[发明专利]MEMS陀螺仪及其芯片级温控方法和加工方法

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统领域(MEMS)，尤其涉及一种MEMS陀螺仪及其芯片级温控方法和加工方法。

背景技术

MEMS陀螺仪是一种典型的测量物体转动角速度的惯性传感器。随着MEMS陀螺仪精度的不断提高，由温度变化引起的误差已经成为MEMS陀螺仪的主要误差之一。因为温度的变化会导致MEMS陀螺仪的材料属性、尺寸大小和品质因数等的改变，这些改变都会使MEMS陀螺仪的性能急剧下降。因此，校正MEMS陀螺仪的温度误差对于提高MEMS陀螺仪性能有着很重要的意义。

MEMS陀螺仪温度误差的补偿和校正方法较多，目前常用的有三种：第一种是通过改进MEMS陀螺仪的结构来消除或抑制温度误差。2003年美国加州大学微系统实验室的Cenk Acar和Andrei M.Shkel提出了一种分布质量式硅微陀螺仪，此结构将多个驱动模态以一定频率间隔分布，增加了驱动模态的带宽，从而极大地降低了微陀螺仪的机械增益对两模态频差的灵敏度，即增强了机械增益对温度的抗干扰能力，但其结构和工艺复杂，成本较高，且结构改进需要明确温度误差的模型或机理，因此实际设计的结构仅能消除已知的某一项或几项温度误差。

第二种方法是通过硬件电路或软件算法进行温度误差补偿。清华大学的陈怀、张嵘等提出了一种利用驱动模态的相位作为温度传感器的新型补偿算法，利用二次曲线拟合对输出零偏信号进行校正，则经温度补偿后陀螺仪的温度漂移减小到补偿前的5％。美国德克萨斯A&M大学Don G.Kim利用模糊逻辑算法校正微陀螺仪非线性的温度偏置和漂移，取得了较好的效果。但是该方式需要以大量的实验数据为基础，对这些数据的模型辨识和温度误差的实时补偿难度较大，且要求硅微陀螺仪的输出信号具有较好的重复性。目前大部分温度误差模型是静态模型，动态温度误差模型建立较困难，还没有比较可行方法。另外，软件算法的实现要基于复杂的数字硬件平台，从而电路体积大、功耗高，目前无法直接与微陀螺集成，且与硅微陀螺仪体积小，功耗低，集成度高的发展方向不相符；而硬件补偿电路仅能采用低阶多项式补偿方式，无法校正由温度梯度导致的漂移误差，且补偿精度有限。同时，布置在微陀螺周围的温度传感器仅能近似反应微陀螺局部温度特性，温度误差较大，直接影响补偿效果。

第三种方法是采用一定的硬件措施尽量使MEMS陀螺仪的工作环境温度恒定，如热屏蔽、温控等。温控技术是改善传统机械陀螺仪输出信号中温度漂移的一种常用方式，常规温控一般将整个陀螺仪作为温控对象，升温速度慢，功耗大，惯性大，同时温度传感器测量的温度为陀螺周围监控点的温度或陀螺某一局部的温度，并不能全面真实地反映整个陀螺结构的温度特性，所以温控精度有限，温度均匀性差，且一般温控器件与MEMS工艺不兼容，不利于微陀螺小型化和集成化。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的、功耗低、响应快、灵敏度高、重复性好，高度集成化的MEMS陀螺仪及其芯片级温控方法和加工方法。在无需对现有硅微机械加工工艺进行较大改动的情况下，实现简便实用、高效可靠的MEMS陀螺仪的芯片级温控，以便消除或抑制MEMS陀螺仪芯片中热量累积及环境温度变化对MEMS陀螺仪性能的影响，来提高MEMS陀螺仪诸多与温度有关的性能指标，满足实际应用迫切需求。

实现本发明的技术解决方案如下：

一种MEMS陀螺仪，包括上、下两层；上层为微陀螺结构芯片，下层为玻璃基座，微陀螺结构芯片键合在玻璃基座上；所述玻璃基座上制作有信号引线，微陀螺结构芯片上的电极与相应的信号引线连接。所述玻璃基座上制作有微型加热器和温度传感器。

所述玻璃基座上设有均热膜。所述微陀螺结构芯片是制作在单晶硅片上的。所述微加热器和温度传感器是两组嵌套的蛇形结构，且位于单晶硅片的正下方。所述微加热器和温度传感器采用Pt金属材料。所述玻璃基座的材质是硼硅Pyrex玻璃。

一种MEMS陀螺仪的芯片级温控方法，所述MEMS陀螺仪的结构是，包括上、下两层；上层为微陀螺结构芯片，下层为玻璃基座，微陀螺结构芯片键合在玻璃基座上；所述玻璃基座上制作有信号引线，微陀螺结构芯片上的电极与相应的信号引线连接，其特征在于，先在玻璃基座上设置微型加热器和温度传感器；再通过微型加热器对MEMS陀螺仪芯片加热，同时用温度传感器的实时监测MEMS陀螺仪芯片的温度；依据监测到的MEMS陀螺仪芯片的温度调节微型加热器的工作状态，保持MEMS陀螺仪芯片的稳态温度略高于工作环境温度的上限。

玻璃基座上的微加热器采用蛇形分布方式，温度传感器设计在加热器中间。微型加热器采用Ti/Pt合金的薄膜电阻，温度传感器采用Ti/Pt合金的温度传感器。