子包括單晶硅質(zhì)量塊、十六個 對稱折疊梁彈簧和四組可動梳齒，十六個對稱折疊梁彈簧位于單晶硅質(zhì)量塊的周圍且與單 晶硅質(zhì)量塊相連，四組可動梳齒分布在轉(zhuǎn)子的四周；定子包括四組固定式梳齒，四組固定式 梳齒與轉(zhuǎn)子上的四組可動梳齒交叉并形成電容器。
2.如權(quán)利要求1所述的MEMS陀螺儀，其特征在于，所述定子還包括四個錨柱，四個錨柱 分布在單晶硅質(zhì)量塊的四個角上，錨柱和定子固定在一硅基板上，轉(zhuǎn)子的單晶硅質(zhì)量塊、對 稱折疊梁彈簧和可動梳齒懸在硅基板上。
3.如權(quán)利要求1所述的MEMS陀螺儀，其特征在于，所述單晶硅質(zhì)量塊的圖形是中心對 稱圖形。
4.如權(quán)利要求3所述的MEMS陀螺儀，其特征在于，所述單晶硅質(zhì)量塊的圖形是正方形、 八邊形和圓形中的一種，或者是正方形、八邊形和圓形的組合。
5.如權(quán)利要求1所述的MEMS陀螺儀，其特征在于，所述十六個對稱折疊梁彈簧為蛇形 彈簧折疊結(jié)構(gòu)并且中心對稱。
6.如權(quán)利要求1所述的MEMS陀螺儀，其特征在于，所述四組可動梳齒分為兩組驅(qū)動梳 齒和兩組檢測梳齒，驅(qū)動梳齒與檢測梳齒垂直。
7.如權(quán)利要求1所述的MEMS陀螺儀，其特征在于，所述MEMS陀螺儀為一種MEMS慣性 傳感器，整體結(jié)構(gòu)是關(guān)于中心點對稱的。
專利摘要本實用新型公開了一種MEMS陀螺儀，其包括定子和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子包括單晶硅質(zhì)量塊、十六個對稱折疊梁彈簧和四組可動梳齒，十六個對稱折疊梁彈簧位于單晶硅質(zhì)量塊的周圍且與單晶硅質(zhì)量塊相連，四組可動梳齒分布在轉(zhuǎn)子的四周；定子包括四組固定式梳齒，四組固定式梳齒與轉(zhuǎn)子上的四組可動梳齒交叉并形成電容器。本實用新型陀螺儀通過對稱折疊梁彈簧結(jié)構(gòu)有效解耦，同時單晶硅質(zhì)量塊關(guān)于中心對稱，可使整個結(jié)構(gòu)達到在驅(qū)動和感應方向有相匹配的諧振頻率，在驅(qū)動方向有大諧振位移，感應模式下有高品質(zhì)因子，以及低機械串擾，從而達到高靈敏度和低噪音的目標。
文檔編號B81B7/02GK201780110SQ20092007430
公開日2011年3月30日 申請日期2009年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月21日
發(fā)明者鄒波 申請人:深迪半導體(上海)有限公司