[发明专利]一种两轴MEMS圆环陀螺仪及其制备封装方法

说明书

本发明属于MEMS陀螺仪传感器设计和加工技术领域，公开了一种两轴MEMS圆环陀螺仪及其制备封装方法。两轴MEMS圆环陀螺仪自下而上依次包括衬底层、器件层和盖板层，陀螺仪的主体结构位于器件层。所述MEMS陀螺仪采用电容式驱动和检测，陀螺仪结构采用圆环感应框结构，在圆环感应框外侧的感应电极可设置较多电极板对数，提供较大的感应电容。本发明可增大陀螺仪的灵敏度、提升陀螺仪的传感性能和抑制封装应力所导致的陀螺仪输出误差。采用硅通孔填充多晶硅和圆片级真空封装技术实现了器件的制备封装，同时实现了面外感应电极结构的制作，能够大大简化器件的电学布线，减小芯片体积的同时可实现器件和集成电路芯片的工艺的兼容。

技术领域

本发明属于MEMS陀螺仪传感器设计和加工技术领域，更具体地，涉及一种两轴MEMS圆环陀螺仪及其制备封装方法。

背景技术

陀螺仪是一种测量角速度或角度的惯性传感器，基于微纳加工技术的微机电(Micro-electro-mechanical System，MEMS)陀螺仪具有成本低、体积小、重量轻、功耗低、可批量生产、易与CMOS接口电路集成、数字化和智能化等特点，广泛应用于消费电子、医疗电子、汽车电子、航空航天和军事等领域。在过去的几十年中，随着MEMS陀螺机械结构设计的优化、微纳制造技术的不断改进以及读出电路的优化，MEMS陀螺系统性能不断提高。

现有的电容式MEMS陀螺仪感应电极中电极板的对数一般为几十对，灵敏度较低。此外，常用MEMS陀螺仪主要是音叉式结构，但通常结构复杂，且具有数量较多的固定锚点，导致陀螺仪对于外界应力的变化十分敏感，严重降低了陀螺仪的温度和应力的稳定性。如何提高MEMS陀螺仪的灵敏度、稳定性是本领域需要解决的技术问题。

发明内容

本发明通过提供一种两轴MEMS圆环陀螺仪及其制备封装方法，解决现有技术中MEMS陀螺仪的灵敏度较低、应力稳定性较差的问题。

本发明提供一种两轴MEMS圆环陀螺仪，自下而上依次包括衬底层、器件层和盖板层；

所述两轴MEMS圆环陀螺仪的主体结构位于所述器件层，包括：圆环感应框，位于所述圆环感应框内侧的中心锚点、第一质量块和第二质量块，以及位于所述圆环感应框外侧的至少两组第一感应单元；

所述中心锚点位于陀螺仪的中心位置，所述第一质量块和所述第二质量块对称分布于所述中心锚点的两侧，所述第一质量块上设置有第一驱动单元，所述第二质量块上设置有第二驱动单元；

所述中心锚点通过第一弹性梁与所述圆环感应框连接，所述第一弹性梁沿长度方向的轴线平行于Y轴；所述第一质量块和所述第二质量块均通过第二弹性梁与所述圆环感应框连接，所述第二弹性梁沿长度方向的轴线平行于Y轴；

所述两轴MEMS圆环陀螺仪的主体结构通过所述中心锚点固定于所述衬底层；

所述盖板层在靠近所述器件层的一侧表面设置有两组第二感应单元，两组所述第二感应单元分别位于所述第一质量块和所述第二质量块的正上方；

所述陀螺仪的驱动工作模态为所述第一质量块和所述第二质量块同时沿X轴方向进行同相的面内振荡运动；

所述陀螺仪包括第一感应模态和第二感应模态；当所述陀螺仪处于所述驱动工作模态时，若外界向陀螺仪施加沿Z轴方向的角速度，则所述第一质量块、所述第二质量块和所述圆环感应框绕所述陀螺仪的结构中心位置作扭摆旋转运动，所述陀螺仪处于所述第一感应模态，通过所述第一感应单元检测获得Z轴方向的角速度信息；若外界向陀螺仪施加沿Y轴方向的角速度时，则所述第一质量块、所述第二质量块和所述圆环感应框沿Y轴作面外上下扭摆运动，所述陀螺仪处于所述第二感应模态，通过所述第二感应单元检测获得Y轴方向的角速度信息。