一种MEMS高精度谐振梁闭环控制陀螺仪及其制造工艺的制作方法与工艺

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Fcori。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。Fcori=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。

技术实现要素：
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；第四步，通过光刻、刻蚀，分别将第一块绝缘体上外延硅硅片正面中支撑梁所对应的位置上的氮化硅层及二氧化硅层去除，并将所述上硅层刻蚀至所述氧化埋层；同时将第一块绝缘体上外延硅硅片背面中弹性梁、谐振梁以及固定块与质量块之间的间隙所对应的位置上的氮化硅层及二氧化硅层去除，并将所述下硅层刻蚀至所述氧化埋层；第五步，通过刻蚀，将所述氧化埋层去除，形成一层弹性梁和谐振梁；第六步，对第一块绝缘体上外延硅硅片正面中支撑梁所对应的位置进一步刻蚀至一定深度，形成支撑梁；第七步，通过高温氧化或淀积处理，在第二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；第八步，通过光刻和刻蚀，将第二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；第九步，在第二块绝缘体上外延硅硅片正面及背面淀积一层氮化硅；第十步，通过光刻、刻蚀，将第二块绝缘体上外延硅硅片背面中支撑梁、弹性梁、谐振梁以及固定块与质量块之间的间隙所对应的位置上的氮化硅层及二氧化硅层去除，并将所述下硅层刻蚀至所述氧化埋层；第十一步，通过刻蚀，将所述氧化埋层去除；第十二步，分别将第一块和第二块绝缘体上外延硅硅片背面的氮化硅层及二氧化硅层去除；第十三步，将第一块和第二块绝缘体上外延硅硅片进行背对背硅-硅键合，形成基座、固定块、质量块以及耦合框；第十四步，将键和后硅片正面的氮化硅层去除；第十五步，对键和后硅片正面上暴露在外的上硅层进行深度刻蚀，形成通孔，从而形成自由活动的上层弹性梁、谐振梁、上层第一梳状耦合结构及上层第二梳状耦合结构；第十六步，将键和后硅片正面的二氧化硅层去除；第十七步，将键和后硅片正面与上盖板进行键合；第十八步，将键和后硅片背面的氮化硅层去除；第十九步，对键和后硅片背面上暴露在外的上硅层进行深度刻蚀，形成通孔，从而形成自由活动的支撑梁、下层弹性梁、下层谐振梁、下层第一梳状耦合结构及下层第二梳状耦合结构；第二十步，将键和后硅片背面的二氧化硅层去除；第二十一步，将键和后硅片背面与下盖板进行键合；形成完整的陀螺仪；对所述上盖板及下盖板的加工工艺还包括：A、在所述上盖板和所述下盖板的键合面上分别通过光刻、深度刻蚀及刻蚀各自形成一个凹陷区；B、在所述上盖板和所述下盖板上淀积金属，从而形成电极；C、与所述绝缘体上外延硅硅片键合之前，对所述上盖板硅片及所述下盖板硅片进行清洗；所述深度刻蚀及所述刻蚀的方法为以下方法中的一种或多种方法：干法刻蚀或湿法刻蚀，所述干法刻蚀包括：硅的深度反应离子刻蚀及反应离子刻蚀。所述用于腐蚀硅层的腐蚀剂为以下腐蚀剂中的一种或多种的组合：氢氧化钾、四甲基氢氧化氨、乙二胺磷苯二酚或气态的二氟化氙。所述用于腐蚀二氧化硅层的腐蚀剂为以下腐蚀剂中的一种或多种的组合：缓冲氢氟酸、49%氢氟酸或气态的氟化氢。按照本发明所提供的一种陀螺仪及其制造工艺具有如下优点：首先，本发明是通过检测谐振梁的频率变化来检测旋转角速度的，频率变化的输出为数字信号，无需再经过滤波、信号转换等过程，方便与其他信号处理器对接，也减少了电路噪声对检测结果的影响。使得陀螺仪工作更加稳定。其次，在垂直方向上下设置两组谐振梁的结构是以差分的形式来输出频率变化，这样的输出信号可以得到两倍的频率输出，同时，差分输出也消除了温度对谐振梁产生的影响。此外，本陀螺仪在检测方向上设置有反馈控制系统，当集成电路由谐振梁上的第二梳状耦合结构检测出的信号计算出质量块的位移后，反馈控制系统会向质量块上施加反馈电压，从而将质量块维持在平衡位置。该反馈控制系统能有效增强系统的稳定性，降低系统的非线性，拓宽系统带宽，缩短反应时间，从而使得检测更加精准。最后，通过键合的方式得到了更大的质量块，提高了灵敏度。附图说明图1为本发明的结构示意图。图2为本发明中测量体的立体图。图3为图2中A处放大图。图4为图2中B处放大图。图5为图2中C处放大图。图6为本发明中测量体的俯视图。图7为制造方法的第一步至第四步沿图6中AA’线的剖面示意图。图8为制造方法的第一步至第四步沿图6中BB’线的剖面示意图。图9为制造方法的第五步至第七步沿图6中AA’线的剖面示意图。图10为制造方法的第五步至第七步沿图6中BB’线的剖面示意图。图11为制造方法的第八步至第十一步沿图6中AA’线的剖面示意图。图12为制造方法的第八步至第十一步沿图6中BB’线的剖面示意图。图13为制造方法的第十二步至第十四步沿图6中AA’线的剖面示意图。图14为制造方法的第十二步至第十四步沿图6中BB’线的剖面示意图。图15为制造方法的第十五步至第十七步沿图6中AA’线的剖面示意图。图16为制造方法的第十五步至第十七步沿图6中BB’线的剖面示意图。图17为制造方法的第十八步至第二十步沿图6中AA’线的剖面示意图。图18为制造方法的第十八步至第二十步沿图6中BB’线的剖面示意图。图19为制造方法的第二十一步至第二十二步沿图6中AA’线的剖面示意图。图20为制造方法的第二十一步至第二十二步沿图6中BB’线的剖面示意图。图21为制造方法的第二十三步沿图6中AA’线的剖面示意图。图22为制造方法的第二十三步沿图6中BB’线的剖面示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步的详述：参照图1，一种陀螺仪，包括：测量体1、与所述测量体1相连接的上盖板2以及下盖板3；所述测量体1由两块绝缘体上外延硅硅片键合而成，绝缘体上外延硅结构简称SOI结构，其中包括上硅层4及下硅层5；所述上硅层4和下硅层5之间设置有氧化埋层6。参见图1至图6，所述测量体1包括了基座11、耦合框12、与耦合框12相连接的质量块13以及位于所述质量块13中心的固定块14；所述基座11以及所述固定块14与所述上盖板2及所述下盖板3相固定连接；所述耦合框12的一侧设置有支撑梁15；所述耦合框12通过所述支撑梁15与所述基座11相连接；所述质量块13与所述耦合框12通过多个弹性梁16相连接；其中，支撑梁15为弹性梁。在出现科氏力时，质量块13会在垂直方向上移动，质量块13的移动会通过弹性梁16带动耦合框12上下摆动。参见图1至图6，优选地，测量体1为两块硅片键合而成，基座11为一镂空的方形体，耦合框12、质量块13、固定块14均位于基座11的镂空处内。参见图1至图6，优选地，所述质量块13为一个中心镂空的方形体，弹性梁16为U型梁，并设置在质量块13的四个边角，这样可以保证质量块13带动耦合框12的在竖直方向上位移。此外，质量块13与固定块14之间的间隔空间内还设置有第一梳状耦合结构17。第一梳状耦合结构17的两套梳齿171分别与质量块13以及固定块14相连接。第一梳状耦合结构17用于驱动所述质量块13在水平方向上来回振动。参见图1至图6，在所述耦合框12的侧壁的上部及下部分别设置有谐振梁18，所述谐振梁18一端与所述耦合框12相连接，另一端分别与基座11相连接；优选地，基座11上还设置有凹槽111，谐振梁18的一端与耦合框12相连接，另一端与凹槽111的末端相连接。谐振梁18与所述基座11之间还设置有第二梳状耦合结构19。第二梳状耦合结构19的梳齿191分别与谐振梁18以及基座11相连接。在本发明的一个实施例中，每根谐振梁18上设置有两组梳齿191，一组用于驱动谐振梁18振动，另一组用于检测谐振梁18的振动频率。而谐振梁18的数量为两组，分别上下设置在耦合框12的侧壁上，并处在同一铅垂面上。每组谐振梁18中有两根谐振梁18。但谐振梁18以及第二梳状耦合结构19的数量及排列方式并不仅限于本实施例。参见图1至图6，本陀螺仪在第一梳状耦合结构17、第二梳状耦合结构19上均设置有电极。在工作时，集成电路会对第一梳状耦合结构17施加电压，从而驱动质量块13相对于固定块14在X轴方向上来回振动。同时，集成电路也会对两对第二梳状耦合结构19中的一对施加电压，驱动谐振梁18按照一定频率振动。用于驱动的两对第二梳状耦合结构19所输出的电压的幅值及频率是相同的，因此，在谐振梁18没有受到轴向方向的应力的情况下，上下两组谐振梁18的振动频率应该完全相同。当出现Y轴旋转角速度时，由第一梳状耦合结构17所驱动的质量块13会在垂直方向，即Z轴方向上产生一个科氏力，科氏加速度会让质量块13产生上下位移。由于耦合框12和质量块13是通过弹性梁16相连接的，耦合框12也会在垂直方向上产生位移。设置在耦合框12的一侧的支撑梁15是与基座11固定连接的，使得耦合框12会以支撑梁15为轴在垂直方向上进行摆动。耦合框12的上下摆动会导致上下两组谐振梁18在轴向方向上受到大小相等，方向相反的应力，使得上下两组谐振梁18的振动频率一个增大，一个减小，且两者的频率变化幅度相等。第二梳状耦合结构19可以读出频率的变化，再由集成电路用差分的形式将两者频率相减，得到频率变化幅度两倍的输出信号，进而推算出旋转角速度。由于频率差分输出信号是一个数字信号，这样方便与其他信号处理器相连接，同时，当陀螺仪受到温度影响时，上下两组谐振梁18的振动频率会同时增大或减小，产生幅值相等，变化方向相同的偏差，通过差分相减的形式可以消除温度对陀螺仪的影响。此外，优选地，质量块13、上盖板2以及下盖板3上分别设置有电极，当集成电路根据第二梳状耦合结构19的检测结果推算出质量块13和耦合框12的摆动方向和摆动幅度后，会根据摆动方向和幅度对上盖板2或下盖板3施加一个反馈电压，将质量块13和耦合框12回复到平衡位置，从而形成一个反馈控制系统，有效增强系统的稳定性，降低系统的非线性，拓宽系统带宽，缩短反应时间，使得检测更加精准。接着，根据图6至图22详细说明用于制造本发明中的陀螺仪的制造工艺，包括以下步骤：第一步，对SOI硅片A的正反表面进行高温氧化处理，在其正反表面上分别形成一层二氧化硅层7；或者利用化学气态淀积法（CVD）在正反表面上淀积一层二氧化硅层7；第二步，对SOI硅片A的正面以及背面涂覆光阻剂，之后按照特定图案对其曝光，并用显影液进行显影。这样被曝光的图案就会显现出来。再利用反应离子干法刻蚀或缓冲氢氟酸对SOI硅片A正面和背面的二氧化硅层7刻蚀出多个深至上硅层4的孔；第三步，在SOI硅片A的正面和背面利用化学气态淀积法淀积一层氮化硅层8；第四步，对SOI硅片A的正面和背面涂覆光阻剂，之后按照特定图案对其曝光，并用显影液进行显影。这样被曝光的图案就会显现出来。再利用反应离子干法刻蚀或缓冲氢氟酸对SOI硅片A正面和背面的氮化硅层8以及二氧化硅层7分别刻蚀出多个深至上硅层4和下硅层5的孔；第五步，再利用深度反应离子刻蚀、或氢氧化钾、或四甲基氢氧化氨、或乙二胺磷苯二酚将暴露在外的上硅层4和下硅层5进行深度刻蚀至氧化埋层6，形成上半边的基座11、耦合框12、质量块13、固定块14；第六步，利用缓冲氢氟酸将暴露在外的氧化埋层6去除；第七步，利用深度反应离子刻蚀、或氢氧化钾、或四甲基氢氧化氨、或乙二胺磷苯二酚对SOI硅片A正面进一步刻蚀，直至刻蚀至下硅层5中的一定深度，形成支撑梁15；第八步，对SOI硅片B的正反表面进行高温氧化处理，在其正反表面上分别形成一层二氧化硅层7；或者利用化学气态淀积法（CVD）在正反表面上淀积一层二氧化硅层7；第九步，对SOI硅片B的正面涂覆光阻剂，之后按照特定图案对其曝光，并用显影液进行显影。这样被曝光的图案就会显现出来。再利用反应离子干法刻蚀或缓冲氢氟酸对SOI硅片B正面的二氧化硅层7刻蚀出多个深至上硅层4的孔；第十步，在SOI硅片B的正面和背面利用化学气态淀积法淀积一层氮化硅层8；第十一步，对SOI硅片B的背面涂覆光阻剂，之后按照特定图案对其曝光，并用显影液进行显影。这样被曝光的图案就会显现出来。再利用反应离子干法刻蚀或缓冲氢氟酸对SOI硅片B背面的氮化硅层8以及二氧化硅层7分别刻蚀出多个深至下硅层5的孔；第十二步，再利用深度反应离子刻蚀、或氢氧化钾、或四甲基氢氧化氨、或乙二胺磷苯二酚将暴露在外的下硅层5刻蚀至氧化埋层6，形成下半边的基座11、耦合框12、质量块13、固定块14；第十三步，利用反应离子干法刻蚀或缓冲氢氟酸将下硅层5中暴露在外的氧化埋层6去除；第十四步，将SOI硅片A和SOI硅片B背面的二氧化硅层7和氮化硅层8去除；第十五步，将SOI硅片A和SOI硅片B进行背对背硅-硅键合，形成完整的基座11、耦合框12、质量块13、固定块14；第十六步，利用反应离子干法刻蚀将键合后的硅片正面的氮化硅层去除；第十七步，再利用深度反应离子刻蚀对键和后的硅片的正面上暴露在外的部分的硅层进行深度刻蚀，直至暴露在外的部分的硅层刻穿，形成自由活动的弹性梁16、谐振梁18、第一梳状耦合结构17、第二梳状耦合结构19以及质量块13与固定块14以及基座11之间的空隙；第十八步，利用反应离子干法刻蚀或缓冲氢氟酸将键合后硅片正面的二氧化硅层7去除；第十九步，将键合后硅片正面与上盖板进行键合；第二十步，利用反应离子干法刻蚀将键合后的硅片背面的氮化硅层去除；第二十一步，再利用深度反应离子刻蚀对键和后的硅片的背面上暴露在外的部分的硅层进行深度刻蚀，直至暴露在外的部分的硅层刻穿，形成自由活动的弹性梁16、谐振梁18、第一梳状耦合结构17、第二梳状耦合结构19及质量块13与固定块14以及基座11之间的空隙，从而释放耦合框12和质量块13，形成自由活动的支撑梁15；第二十二步，利用反应离子干法刻蚀或缓冲氢氟酸将键合后硅片背面的二氧化硅层7去除；第二十三步，将键合后硅片背面与下盖板进行键合，形成完整的陀螺仪；对所述上盖板2及下盖板3的加工工艺还包括：A、在上盖板2和下盖板3的键合面上涂覆光阻剂，之后按照特定图案对其进行曝光，并用显影液进行显影。这样被曝光的图案就会显现出来。再利用深度反应离子刻蚀、或氢氧化钾、或四甲基氢氧化氨、或乙二胺磷苯二酚，分别将上盖板2和下盖板3被曝光的部分深度刻蚀至一定位置。从而在上盖板2和下盖板3的键合面上各自形成一个凹陷区，并将光阻剂去除。B、在上盖板2和下盖板3上指定位置淀积金属，并刻蚀出电极；C、在与所述SOI硅片键合之前，对上盖板硅片2及下盖板硅片3对进行清洗；其中，本发明中的上述加工工艺中的氮化硅层9和二氧化硅层8起到保护其所覆盖的硅层，使其不被刻蚀或腐蚀。本发明中所述的深度刻蚀及所述刻蚀的方法为以下方法中的一种或多种方法：干法刻蚀或湿法刻蚀，所述干法刻蚀包括：硅的深度反应离子刻蚀及反应离子刻蚀。参见图1至图6，本发明中的上述方法中所用的材料、设备、工艺均采用现有技术，但通过利用这些材料及工艺所制造出的陀螺仪，具有以下优点:本陀螺仪的检测结果是一个频率信号，可以很方便的与其他信号处理器进行对接，省去了模数转换等信号处理的步骤。此外，在垂直方向上下设置两组谐振梁18的结构是以差分的形式来输出频率变化，这样的输出信号更加准确,由于两组谐振梁18的制作方法相同，材料也相同而且位置也基本相同，所以当受到温度影响时，两组谐振梁18产生的共模误差也基本一致，通过差分输出可以消除温度对陀螺仪检测精度的影响。本发明通过键合方式得到的质量块也较大，检测过程中在驱动方向及检测方向均有较大的谐振位移，检测灵敏度也得以提高。而且本陀螺仪在检测方向上还设置有一反馈电路，当集成电路由谐振梁上的第二梳状耦合结构19检测出的信号计算出质量块13的位移后，反馈控制系统会向质量块上施加反馈电压，从而将质量块13维持在平衡位置。该反馈控制系统能有效增强系统的稳定性，降低系统的非线性，拓宽系统带宽，缩短反应时间，从而使得检测更加精准。