技术摘要：
本发明公开了一种可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪及其加工方法，微陀螺仪结构形式为四方对称结构，主要包括外环形驱动框架部分、内环型驱动耦合框架部分、敏感检测质量块部分以及相应的耦合折叠梁等。其中，所设计的四方对称结构中四个质量块及内部结构完全一致，每  全部
背景技术：
与传统陀螺仪相比，硅微机械陀螺仪具有体积小，重量轻，成本低，可靠性高，功耗 小，可批量生产等优点，可广泛用于航空、汽车、医疗、摄影、电子消费等领域，具有广阔的应 用前景。目前研究应用较为广泛的是单轴陀螺仪，它只能敏感检测一个方向的角速度输入， 而三轴陀螺仪则可以同时敏感三个方向的角速度输入。 在三轴陀螺仪的研制方面，目前某公司等已经有了商业级的产品问世，但其较多 三轴陀螺仪产品并非单片集成，而是由水平轴陀螺仪、Z轴陀螺仪组装而成，其精度极限有 限，目前已经到了进一步提高的瓶颈期。某公司设计了一种单片集成的三轴陀螺仪产品，其 结构尺寸仅为3.2×3.2毫米，但是它并没有实现各驱动、检测方向的完全解耦，因此难以达 到较高性能。某大学设计了一种振动环式硅微陀螺仪，理论上可以实现三个方向的角速度 测量，但是其结构与加工工艺复杂，难以达到较好的性能，因此还需要进一步研究提高。
技术实现要素：
发明目的：本发明的一个目的是提供一种可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪。 本发明的另一个目的是提供一种所述陀螺仪的加工方法。 技术方案：本发明所述的陀螺仪，由上至下依次包括：器件结构层A、金属引线层和 玻璃衬底层B，器件结构层包括驱动固定梳齿A01、驱动活动梳齿A02、内部耦合环A03、质量 块A04、外部耦合环A05和驱动电极A06，其中，驱动固定梳齿A01包含内环驱动固定梳齿A01- 1及外环驱动固定梳齿A01-2，驱动活动梳齿A02包含内环驱动活动梳齿A02-1及外环驱动活 动梳齿A02-2，四个质量块A04包括两个位于X方向的质量块A04-X及两个位于Y方向的质量 块A04-Y。 沿外部耦合环外部周围均匀分布四个驱动电极A06，且两个位于X轴方向，两个位 于Y轴方向；每个驱动电极均通过外环驱动固定梳齿A01-2和外环驱动活动梳齿A02-2与外 部耦合环连接，其中，外环驱动固定梳齿A01-2固定连接到驱动电极A06上，外环驱动活动梳 齿A02-2固定连接到外部耦合环上；沿内部耦合环内部一周均匀分布四个驱动电极A06，且 两个位于X轴方向，两个位于Y轴方向；每个驱动电极均通过内环驱动固定梳齿A01-1和内环 驱动活动梳齿A02-1与内部耦合环连接，其中，内环驱动固定梳齿A01-1固定连接到驱动电 极A06上，内环驱动活动梳齿A02-1固定连接到内部耦合环上；沿X轴方向，在外部耦合环和 内部耦合环之间对称设置两个X方向质量块A04-X，且每个X方向质量块A04-X分别与外部耦 合环和内部耦合环连接；沿Y轴方向，在外部耦合环和内部耦合环之间对称设置两个Y方向 质量块A04-Y，且每个Y方向质量块A04-Y分别与外部耦合环和内部耦合环连接；器件结构层 A通过锚点A10与玻璃衬底层B的键合点键合连接，金属引线层的信号引线生长在玻璃衬底 6 CN 111595312 A 说　明　书 2/13 页 层上，器件结构层A的电极与金属引线层的信号引线连接。 优选的，X方向质量块A04-X包括驱动传递框架A04-a1、航向角双自由度框架A04- b1、航向角敏感检测框架A04-c1、翻滚角双自由度框架A04-b2、翻滚角单自由度框架A04- c2、驱动传递推手梁A04-d1、折叠U型梁A04-d2、工字型折叠梁A04-d3、航向角检测电极A07 和固定锚点A10，其中，驱动传递框架A04-a1外围通过折叠U型梁A04-d2连接固定锚点A10， 驱动传递框架A04-a1的两侧边上分别设置一个与外部耦合环和内部耦合环连接的驱动传 递推手梁A04-d1；驱动传递框架A04-a1为对称结构，包括第一部分和第二部分，其中航向角 双自由度框架A04-b1位于第一部分内，航向角敏感检测框架A04-c1位于航向角双自由度框 架A04-b1内，航向角检测电极A07位于航向角敏感检测框架A04-c1内，航向角敏感检测框架 A04-c1和航向角双自由度框架A04-b1之间还设置有固定锚点A10，航向角敏感检测框架 A04-c1分别通过折叠U型梁A04-d2与驱动传递框架A04-a1和航向角双自由度框架A04-b1连 接，航向角敏感检测框架A04-c1分别通过折叠U型梁A04-d2和梳齿与固定锚点A10和航向角 检测电极A07连接；翻滚角双自由度框架A04-b2位于第二部分内，翻滚角单自由度框架A04- c2位于翻滚角双自由度框架A04-b2内，且翻滚角单自由度框架A04-c2与翻滚角双自由度框 架A04-b2之间设置有固定锚点A10，翻滚角双自由度框架A04-b2分别通过工字型折叠梁 A04-d3与驱动传递框架A04-a1和翻滚角单自由度框架A04-c2连接，翻滚角单自由度框架 A04-c2通过工字型折叠梁A04-d3与固定锚点A10连接；翻滚角单自由度框架A04-c2内部或 下面设置有翻滚角检测电极A08；固定锚点A10与玻璃衬底层固定连接。 优选的，翻滚角单自由度框架A04-c2上的翻滚角检测电极为翻滚角梳齿检测电极 A08-1或翻滚角金属检测电极薄膜A08-2；当翻滚角单自由度框架A04-c2为方框结构时，翻 滚角检测电极为翻滚角梳齿检测电极A08-1，该翻滚角梳齿检测电极A08-1位于翻滚角单自 由度框架A04-c2内部，且通过翻滚角检测梳齿与翻滚角单自由度框架A04-c2连接；当翻滚 角单自由度框架A04-c2为平板结构时，翻滚角检测电极为翻滚角金属检测电极薄膜A08-2， 该翻滚角金属检测电极薄膜A08-2位于翻滚角单自由度框架A04-c2下表面。 优选的，当翻滚角检测电极为翻滚角梳齿检测电极A08-1时，玻璃衬底层上生长的 信号引线B01包含金属引线B01-a、驱动检测焊盘差分对B02-b1和B02-b2、驱动焊盘差分对 B02-c1和B02-c2、航向角检测焊盘差分对B02-d1和B02-d2、翻滚角检测焊盘差分对B02-e1 和B02-e2，俯仰角检测焊盘差分对B02-f1和B02-f2；键合点B02与器件结构层相应的电极连 接，所有焊盘通过金属引线B01-a与键合点B02相连从而实现电气连通；当翻滚角检测电极 为翻滚角金属检测电极薄膜A08-2时，玻璃衬底层上生长的信号引线B01包含金属引线B01- a、驱动检测焊盘差分对B02-b1和B02-b2、驱动焊盘差分对B02-c1和B02-c2、航向角检测焊 盘差分对B02-d1和B02-d2、翻滚角检测焊盘差分对B02-e1和B02-e2、俯仰角检测焊盘差分 对B02-f1和B02-f2；键合点B02与器件结构层相应的电极连接，除翻滚角及俯仰角焊盘外， 所有焊盘通过金属引线B01-a与键合点B02相连从而实现电气连通。 优选的，沿Y方向质量块A04-Y包括驱动传递框架A04-a1、航向角双自由度框架 A04-b1、航向角敏感检测框架A04-c1、俯仰角双自由度框架A04-b3、俯仰角单自由度框架 A04-c3、驱动传递推手梁A04-d1、折叠U型梁A04-d2、工字型折叠梁A04-d3、航向角检测电极 A07和固定锚点A10，其中，驱动传递框架A04-a1四角分别通过折叠U型梁A04-d2连接至固定 锚点A10，驱动传递框架A04-a1的两侧边分别设置一个与外部耦合环和内部耦合环连接的 7 CN 111595312 A 说　明　书 3/13 页 驱动传递推手梁A04-d1；驱动传递框架A04-a1为对称结构，包括第一部分和第二部分，其中 航向角双自由度框架A04-b1位于第一部分内，航向角敏感检测框架A04-c1位于航向角双自 由度框架A04-b1内，航向角检测电极A07位于航向角敏感检测框架A04-c1内，航向角敏感检 测框架A04-c1与航向角双自由度框架A04-b1之间设有固定锚点A10，航向角双自由度框架 A04-b1分别通过折叠U型梁A04-d2与驱动传递框架A04-a1和航向角敏感检测框架A04-c1连 接，航向角敏感检测框架A04-c1分别通过折叠U型梁A04-d2和梳齿与固定锚点A10和航向角 检测电极A07连接；俯仰角双自由度框架A04-b3位于第二部分内，俯仰角单自由度框架A04- c3位于俯仰角双自由度框架A04-b3内，俯仰角单自由度框架A04-c3与俯仰角双自由度框架 A04-b3之间设有固定锚点A10，俯仰角双自由度框架A04-b3分别通过工字型折叠梁A04-d3 与驱动传递框架A04-a1和俯仰角单自由度框架A04-c3连接，俯仰角单自由度框架A04-c3通 过工字型折叠梁A04-d3与固定锚点A10连接；俯仰角单自由度框架A04-c3内部或下面设置 有俯仰角检测电极A09；固定锚点A10与玻璃衬底层固定连接。 优选的，俯仰角单自由度框架A04-c3上的俯仰角检测电极为俯仰角梳齿检测电极 A09-1或俯仰角金属检测电极薄膜A09-2；当俯仰角单自由度框架A04-c3为方框结构时，俯 仰角检测电极为俯仰角梳齿检测电极A09-1，该俯仰角梳齿检测电极A09-1位于俯仰角单自 由度框架A04-c3内部，且通过俯仰角检测梳齿与俯仰角单自由度框架A04-c3连接；当俯仰 角单自由度框架A04-c3为平板结构时，俯仰角检测电极为俯仰角金属检测电极薄膜A09-2， 该俯仰角金属检测电极薄膜A09-2位于俯仰角单自由度框架A04-c3下表面。 优选的，当俯仰角检测电极为俯仰角梳齿检测电极A09-1时，玻璃衬底层上生长的 信号引线B01包含金属引线B01-a、驱动检测焊盘差分对B02-b1和B02-b2、驱动焊盘差分对 B02-c1和B02-c2、航向角检测焊盘差分对B02-d1和B02-d2、翻滚角检测焊盘差分对B02-e1 和B02-e2，俯仰角检测焊盘差分对B02-f1和B02-f2；键合点B02与器件结构层相应的电极连 接，所有焊盘通过金属引线B01-a与键合点B02相连从而实现电气连通；当俯仰角检测电极 为俯仰角金属检测电极薄膜A09-2时，玻璃衬底层上生长的信号引线B01包含金属引线B01- a、驱动检测焊盘差分对B02-b1和B02-b2、驱动焊盘差分对B02-c1和B02-c2、航向角检测焊 盘差分对B02-d1和B02-d2、翻滚角检测焊盘差分对B02-e1和B02-e2、俯仰角检测焊盘差分 对B02-f1和B02-f2；键合点B02与器件结构层相应的电极连接，除翻滚角及俯仰角焊盘外， 所有焊盘通过金属引线B01-a与键合点B02相连从而实现电气连通。 所设计的四方对称结构中四个质量块及内部结构完全一致(当质量块位于X轴方 向时，用于检测航向角和翻滚角；当质量块位于Y轴方向时，用于检测航向角和俯仰角)，每 个质量块包含一个驱动传递框架，两个双自由度框架，两个检测框架及对应的耦合折叠梁， 四个质量块的驱动传递框架通过外环及内环耦合连接，实现等幅差分驱动；检测框架通过 耦合梁实现全解耦功能，从而达到较好的测量性能。所述驱动部分位于外部耦合环外侧及 内部耦合环内侧，由最外侧及最内侧连接于衬底之上的固定驱动梳齿与连接于环形耦合环 上的可动驱动梳齿共同组成；其中，驱动梳齿采用电容式变面积静电驱动形式。所述结构的 运动形式为，外部耦合环及内部耦合环在驱动电压所产生的静电力作用下同时周期性向以 X轴为长轴及以Y轴为长轴的椭圆形态靠近；四个质量块中的驱动传递框架伴随着耦合环共 同做驱动运动。所述航向角检测部分为四个质量块一侧的双自由度框架及敏感框架，敏感 检测梳齿由连接于衬底之上的固定航向角检测梳齿敏感框架上的活动航向角检测梳齿构 8 CN 111595312 A 说　明　书 4/13 页 成。所述俯仰角检测部分为竖直方向质量块区分于航向角检测的一侧的双自由度框架及敏 感框架，敏感检测方式可分为检测梳齿及检测平板电容两种方式；敏感检测梳齿由连接于 衬底之上的固定俯仰角检测梳齿敏感框架上的活动俯仰角检测梳齿构成；敏感检测平板电 容由检测框架及检测框架下沉积于衬底之上的金属平板构成。所述翻滚角检测部分为水平 方向质量块区分于航向角检测的一侧的双自由度框架及敏感框架，敏感检测方式可分为检 测梳齿及检测平板电容两种方式；敏感检测梳齿由连接于衬底之上的固定翻滚角检测梳齿 敏感框架上的活动翻滚角检测梳齿构成；敏感检测平板电容由检测框架及检测框架下沉积 于衬底之上的金属平板构成。所述驱动部分梳齿为变面积式，航向角部分梳齿为边间距式， 俯仰角及翻滚角部分检测分为检测梳齿及检测平板电容两种方式，在检测梳齿模式下为变 面积式，在检测平板电容模式下为变间距式。所述推手型折叠梁、多弯折叠梁具有分别具有 较小的面内水平切向刚度与面外垂直方向刚度，通过合理安排放置这两种折叠梁，可以实 现对所连接质量块或框架在面内切向或者面外垂直方向的解耦设计。所述整体结构四方对 称，可通过外部耦合环的连接将多个可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪连接阵列，提高 精度和冗余度。 本发明的微陀螺仪的加工方法，包括以下步骤： (a)取一片硅晶圆片，用H2SO4加H2O2溶液进行清洗； (b)在硅晶圆片表面利用LPCVD工艺沉积一层SiO2薄膜； (c)在硅晶圆片表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版进行光刻，曝光，显影操作， 得到锚点图案； (d)利用RIE刻蚀工艺刻蚀表面SiO2，将锚点图案转移到SiO2上； (e)在硅晶圆片表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版进行光刻，曝光，显影操作， 得到梳齿图案； (f)利用RIE刻蚀工艺刻蚀硅晶圆片表面硅，最终得到具有高低梳齿的结构； (g)取一片玻璃片，利用H2SO4加H2O2溶液进行清洗； (h)在玻璃片表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版进行光刻，曝光，显影操作，得 到金属电极图案； (i)在玻璃片表面溅射一层Cr/Au金属合金，利用剥离工艺将光刻胶上的金属电极 图案转移到溅射的合金层上； (j)将加工的硅晶圆片与玻璃片进行阳极键合，得到样片； (k)在样片表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版进行光刻，曝光，显影操作，得到 静低梳齿图案； (l)刻蚀样片的硅，释放结构，最终得到所需样件。 本发明的微陀螺仪的另一种加工方法，包括以下步骤： (a)取一片SOI晶圆片，用H2SO4加H2O2溶液进行清洗； (b)在SOI晶圆片表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版进行光刻，曝光，显影操 作，得到结构图案； (c)利用RIE工艺刻蚀SOI晶圆片的硅，得到硅结构； (d)利用HF溶液刻蚀SOI晶圆片牺牲层SiO2，释放硅结构； (e)取一片玻璃片，利用H2SO4加H2O2溶液进行清洗； 9 CN 111595312 A 说　明　书 5/13 页 (f)在玻璃片表面均匀旋涂一层光刻胶，利用掩模版进行光刻，曝光，显影操作，得 到锚点图案； (g)利用HF溶液刻蚀玻璃片，将锚点图案转移到玻璃片上； (h)利用剥离工艺及掩膜版，在玻璃片表面得到一层具有电极图案的Cr/Au合金金 属层； (i)利用键合工艺，将加工的SOI晶圆片与玻璃片进行阳极键合，得到最终的样件。 本发明的单片集成的可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪，其通过外部耦合环的 连接将多个上述可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪阵列连接形成，相邻两个可阵列环形 耦合三轴全解耦微陀螺仪呈现差分驱动模态，且椭圆形态长轴方向垂直。 有益效果：与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点： (1)本发明所设计的三轴硅微机械陀螺仪可以在单片硅片上加工获得，而且加工 工艺相对简单，通过MEMS工艺易于实现大批量加工生产以降低成本。 (2)该三轴陀螺仪可以同时测量三个方向上的角速度输入，而且各方向的检测模 态与驱动模态均互相解耦，有效减小了可能存在的机械耦合误差。 (3)该三轴陀螺仪的四边驱动可以通过电极引线连接在一起，这样一经加载驱动 电压信号，很容易即可实现四边同时驱动。 (4)所设计的航向角检测梳齿为变间距式电容检测，将在单边的固定航向角检测 梳齿分为了两部分，这样当可动航向角检测梳齿想对固定检测梳齿变间隙运动时，在单边 即可实现差分检测，这种差分检测设计能够有效减小由于制造误差或梳齿倾斜所造成的航 向角检测误差。 (5)俯仰角检测和翻滚角检测部分分别位于两对对边的正方形大框架内部，可以 分别实现差分检测以减小检测误差。 (6)正方形大框架内部两质量块之间的工字型折叠梁在面外垂直方向刚度较低， 可以有效实现两质量块间的面外垂直方向的运动解耦。 (7)翻滚角及俯仰角检测包含梳齿电容检测及平板电容检测两种结构方案，可以 根据加工工艺灵活选择，降低加工难度。 (8)所设计结构四方对称，通过外部耦合环的连接将多个可阵列环形耦合三轴全 解耦微陀螺仪阵列，在一个驱动力作用下共同等幅驱动工作，提高精度及冗余度。 附图说明 图1为本发明陀螺仪整体结构示意图； 图2为图1结构的剖面图； 图3为本发明微陀螺仪的器件结构层结构示意图； 图4为本发明器件结构层的X轴方向质量块结构示意图； 图5为本发明器件结构层的Y轴方向质量块结构示意图； 图6为本发明微陀螺仪俯仰角(翻滚角)敏感结构检测梳齿式结构示意图； 图7为本发明微陀螺仪俯仰角(翻滚角)敏感结构平板电容式结构示意图； 图8为俯仰角及翻滚角检测梳齿式玻璃衬底层俯视图； 图9为俯仰角及翻滚角平板电容式玻璃衬底层俯视图； 10 CN 111595312 A 说　明　书 6/13 页 图10为图1所示微陀螺仪四环阵列情况下的驱动示意图； 图11为本发明所述微陀螺仪基于SOG工艺加工方法流程图； 图12为本发明所述微陀螺仪以SOI晶圆片为原材加工方法流程图。