[发明专利]一种MEMS高精度谐振梁闭环控制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。

通常的MEMS陀螺仪，例如公告号为CN201828268U的中国实用新型专利，是检测因质量块位移而导致的电容变化来计算旋转角速度的。然而电容变化并非数字信号，因此集成电路还需要对检测出来的结果进行滤波、降噪、信号转换等一系列处理步骤。增加了集成芯片的复杂性，也增加了集成芯片的设计和制造成本。此外，在信号处理过程中，也会有失真、损耗等情况出现。

而例如公开号为CN101135563的中国发明专利申请，其通过两级杠杆将科氏力放大到设置在边框两侧的音叉谐振器上，通过调谐的方式来测量旋转角速度。虽然音叉谐振器的输出是数字信号，但由于制造工艺的限制，杠杆的尺寸会有误差，两个质量块的大小也未必一致，因此会产生一定的误差信号；而且在同一平面上制造双质量块、杠杆以及音叉谐振器会增加芯片的整体面积，降低了系统的集成度。

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，提供一种可以输出数字信号，并且灵敏度高的陀螺仪。

一种MEMS高精度谐振梁闭环控制陀螺仪，包括：测量体、上盖板及下盖板，所述测量体包括基座、耦合框、与耦合框相连接的质量块以及位于所述质量块中心的固定块；所述基座以及所述固定块与所述上盖板及所述下盖板相固定连接；所述质量块与所述耦合框通过多个弹性梁相连接；所述质量块与所述固定块之间设置有第一梳状耦合结构；所述耦合框的一侧设置有支撑梁；所述耦合框通过所述支撑梁与所述基座相连接；所述耦合框的侧壁的上部及下部分别设置有谐振梁，所述谐振梁一端与所述耦合框相连接，另一端分别与基座相连接；所述谐振梁与所述基座之间还设置有第二梳状耦合结构；所述谐振梁以及所述第二梳状耦合结构用于检测转动角速度。

本发明中的陀螺仪还包括如下附属特征：

所述支撑梁以及所述谐振梁为弹性梁。

所述质量块为中心镂空的方形体。

所述弹性梁为U型弹性梁。

所述弹性梁设置在所述质量块的四个端角处。

所述第一梳状耦合结构设置于所述质量块与所述固定块之间的间隔空间内。

所述质量块、所述上盖板、所述下盖板、所述第一梳状耦合结构以及所述第二耦合结构上设置有电极。

所述谐振梁与所述支撑梁设置在所述耦合框的同一侧。

所述基座上设有凹槽，所述谐振梁位于所述凹槽内。

所述谐振梁为上下两组，每组所述谐振梁包括两根谐振梁，每根所述谐振梁与所述基座之间设置有两对所述第二梳状耦合结构；一对所述第二梳状耦合结构用于驱动所述谐振梁，另一对用于检测旋转角速度。

所述第二梳状耦合结构包括两个相配合的梳齿，其中一个梳齿与所述谐振梁相连接，另一个所述梳齿与所述基座相连接。

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。

所述谐振梁以及所述弹性梁成型于所述上硅层。

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，通过高温氧化或淀积处理，在第一块绝缘体上外延硅硅片正面及背面上分别形成一层二氧化硅层；

第二步，通过光刻和刻蚀，将第一块绝缘体上外延硅硅片正面的二氧化硅层上刻蚀出多个深至上硅层的孔；

第三步，在第一块绝缘体上外延硅硅片正面及背面上淀积一层氮化硅层；