一種MEMS陀螺儀及其製造工藝的製作方法
2023-06-17 23:31:47 2
本發明涉及一種MEMS傳感器，特別是一種MEMS陀螺儀。
背景技術：
陀螺儀可以檢測物體旋轉的角度和方向，並且已經運用於諸多領域，如輪船、飛機等。而在微電子機械系統(MEMS)技術不斷進步的情況下，許多微米級的小型陀螺儀將被商業化廣泛應用於汽車、機器人、手機、行動裝置等領域。
與傳統的陀螺儀不同，MEMS陀螺儀並沒有旋轉部件，也不需要軸承。MEMS的陀螺儀採用了振動物體傳感角速度的概念。利用振動來誘導和探測科氏力。例如公開號為CN201780110的中國實用新型專利申請，其利用驅動器對多個質量塊以X方向進行加速，當陀螺儀在Z軸上發生角速度為Ω的旋轉時，質量塊會根據以下公式在Y方向產生科氏力Fcori。陀螺儀對Y方向的科氏力進行檢測，從而可以計算出旋轉角速度Ω。
Fcori＝2mΩv
其中，m為質量塊的質量，而v則為速度。
從上述公式可以得出，為了得到更大的科氏力，則需要增加質量塊的質量m。進而在MEMS傳感器領域，質量塊的質量大小會直接影響到傳感器的檢測靈敏度和精度。
現有的MEMS陀螺儀的檢測梳齒結構包括設置在質量塊上的動齒，以及設置在框架或者錨點上的定齒，並通過檢測動齒與定齒之間的間距或重疊面積變化所帶來的電容變化來計算角速度。例如CN201780110專利中寫道：「第一定齒和第一動齒之間加上靜電力就可以驅動質量塊沿X方向往復運動，當陀螺儀厚度方向有角速度輸入時，在Y方向就會出現科氏力，迫使質量塊沿Y方向運動，導致陀螺檢測梳齒的第二定齒和第二動齒之間間距改變。」
然而，為了增加MEMS陀螺儀的靈敏度，則需要提高陀螺儀的整體電容變化量。也就進一步需要在質量塊上設置更多的定齒和動齒的檢測結構。技術人員則需要作出一定的選擇，要麼犧牲質量塊的體積，降低了整個MEMS陀螺儀的靈敏度和精度。或者將整個MEMS陀螺儀的尺寸做大，但這樣一來在一塊矽片上能夠製造出的MEMS陀螺儀數量則會減少，進而增加了MEMS陀螺儀的製造成本。另一方面，梳齒結構的製造比較複雜，對製造精度的要求較高。設置多組梳齒結構會使得製造成本大大上升。
此外，傳統的MEMS陀螺儀中，驅動和檢測均施加在同一塊質量塊上，進而相對於定齒來說，質量塊上的動齒會在X和Y兩個方向上均產生位移。而根據電容變化公式：
即兩片平行的導電片之間的電容量等於介電係數乘以正對面積除以垂直間距。在X方向上施加的驅動信號會導致動齒在X方向上的位移，也會改變動齒和定齒之間的電容變化。對檢測結果產生串擾。為此，檢測出的電容變化結果並不能直接反應角速度的大小。技術人員還需要在電路端把X方向和Y方向的檢測結果隔離開，才能夠得到準確的角速度。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在於克服上述現有技術之不足，提供一種具有較高的靈敏度，並且檢測誤差小，性能穩定的MEMS陀螺儀。
一種MEMS陀螺儀，包括上蓋板、測量體以及下蓋板，所述測量體設置於所述上蓋板及下蓋板之間，所述測量體中設置有與所述上蓋板以及下蓋板相連接的錨點；所述測量體包括相互對稱設置的質量塊組；其特徵在於：每組質量塊組包括：驅動質量塊、傳動質量塊以及檢測質量塊；所述驅動質量塊通過連接梁與所述錨點相連接；所述驅動質量塊設置在所述傳動質量塊中；所述傳動質量塊通過連接梁與所述檢測質量塊相連接；每組所述質量塊組中的所述驅動質量塊與所述錨點之間形成有驅動梳齒結構；一組所述質量塊組中的檢測質量塊相連接的檢測梳齒與另一組與所述質量塊組中的檢測質量塊相連接的檢測梳齒相互交叉，形成所述檢測梳齒結構；所述測量體通過檢測兩組所述檢測梳齒之間的間距變化引起的電容值變化來檢測角速度。
本發明中的陀螺儀還具有以下附屬特徵：
所述質量塊組通過耦合梁相連接，所述耦合梁的一端與所述錨點相連接。
所述第一梳齒結構分別向兩組所述質量塊組中的所述驅動質量塊施加同頻率同幅度反方向的驅動信號。
所述驅動信號為正弦波，所述信號頻率在3000赫茲至10000赫茲之間。
所述驅動質量塊、傳動質量塊以及檢測質量塊的位移方向在同一平面中。
所述驅動質量塊的位移方向被所述連接梁限制在一個維度中；所述檢測質量塊的位移方向被所述連接梁限制在另一個維度中；所述驅動質量塊的位移方向與所述檢測質量塊的位移方向相垂直。
所述連接梁由多個工字型摺疊梁組成。
所述檢測質量塊中形成有二氧化矽層；所述二氧化矽層將所述檢測質量塊間隔成多個檢測區域和反饋區域。
所述上蓋板與所述下蓋板由矽或玻璃製成。一種MEMS陀螺儀，包括上蓋板、測量體以及下蓋板，所述測量體設置於所述上蓋板及下蓋板之間，所述測量體中設置有與所述上蓋板以及下蓋板相連接的錨點；所述測量體包括相互對稱設置的質量塊組；其特徵在於：每組質量塊組包括：驅動質量塊、傳動質量塊以及檢測質量塊；所述驅動質量塊以及所述檢測質量塊通過連接梁與所述錨點相連接；所述傳動質量塊通過連接梁分別與所述驅動質量塊以及所述檢測質量塊相連接；每組所述質量塊組中的所述檢測質量塊與所述錨點之間形成有檢測梳齒結構；一組質量塊組中的所述驅動質量塊與另一組質量塊組中的所述驅動質量塊之間形成有驅動梳齒結構。
所述驅動質量塊、傳動質量塊以及檢測質量塊的位移方向在同一平面中。
所述驅動質量塊的位移方向被所述連接梁限制在一個維度中；所述檢測質量塊的位移方向被所述連接梁限制在另一個維度中；所述驅動質量塊的位移方向與所述檢測質量塊的位移方向相垂直。
一種MEMS陀螺儀的製造工藝，所述製造工藝包括以下步驟：
第一步，通過光刻以及刻蝕，在絕緣體上矽片的底面上刻蝕出多個深至氧化埋層的槽；
第二步，利用高溫生長或者化學澱積法，在所述槽以及所述絕緣體上矽片的底面上形成二氧化矽層；
第三步，通過光刻以及刻蝕，在所述絕緣體上矽片的底面的二氧化矽層上刻蝕出多個深至下矽層的槽；
第四步，在所述槽中澱積金屬，形成電極；
第五步，通過光刻以及刻蝕，在所述二氧化矽層上刻蝕出圖形；
第六步，在所述絕緣體上矽片的底面塗覆光刻膠，並利用光刻以及深度刻蝕，對所述圖形進行進一步刻蝕至氧化埋層；形成質量塊組、連接梁以及梳齒結構；
第七步，將所述絕緣體上矽片的底面與製作好的下蓋板進行鍵合；
第八步，將所述絕緣體上矽片的上矽層去除；
第九步，將所述絕緣體上矽片的氧化埋層去除，形成自由活動的質量塊組；
第十步，將所述絕緣體上矽片的頂面與製作好的上蓋板進行鍵合，形成完整的陀螺儀。
對於所述上蓋板以及所述下蓋板的加工步驟包括：利用光刻和刻蝕在所述上蓋板及所述下蓋板的表面形成凹槽。
對於所述下蓋板的加工步驟還包括：利用高溫生長或者化學澱積法，在所述下蓋板的表面形成二氧化矽層。
所述刻蝕的方法為以下方法中的一種或多種方法：幹法刻蝕或溼法刻蝕，所述幹法刻蝕包括：矽的深度反應離子、反應離子、以及氣態的二氟化氙刻蝕和氧化矽的反應離子、等離子、以及氣態的氟化氫刻蝕。
用於溼法刻蝕所述上矽層及下矽層的刻蝕劑為以下刻蝕劑中的一種或多種的組合：氫氧化鉀、四甲基氫氧化銨、或乙二胺鄰苯二酚腐蝕液。
所述用於溼法刻蝕所述二氧化矽層的刻蝕劑為以下刻蝕劑中的一種或多種的組合：氫氟酸以及緩衝氫氟酸。
相對於傳統的陀螺儀，本發明的技術方案具有以下優點：首先，在傳統陀螺儀的梳齒檢測結構中，均採用的是檢測連接在質量塊上的動齒以及連接在框架或錨點上的定齒之間間距或者重疊面積所帶來的電容變化。而本發明的檢測採用的是通過兩組不同質量塊上的動齒來進行檢測。兩組動齒的方案的輸出結果直接是動齒和定齒方案的兩倍。而且本發明中質量塊組的整體質量較大，也增加了本陀螺儀的檢測靈敏度和精度。另外，本發明對兩個質量塊分別施加一個同幅度、同頻率卻方向相反的振動，並且對兩個質量塊通過差分的方式檢測角速度，對外界的共模幹擾有相同的響應結果，有效地抑制了共模幹擾，減少了檢測方向上因線性加速度而產生的誤差。進而提高了陀螺儀的整體檢測靈敏度。另一方面，通過兩組動齒的方案也節約了面積，該面積進而可以用於增加質量塊的面積來增加質量塊的靈敏度。再次，本發明將驅動質量塊和檢測質量塊分離開，並且驅動質量塊和檢測質量塊的位移方向相互垂直；進一步減少了驅動信號和檢測信號之間的串擾以及誤差。
附圖說明
圖1為陀螺儀的側視圖。
圖2為陀螺儀中測量體的俯視圖。
圖3為圖2中方框A的放大示意圖。
圖4為陀螺儀中在第二實施例中測量體的俯視圖。
圖5為為圖4中方框A的放大示意圖。
圖6為陀螺儀晶片製造工藝的初始狀態以及第一步的示意圖。
圖7為陀螺儀晶片製造工藝的第二步、第三步示意圖。
圖8為陀螺儀晶片製造工藝的第四步、第五步示意圖。
圖9為陀螺儀晶片製造工藝的第六步、第七步示意圖。
圖10為陀螺儀晶片製造工藝的第八步示意圖。
圖11為陀螺儀晶片製造工藝的第九步示意圖。
圖12為陀螺儀晶片製造工藝的第十步、第十一步示意圖。
圖13為陀螺儀晶片製造工藝的第十二步示意圖。
上蓋板1、測量體2、下蓋板3、二氧化矽層4、二氧化矽間隔層41、上矽層5、下矽層6、金屬電極7、錨點21、耦合梁22、驅動質量塊241、傳動質量塊242、檢測質量塊243、動齒251、定齒252
具體實施方式
下面將結合實施例以及附圖對本發明加以詳細說明，需要指出的是，所描述的實施例僅旨在便於對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。
參照圖1，按照本發明提供的一種MEMS陀螺儀，包括相互連接的上蓋板1、測量體2、以及下蓋板3。
圖2為本MEMS陀螺儀的測量體2的俯視圖，其中，測量體2包括：錨點21，錨點21在圖中通過交叉陰影來表示。所述錨點21與上蓋板1和下蓋板2相連接。耦合梁22通過連接梁與錨點21相連接。此外，耦合梁22兩端還分別連接有兩組相互對稱的質量塊組。每組質量塊組包括：驅動質量塊241，傳動質量塊242以及檢測質量塊243。其中，驅動質量塊241和檢測質量塊243分別通過連接梁與錨點21相連接。傳動質量塊242通過連接梁分別和驅動質量塊241以及檢測質量塊243相連接。
實施例1
參照圖1至3，驅動質量塊241通過連接梁23A與錨點相連接。檢測質量塊243通過連接梁23C與錨點21和耦合梁22相連接。由於連接梁23A的布局，驅動質量塊241的活動方向僅限於在X軸方向上的左右移動。同理，連接梁23C將檢測質量塊243的活動方向僅限於在Y軸方向上的上下移動。傳動質量塊242通過連接梁23B分別與驅動質量塊241和檢測質量塊243相連接。由於連接梁23B為工字梁，傳動質量塊242可以在X、Y平面中自由移動。
參照圖3,，驅動質量塊241與錨點21之間形成有一組梳齒結構。該梳齒結構包括設置在驅動質量塊241上的動齒251以及設置在錨點21上的定齒252。在檢測質量塊243上同樣形成有一組動齒251,一組檢測質量塊243上的動齒251與對稱設置的另一組檢測質量塊243上的動齒251交叉形成梳齒結構。
參照圖2及圖3，陀螺儀的驅動電路會分別在兩組驅動質量塊241和錨點21之間的梳齒結構上施加一個同頻率同幅度但是極性相反的驅動電信號。以至於兩組驅動質量塊241會朝著相反的方向同時來回振動。而連接梁23A會將驅動質量塊241的振動方向限制在X軸方向中。當沒有角速度時，驅動質量塊241在X軸上的左右位移也會通過連接梁23B傳輸給傳動質量塊242，使得傳動質量塊242也沿著X軸方向左右移動。與此同時，由於連接梁23C對檢測質量塊243的限制，檢測質量塊243在X軸方向上是處於靜止狀態的。但當在Z軸上出現角速度時，傳動質量塊242會產生一個Y軸方向上的加速度。而傳動質量塊242在Y軸上的位移也會通過連接梁23B傳輸到檢測質量塊243上，進而引發檢測質量塊243在Y軸方向上的位移。由於兩組驅動質量塊241在X方向上的位移方向是相反的，則根據左手定律，兩組檢測質量塊243在Y方向上也會是向相反方向移動，進而使得檢測質量塊243上的兩組動齒251之間的間隔距離產生變化。與此同時，根據兩塊金屬片之間的電容公式
即兩片平行的導電片之間的電容量等於介電係數乘以正對面積除以垂直間距。而通過檢測兩組動齒251間距變化所帶來的電容變化則可以計算出角速度。
參照圖2及圖3，優選地，在檢測質量塊243中還形成有二氧化矽間隔層41。二氧化矽間隔層41在圖中由斜線陰影表示。而二氧化矽間隔層41將檢測質量塊243分隔成多個區域。其中包括檢測區域和反饋區域。從而在檢測質量塊243上分隔出多個電位。檢測區域和反饋區域通過四組不同的電極引線7連接。在圖2以及圖3中，電極引線7由黑色實線表示。相對於傳統MEMS陀螺儀在定齒上來分隔電位的技術方案來說，本方案直接在兩組動齒251上分隔出了不同的電位，方便控制和測量。
相對於傳統的動齒和定齒的陀螺儀，本實施例中通過兩組相反位移的動齒251來檢測角速度。其輸出信號是傳統陀螺儀輸出信號的兩倍。增加了陀螺儀的靈敏度。但陀螺儀的整體體積又遠遠小於傳統的動齒加定齒的方案。技術人員可以根據具體的需要，選擇性地增加質量塊組的體積來增加陀螺儀的檢測靈敏度和精度。也可以因為整體體積的縮小，在一塊矽片上增加了MEMS陀螺儀的數量，減少了製造的成本。而由於本實施例採用了反向驅動以及差分檢測的方式，兩組檢測質量塊243在檢測角速度時會產生一上一下相反方向的位移，進而產生電容變化。而對於外界施加在陀螺儀上的加速度，兩組檢測質量塊243都會朝一個方向產生位移，兩組檢測質量塊243上動齒251之間的電容變化很小。進而線性加速度對本發明中檢測信號的幹擾極小。
此外，由於驅動質量塊241的位移被限制在X方向上，而檢測質量塊243的位移被限制在Y方向上，並且兩者之間通過傳動質量塊242進行傳動。驅動信號對檢測結果的影響也非常的小。
本實施例中所施加在驅動質量塊241上的電信號為正弦波，其頻率在3000-10000赫茲之間，並且帶有5伏的直流偏置。但其他波形的信號，例如方波、鋸齒波等信號也可施加在驅動質量塊241上。
實施例2
參照圖4至5，在本發明的另一種實施例中，驅動質量塊241通過連接梁23A與錨點21相連接。而連接梁23A將驅動質量塊241的位移方向限制在Y軸方向上。同理，檢測質量塊243通過連接梁23C與錨點21相連接，連接梁23C將檢測質量塊243的位移方向限制在X軸方向上。而傳動質量塊242通過連接梁23B分別與驅動質量塊241和檢測質量塊243相連接。
參照圖4和5，驅動質量塊241上形成有一組動齒251。兩組驅動質量塊241上的動齒251交叉形成了梳齒結構。陀螺儀的驅動電路會向驅動質量塊241施加一個驅動信號。該信號可以是正弦波、方波、三角波等。從而使得兩組驅動質量塊241分別朝相反方向一上一下地振動。驅動質量塊241的位移會帶動傳動質量塊242在Y軸上的位移。但如果出現角速度時，根據左手定律，傳動質量塊242會產生一個X方向上的位移。該位移會傳輸到檢測質量塊243上，並帶動檢測質量塊243在X方向上移動。而檢測質量塊243與錨點21之間形成有梳齒結構。檢測質量塊243的位移會使得檢測質量塊243上的動齒251與錨點21上的定齒252之間的重疊面積的變化。與此同時，根據兩塊金屬片之間的電容公式
即兩片平行的導電片之間的電容量等於介電係數乘以正對面積除以垂直間距。通過檢測動齒251與定齒252重疊面積變化所帶來的電容變化可以進一步計算出角速度。
本實施例中所施加在驅動質量塊241上的電信號為正弦波，其頻率在3000-10000赫茲之間，並且帶有5伏的直流偏置。但其他波形的信號，例如方波、鋸齒波等信號也可施加在驅動質量塊241上。
接下來，參照圖6至圖13對本陀螺儀的製造工藝進行進一步的描述。其中，本陀螺儀的測量體2採用了絕緣體上矽(SOI)結構，其包括上矽層5，下矽層6以及設置在上矽層5和下矽層6之間的二氧化矽層4。其中，二氧化矽層4也可被稱為氧化埋層。其具體的加工步驟包括：
第一步，在所述絕緣體上矽矽晶圓片的底面上塗覆光刻膠，之後按照特定圖案對所述底面進行曝光，並用顯影劑將已曝光的光刻膠去除，及將未經曝光的光刻膠烘烤。這樣被曝光的圖案就會顯現出來。利用深度反應離子刻蝕、或氫氧化鉀、或四甲基氫氧化氨、或乙二胺磷苯二酚在下矽層6上刻蝕出多個深至二氧化矽層4的槽。
第二步，通過高溫生長，或者等離子體化學汽相澱積(PECVD)的方法在所述下矽層6的槽中生長或者澱積一層二氧化矽4。
第三步，通過高溫生長，或者等離子體化學汽相澱積(PECVD)的方法在所述絕緣體上矽矽晶圓片的底面生長或澱積一層二氧化矽層4。
第四步，在所述絕緣體上矽矽晶圓片的底面上塗覆光刻膠，之後按照特定圖案對所述底面進行曝光，並用顯影劑將已曝光的光刻膠去除，及將未經曝光的光刻膠烘烤。這樣被曝光的圖案就會顯現出來。再用反應離子或等離子幹法刻蝕、或氫氟酸腐蝕、對底面的二氧化矽層4進行刻蝕，形成深至下矽層6的槽。
第五步，在所述二氧化矽層4的槽中澱積金屬，引出金屬電極7。所述金屬電極7引致外部錨點，並通過二氧化矽層4進行絕緣。
第六步，在所述絕緣體上矽矽晶圓片的底面上塗覆光刻膠，之後按照特定圖案對所述底面進行曝光，並用顯影劑將已曝光的光刻膠去除，及將未經曝光的光刻膠烘烤。這樣被曝光的圖案就會顯現出來。再用反應離子或等離子幹法刻蝕、或氫氟酸腐蝕，對底面的二氧化矽層4進行刻蝕，暴露出下矽層6並形成圖形。
第七步，利用深度反應離子刻蝕、或氫氧化鉀、或四甲基氫氧化氨、或乙二胺磷苯二酚對暴露在外的下矽層6進一步刻蝕至氧化埋層8，從而形成測量體2中的各個部件。
第八步，使用陽極鍵合或者金屬熱壓鍵合，將所述絕緣體上矽矽晶圓片的底面與預先刻蝕出凹槽的下蓋板3鍵合在一起。
第九步，通過高溫生長，或者等離子體化學汽相澱積(PECVD)的方法在下蓋板上生長或者澱積一層二氧化矽層4。
第十步，利用深度反應離子刻蝕、或氫氧化鉀、或四甲基氫氧化氨、或乙二胺磷苯二酚將上矽層5去除。
第十一步，利用再用反應離子或等離子幹法刻蝕或氫氟酸腐蝕，將氧化埋層4去除，形成自由活動的測量體2部件。
第十二步，使用陽極鍵合或者金屬熱壓鍵合，將所述絕緣體上矽矽晶圓片的底面與預先刻蝕出凹槽的上蓋板1鍵合在一起。
此外，本發明中的上蓋板1和下蓋板3也可以由玻璃製成。使用玻璃製作蓋板的優點在於：矽-玻璃鍵合溫度低，不會影響之前的金屬電極及引線。當上蓋板1和下蓋板3由玻璃製成時，上述製造工藝步驟中的第八步以及第十二步則會採用矽-玻璃鍵合，將所述絕緣體上矽矽晶圓片與所述上蓋板1和下蓋板3相鍵合。另外，則不再需要執行上述製造工藝中的第九步。
本發明中所述的深度刻蝕及所述刻蝕的方法為以下方法中的一種或多種方法：幹法刻蝕或溼法刻蝕，所述幹法刻蝕包括：矽的深度反應離子刻蝕及反應離子刻蝕。
本發明中的上述方法中所用的材料、設備、工藝均採用現有技術，但通過利用這些材料及工藝，尤其是利用了SOI矽片所製造出的MEMS陀螺儀，發生了質的變化。首先，通過採用反方向驅動的兩個質量塊，並且利用差分進行檢測的方式，不單單因為增加了質量塊的質量而增加了檢測靈敏度；而且通過兩組動齒的檢測方式所得到的輸出信號直接是傳統陀螺儀的兩倍。進而增加了本陀螺儀的檢測靈敏度和精度。而且將驅動質量塊241和檢測質量塊243的位移方向進行限制，使得兩個方向相互垂直也減少了驅動信號和檢測信號之間的串擾。而在檢測質量塊243上利用二氧化矽層4分隔出多個區域，一方面防止了各個區域之間的串擾，另一方面通過增加力反饋區域也達到了高線性度的閉環控制。提高了陀螺儀的精度。由於本發明採用兩組動齒的檢測方式，其節省了設置定齒的空間。技術人員也可以根據其具體需要進一步選擇增加質量塊體積來提高靈敏度，或者增加製造數量來降低整體的製造成本。而且由於刻蝕工藝和矽的鍵合工藝較為簡單，也使得本產品的生產效率極高、成本也較低。為此本工藝所製造的MEMS陀螺儀具有靈敏度高、誤差小、成本低等優點。
最後應當說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對本發明保護範圍的限制，儘管參照較佳實施例對本發明作了詳細地說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的實質和範圍。