[发明专利]一种MEMS反相振动陀螺仪及其制造工艺

说明书

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种陀螺仪

背景技术

陀螺仪可以检测物体倾斜的角度和方向，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，许多纳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CN101180516的中国发明专利申请，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。

为了增加MEMS陀螺仪对旋转角速度Ω的检测灵敏度，MEMS陀螺仪需要在检测时产生更大的科氏力。为此，可以通过增加质量块的质量m或者增加驱动质量块的速度v来增加科氏力。为此，大多数专利通过增加质量块的质量m来增强陀螺仪的检测灵敏度。例如公开号为CN101135559的中国发明专利申请，其通过设置多个质量块来加大质量块总体质量m。在检测过程中，会产生较大的科氏力，从而增加了陀螺仪的灵敏度。然而在同一平面上制造多个质量块会增大芯片面积，且多质量块的系统很难保证每块质量块的大小一致，因此会造成耦合能量损失，进而降低灵敏度，产生大的噪声。同时，两个质量块之间的运动幅度也会有所不同。为此，该发明用弹性梁将两个质量块相连接，来达到质量块位移幅度一致。但在制造过程中梁的尺寸会有偏差，从而限制了陀螺仪的检测精确度。此外，该发明要为两个质量块和两个检测结构分别设置电路，增加了电路的功耗及复杂性。

发明内容

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，性能稳定的陀螺仪。

一种MEMS反相振动陀螺仪，包括：测量体、与所述测量体相连接的上盖板以及下盖板；所述测量体为两个，沿垂直方向相对连接，每个所述测量体包括外框架、位于所述外框架内的内框架以及位于所述内框架内的质量块；两个所述测量体之间通过所述外框架相连接；所述外框架与所述内框架之间通过第一弹性梁相连接；所述质量块与所述内框架通过所述第二弹性梁相连接；所述内框架与所述外框架之间的相对边设置有梳状耦合结构；两个所述质量块在垂直方向上以相反方向振动，所述梳状耦合结构测量旋转角速度。

本发明中的陀螺仪还包括如下附属特征：

所述内框架与所述外框架之间设置有多组第一弹性梁；所述第一弹性梁以所述质量块的中线对称设置。

多组所述第一弹性梁设置在所述外框架和所述内框架之间的间隔空间内，并在间隔空间中自由活动。

所述第一弹性梁为U型折叠梁。

所述质量块与所述内框架之间设置有多组第二弹性梁，每组所述第二弹性梁包括两根Y型弹性梁，每根所述Y型弹性梁包括一根主干部以及两根分支部；所述两根分支部分别与所述内框架以及所述质量块相连接。

所述两根Y型弹性梁的主干部分的末端设置在所述内框架的端角处，两末端呈直角相连接。

所述第一弹性梁的厚度大于所述第二弹性梁的厚度。

所述测量体采用包括有上硅层及下硅层的双层硅结构，每层硅层之间分别设置有氧化埋层，所述上硅层的表面形成有外延层。

所述第一弹性梁成型于所述外延层以及所述上硅层；所述第二弹性梁成型于所述外延层。

所述质量块以及所述梳状耦合结构上分别设置有电极。

所述上盖板及所述下盖板的材料为硅片或玻璃片。

一种陀螺仪的制造工艺，其特征在于，所述制造工艺包括以下步骤：

第一步，在绝缘体上外延硅硅片的上硅层上生长出一外延层；

第二步，通过高温氧化或淀积处理，在所述外延层表面上形成一层二氧化硅层；

第三步，通过光刻和刻蚀在所述绝缘体上外延硅硅片外侧及内侧的所述二氧化硅层表面上刻蚀出多个深至所述外延层的孔；

第四步，通过光刻及深度刻蚀，刻穿所述绝缘体上外延硅硅片外侧的孔内的外延层，并将上硅层深度刻蚀至一定深度；

第五步，去除光刻胶，通过深度刻蚀，将所述绝缘体上外延硅硅片外侧的孔深度刻蚀至氧化埋层，形成外框架以及第一弹性梁；并同时在硅片内侧刻蚀出多个深至上硅层的孔，形成第二弹性梁；