本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種MEMS陀螺儀

背景技術(shù)：
陀螺儀可以檢測物體傾斜的角度和方向，并且已經(jīng)運(yùn)用于諸多領(lǐng)域，如輪船、飛機(jī)等。而在微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)不斷進(jìn)步的情況下，許多納米級(jí)的小型陀螺儀將被商業(yè)化廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)器人、手機(jī)、移動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的陀螺儀不同，MEMS陀螺儀并沒有旋轉(zhuǎn)部件，也不需要軸承。MEMS的陀螺儀采用了振動(dòng)物體傳感角速度的概念。利用振動(dòng)來誘導(dǎo)和探測科氏力。例如公開號(hào)為CN101180516的中國發(fā)明專利申請(qǐng)，其利用驅(qū)動(dòng)器對(duì)多個(gè)質(zhì)量塊以X方向進(jìn)行加速，當(dāng)陀螺儀在Z軸上發(fā)生角速度為Ω的旋轉(zhuǎn)時(shí)，質(zhì)量塊會(huì)根據(jù)以下公式在Y方向產(chǎn)生科氏力Fcori。陀螺儀對(duì)Y方向的科氏力進(jìn)行檢測，從而可以計(jì)算出旋轉(zhuǎn)角速度Ω。Fcori=2mΩv其中，m為質(zhì)量塊的質(zhì)量，而v則為速度。為了增加MEMS陀螺儀對(duì)旋轉(zhuǎn)角速度Ω的檢測靈敏度，MEMS陀螺儀需要在檢測時(shí)產(chǎn)生更大的科氏力。為此，可以通過增加質(zhì)量塊的質(zhì)量m或者增加驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的速度v來增加科氏力，大多數(shù)專利通過增加質(zhì)量塊的質(zhì)量m來增強(qiáng)陀螺儀的檢測靈敏度。例如公開號(hào)為CN101180516的中國發(fā)明專利申請(qǐng)，其通過設(shè)置多個(gè)質(zhì)量塊來加大質(zhì)量塊的總體質(zhì)量m。在檢測過程中，總體質(zhì)量大的質(zhì)量塊會(huì)產(chǎn)生較大的科氏力，從而增加了陀螺儀的靈敏度。然而多質(zhì)量塊的系統(tǒng)很難保證每塊質(zhì)量塊的大小一致，質(zhì)量塊大小不一致會(huì)造成耦合能量損失，進(jìn)而降低靈敏度，產(chǎn)生大的噪聲。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種具有較高的靈敏度，并且檢測誤差小，性能穩(wěn)定的MEMS陀螺儀。一種MEMS陀螺儀，包括：測量體、與所述測量體相連接的上蓋板硅片以及下蓋板硅片；所述測量體包括外框架、位于所述外框架內(nèi)的內(nèi)框架以及與所述內(nèi)框架相連接的質(zhì)量塊；所述外框架與所述內(nèi)框架之間通過第一彈性梁相連接；所述質(zhì)量塊與所述內(nèi)框架通過所述第二彈性梁相連接；所述質(zhì)量塊的四邊與所述內(nèi)框架之間設(shè)置有四組梳狀耦合結(jié)構(gòu)，其中兩組所述梳狀耦合結(jié)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)所述質(zhì)量塊，另外兩組所述梳狀耦合結(jié)構(gòu)用于測量所述質(zhì)量塊相對(duì)于所述內(nèi)框架的位移。本發(fā)明中的MEMS陀螺儀還包括如下附屬特征：所述內(nèi)框架與所述外框架之間設(shè)置有多根第一彈性梁；所述第一彈性梁以所述質(zhì)量塊的中線對(duì)稱設(shè)置。多組所述第一彈性梁設(shè)置在所述外框架和所述內(nèi)框架之間的間隔空間內(nèi)，并在間隔空間中自由活動(dòng)。每根所述第一彈性梁包括兩根Y型彈性梁，每根所述Y型彈性梁包括一根主干部以及兩根分支部；所述兩根分支部分別與所述內(nèi)框架以及所述外框架相連接。所述兩根Y型彈性梁的主干部分的末端設(shè)置在所述內(nèi)框架的端角處，兩末端呈直角相連接。所述質(zhì)量塊與所述內(nèi)框架之間形成活動(dòng)間隙，所述質(zhì)量塊與所述內(nèi)框架通過多根所述第二彈性梁相連接；所述第二彈性梁分別設(shè)置于所述質(zhì)量塊的端角處；并與所述內(nèi)框架相連接。所述第二彈性梁為U型折疊梁。所述測量體采用包括有上硅層及下硅層的雙層硅結(jié)構(gòu)，每層硅層之間分別設(shè)置有氧化埋層，所述上硅層的表面形成有外延層。所述第一彈性梁成型于所述外延層；所述第二彈性梁成型于所述外延層以及所述上硅層。所述測量體、所述上蓋板硅片及所述下蓋板硅片上分別設(shè)置有電極。一種MEMS陀螺儀的制造工藝，所述制造工藝包括以下步驟：第一步，在絕緣體上外延硅硅片的上硅層上生長出一外延層；第二步，通過高溫氧化以及淀積處理，分別在所述上硅層的外延層和所述下硅層表面上形成一層二氧化硅層和一層氮化硅層；第三步，通過光刻和刻蝕將所述下硅層表面外側(cè)部分的氮化硅層和氧化硅層去除，露出部分所述下硅層；同時(shí)將下硅層表面的內(nèi)側(cè)部分的氮化硅層去除，露出二氧化硅層；第四步，將所述下硅層暴露在外的外側(cè)部分刻蝕至一定深度，形成外框架；第五步，通過刻蝕，將暴露在外的內(nèi)側(cè)部分的所述二氧化硅層去除，并露出所述下硅層；第六步，將暴露在外的所述下硅層的外側(cè)及內(nèi)側(cè)進(jìn)一步刻蝕，直至所述下硅層的外側(cè)部分被刻蝕至氧化埋層，從而形成外框架及內(nèi)框架；第七步，通過刻蝕將所述下硅層的外側(cè)部分的氧化埋層去除，并將暴露在外的所述下硅層的外側(cè)和內(nèi)側(cè)進(jìn)一步刻蝕，直至所述下硅層的內(nèi)側(cè)部分被刻蝕至氧化埋層，從而形成第二彈性梁；同時(shí)下硅層的外側(cè)部分刻蝕至外延層，從而形成第一彈性梁；第八步，將所述下硅層表面的二氧化硅層、氮化硅層及所述第二彈性梁表面的氧化埋層去除，并將兩塊刻蝕后的絕緣體上外延硅硅片進(jìn)行背對(duì)背硅-硅鍵合；第九步，通過光刻和刻蝕，在兩塊絕緣體上外延硅硅片的所述上硅層表面的氮化硅層及二氧化硅層上刻蝕出多個(gè)深至外延層的孔；并再次對(duì)所述孔進(jìn)行深度刻蝕形成通孔，從而形成自由活動(dòng)的第一和第二彈性梁；第十步，將所述絕緣體上外延硅硅片表面的氮化硅層及二氧化硅層去除，形成測量體；第十一步，將所述測量體與上蓋板硅片及下蓋板硅片進(jìn)行鍵合。對(duì)所述上蓋板硅片及下蓋板硅片的加工工藝還包括：A、在所述上蓋板硅片或下蓋板硅片上通過光刻、深度刻蝕及刻蝕形成多個(gè)通孔；B、在所述上蓋板硅片和所述下蓋板硅片的鍵合面上分別通過光刻、深度刻蝕及刻蝕各自形成一個(gè)凹陷區(qū)；C、與所述絕緣體上外延硅硅片鍵合之前，對(duì)所述上蓋板硅片及所述下蓋板硅片進(jìn)行清洗；D、與所述絕緣體上外延硅硅片鍵合之后，在所述上蓋板硅片、所述下蓋板硅片的表面上淀積金屬并引出電極，通過所述上蓋板硅片或下蓋板硅片上的所述通孔在所述絕緣體上外延硅硅片的表面上淀積金屬，并通過所述通孔引出電極。所述深度刻蝕及所述刻蝕的方法為以下方法中的一種或多種方法：干法刻蝕或濕法刻蝕，所述干法刻蝕包括：硅的深度反應(yīng)離子刻蝕及反應(yīng)離子刻蝕。所述用于腐蝕硅層的腐蝕劑為以下腐蝕劑中的一種或多種的組合：氫氧化鉀、四甲基氫氧化氨、乙二胺磷苯二酚或氣態(tài)的二氟化氙。所述用于腐蝕二氧化硅層的腐蝕劑為以下腐蝕劑中的一種或多種的組合：緩沖氫氟酸、49%氫氟酸或氣態(tài)的氟化氫。按照本發(fā)明所提供的一種MEMS陀螺儀及其制造工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)：首先，本發(fā)明的制造工藝將兩塊SOI硅片進(jìn)行鍵合，增大了質(zhì)量塊，從而在檢測角速度的過程中，能夠產(chǎn)生較大的科氏力。使得本MEMS陀螺儀的檢測靈敏度更高。相比起現(xiàn)有技術(shù)中采用多塊質(zhì)量塊的設(shè)計(jì)，本MEMS陀螺儀的質(zhì)量塊為一塊，這樣也大大降低了檢測過程中的噪音和誤差。其次，本發(fā)明中的MEMS陀螺儀通過測量上、下蓋板硅片和測量體之間的平板電容值的變化來計(jì)算旋轉(zhuǎn)角速度。測量平板電容值的方法具有靈敏度，準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)。而且由于腐蝕工藝和鍵合工藝較為簡單，本產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)效率極高、成本也較低。附圖說明圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明中的測量體的俯視圖。圖3為本發(fā)明中的制造方法的第一步、第二步示意圖。圖4為本發(fā)明中的制造方法的第三步、第四步示意圖。圖5為本發(fā)明中的制造方法的第五步、第六步示意圖。圖6為本發(fā)明中的制造方法的第七步、第八步示意圖。圖7為本發(fā)明中的制造方法的第九步示意圖。圖8為本發(fā)明中的制造方法的第十步示意圖。圖9為本發(fā)明中的制造方法的第十一步示意圖。圖10為本發(fā)明中的制造方法的第十二步示意圖。圖11為本發(fā)明中的制造方法的第十三步示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳述：參照?qǐng)D1，一種MEMS陀螺儀，包括：測量體1、與所述測量體1相連接的上蓋板硅片2以及下蓋板硅片3；所述測量體1、所述上蓋板硅片2及所述下蓋板硅片3上分別設(shè)置有電極；所述測量體1為絕緣體上外延硅結(jié)構(gòu)，簡稱SOI結(jié)構(gòu)，包括上硅層4及下硅層5；所述上硅層4和下硅層5之間設(shè)置有氧化埋層6。參見圖1及圖2，所述測量體1包括外框架11、位于所述外框架11內(nèi)的內(nèi)框架12以及質(zhì)量塊13；所述外框架11和內(nèi)框架12之間通過第一彈性梁14相連接。外框架11和內(nèi)框架12之間的間隔空間內(nèi)設(shè)置有多組第一彈性梁14，第一彈性梁14可以在該間隔空間中自由活動(dòng)。每組第一彈性梁14包括兩根Y型彈性梁，每根Y型彈性梁包括一根主干部141以及兩根分支部142，兩根分支部142分別與內(nèi)框架12以及外框架11相連接。每組第一彈性梁14均以質(zhì)量塊13的中線對(duì)稱設(shè)置。而兩根Y型彈性梁的主干部141設(shè)置在內(nèi)框架12的端角處，并呈直角相連接。參見圖1及圖2,，內(nèi)框架12與質(zhì)量塊13之間通過第二彈性梁15相連接，第二彈性梁15為彈性彎折梁。優(yōu)選地，所述質(zhì)量塊13為一方形體，所述第二彈性梁15設(shè)置在質(zhì)量塊的四個(gè)端角處。內(nèi)框架12和質(zhì)量塊13的四邊分別設(shè)置有多組相互對(duì)應(yīng)的梳狀耦合結(jié)構(gòu)16。在一實(shí)施例中，兩組相互對(duì)應(yīng)的梳狀耦合結(jié)構(gòu)161,162用于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊13不停地在陀螺的驅(qū)動(dòng)頻率上來回振動(dòng)，另外兩組相互對(duì)應(yīng)的梳狀耦合結(jié)構(gòu)163,164來測量質(zhì)量塊13的位移幅度。通過檢測質(zhì)量塊13的位移幅度可以計(jì)算出驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊13的頻率，并與梳狀耦合結(jié)構(gòu)161及162的驅(qū)動(dòng)頻率進(jìn)行比較。當(dāng)梳狀耦合結(jié)構(gòu)163和164所檢測到的頻率偏離了驅(qū)動(dòng)頻率時(shí)，控制電路會(huì)做出相應(yīng)的補(bǔ)償和調(diào)整，來減少質(zhì)量塊振動(dòng)頻率相對(duì)驅(qū)動(dòng)頻率的偏移。而在另一實(shí)施例中，梳狀耦合結(jié)構(gòu)163,164則用于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊13,梳狀耦合結(jié)構(gòu)161,162用于檢測質(zhì)量塊13的位移幅度。參照?qǐng)D1及圖2，本MEMS陀螺儀在封裝成芯片后，測量體1與上蓋板硅片2以及下蓋板硅片3之間各自形成一電容。根據(jù)MEMS陀螺儀的工作原理，當(dāng)質(zhì)量塊13由兩組梳狀耦合結(jié)構(gòu)161及162驅(qū)動(dòng)而在X軸方向不停地來回振動(dòng)時(shí)，如果Y軸方向上出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角速度，質(zhì)量塊13會(huì)在Z軸方向上產(chǎn)生一個(gè)科氏力。科氏力會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量塊13以及與質(zhì)量塊13相連接的內(nèi)框架12在Z軸方向上移動(dòng)。而根據(jù)電容公式C=εA/d，即兩片平行的導(dǎo)電片之間的電容量等于介電系數(shù)乘以正對(duì)面積除以垂直間距。當(dāng)質(zhì)量塊13及內(nèi)框架12在Z軸方向上產(chǎn)生位移時(shí)，測量體1與上蓋板硅片2以及下蓋板硅片3之間的電容值會(huì)產(chǎn)生變化。通過測量該電容值的變化則可以計(jì)算出質(zhì)量塊13所承受的科氏力，并且計(jì)算出旋轉(zhuǎn)角速度。優(yōu)選地，第二彈性梁15相對(duì)較厚，從而限制了質(zhì)量塊13在Z軸方向的位移幅度，減少了梳狀耦合結(jié)構(gòu)16驅(qū)動(dòng)在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊13來回振動(dòng)時(shí)質(zhì)量塊13所產(chǎn)生的扭曲，也減少了驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊13所產(chǎn)生的誤差。而第一彈性梁14相對(duì)較薄，使得質(zhì)量塊13和內(nèi)框架12更容易地位移，也加強(qiáng)了本MEMS陀螺儀的檢測靈敏度。接著，根據(jù)圖3至11詳細(xì)說明用于制造本發(fā)明中的MEMS陀螺儀的制造工藝，包括以下步驟：第一步，在SOI硅片的上硅層4上通過高溫生長出一層外延層7；第二步，對(duì)SOI硅片的上硅層4和下硅層5進(jìn)行高溫氧化處理，在其表面分別形成一層二氧化硅層8；或者利用化學(xué)氣態(tài)淀積法（CVD）淀積一層二氧化硅層8。第三步，對(duì)SOI硅片的上硅層4和下硅層5表面分別利用化學(xué)氣態(tài)淀積法淀積一層氮化硅層9。第四步，對(duì)所述SOI硅片的下硅層5上涂覆光阻劑。之后按照特定圖案對(duì)下硅層5進(jìn)行曝光，并用顯影液進(jìn)行顯影。這樣被曝光的圖案就會(huì)顯現(xiàn)出來。再利用反應(yīng)離子干法刻蝕或緩沖氫氟酸對(duì)二氧化硅層8和氮化硅層9上被曝光的部分進(jìn)行刻蝕直至露出下硅層5的外側(cè)部分51。第五步，對(duì)所述SOI硅片的下硅層5上涂覆光阻劑。之后按照特定圖案對(duì)下硅層5進(jìn)行曝光，并用顯影液進(jìn)行顯影。這樣被曝光的圖案就會(huì)顯現(xiàn)出來。再利用反應(yīng)離子干法刻蝕將內(nèi)側(cè)部分52的氮化硅層9去除。第六步，利用深度反應(yīng)離子刻蝕、或氫氧化鉀、或四甲基氫氧化氨、或乙二胺磷苯二酚將下硅層5的外側(cè)部分51刻蝕至一定深度。第七步，用緩沖氫氟酸、或49%氫氟酸、或氣態(tài)的氟化氫對(duì)下硅層5內(nèi)側(cè)52的二氧化硅層8進(jìn)行刻蝕，直至露出下硅層5。第八步，利用深度反應(yīng)離子刻蝕、或氫氧化鉀、或四甲基氫氧化氨、或乙二胺磷苯二酚對(duì)下硅層5的外側(cè)51和內(nèi)側(cè)52同時(shí)進(jìn)行刻蝕，直至下硅層5的外側(cè)51刻蝕至氧化埋層6，從而形成外框架11和內(nèi)框架12。第九步，利用緩沖氫氟酸、或49%氫氟酸、或氣態(tài)的氟化氫將氧化埋層6去除，并再次用深度反應(yīng)離子刻蝕、或氫氧化鉀、或四甲基氫氧化氨、或乙二胺磷苯二酚對(duì)下硅層5的外側(cè)51和內(nèi)側(cè)52同時(shí)進(jìn)行刻蝕，直至下硅層5的外側(cè)部分51被刻蝕至外延層7，而下硅層5的內(nèi)側(cè)部分52被刻蝕至氧化埋層6，從而形成第一和第二彈性梁14、15。第十步，利用干法刻蝕、緩沖氫氟酸、或49%氫氟酸、或氣態(tài)的氟化氫將下硅層5表面的氮化硅層9、二氧化硅層8以及第二彈性梁15表面的氧化埋層6去除，并對(duì)硅片表面進(jìn)行清洗；清洗后將兩塊刻蝕后的SOI硅片進(jìn)行背對(duì)背硅-硅鍵合。第十一步，對(duì)鍵和后的所述兩塊SOI硅片的上硅層4表面上涂覆光阻劑。之后按照特定圖案對(duì)其表面進(jìn)行曝光，并用顯影液進(jìn)行顯影。這樣被曝光的圖案就會(huì)顯現(xiàn)出來。再用干法刻蝕、緩沖氫氟酸、或49%氫氟酸、或氣態(tài)的氟化氫對(duì)SOI硅片的上硅層4表面的氮化硅層9和二氧化硅層8進(jìn)行刻蝕，刻蝕出多個(gè)深至外延層7的孔。并再次通過這些孔對(duì)外延層7及上硅層4進(jìn)一步深度刻蝕至所述孔貫通，從而形成自由活動(dòng)的第一和第二彈性梁14、15。第十二步，利用干法刻蝕、緩沖氫氟酸、或49%氫氟酸、或氣態(tài)的氟化氫將SOI硅片上、下表面的氮化硅層9及二氧化硅層8去除，從而形成完整的測量體1。第十三步，將處理后的SOI硅片與上蓋板硅片2和下蓋板硅片3進(jìn)行一次性鍵合。按照本發(fā)明提供的MEMS陀螺儀的制造工藝中，還進(jìn)一步包括以下步驟：對(duì)所述上蓋板硅片及下蓋板硅片的加工工藝還包括：A、在與所述SOI硅片鍵合之前，在所述上蓋板硅片2或下蓋板硅片3表面上涂覆光阻劑。之后按照特定圖案對(duì)其進(jìn)行曝光，并用顯影液進(jìn)行顯影。這樣被曝光的圖案就會(huì)顯現(xiàn)出來。再利用深度反應(yīng)離子刻蝕、或氫氧化鉀、或四甲基氫氧化氨、或乙二胺磷苯二酚將上蓋板硅片2或下蓋板硅片3被曝光的部分深度刻蝕至二氧化硅層。然后用緩沖氫氟酸、或49%氫氟酸、或氣態(tài)的氟化氫對(duì)被曝光的二氧化硅層進(jìn)行蝕刻，并形成多個(gè)通孔。并將光阻劑去除。B、在上蓋板硅片2和下蓋板硅片3的鍵合面上涂覆光阻劑，之后按照特定圖案對(duì)其進(jìn)行曝光，并用顯影液進(jìn)行顯影。這樣被曝光的圖案就會(huì)顯現(xiàn)出來。再利用深度反應(yīng)離子刻蝕、或氫氧化鉀、或四甲基氫氧化氨、或乙二胺磷苯二酚，分別將上蓋板硅片2和下蓋板硅片3被曝光的部分深度刻蝕至一定位置。從而在上蓋板硅片2和下蓋板硅片3的鍵合面上各自形成一個(gè)凹陷區(qū)，并將光阻劑去除。C、在與所述SOI硅片鍵合之前，對(duì)上蓋板硅片2及下蓋板硅片3對(duì)進(jìn)行清洗；D、與所述SOI硅片鍵合之后，在所述上蓋板硅片2、所述下蓋板硅片3的表面上淀積金屬并引出電極，通過所述上蓋板硅片2或下蓋板硅片上3的所述通孔在所述SOI硅片的表面上淀積金屬，并通過所述通孔引出電極。其中，本發(fā)明中的上述加工工藝中的氮化硅層9和二氧化硅層8起到保護(hù)其所覆蓋的硅層，使其不被刻蝕或腐蝕。而本發(fā)明中的外延層7為摻雜元素量較高的單晶硅層。其作用在于防止氫氧化鉀、或四甲基氫氧化氨、或乙二胺磷苯二酚進(jìn)一步對(duì)硅層進(jìn)行刻蝕。本發(fā)明中所述的深度刻蝕及所述刻蝕的方法為以下方法中的一種或多種方法：干法刻蝕或濕法刻蝕，所述干法刻蝕包括：硅的深度反應(yīng)離子刻蝕及反應(yīng)離子刻蝕。本發(fā)明中的上述方法中所用的材料、設(shè)備、工藝均采用現(xiàn)有技術(shù)，但通過利用這些材料及工藝，尤其是利用了SOI硅片所制造出的MEMS陀螺儀，發(fā)生了質(zhì)的變化。首先，通過將兩塊SOI硅片進(jìn)行鍵合增大了質(zhì)量塊，也增大了科氏力的幅度，從而使得本MEMS陀螺儀的檢測靈敏度更高。相比起現(xiàn)有技術(shù)中采用多塊質(zhì)量塊的設(shè)計(jì)，本MEMS陀螺儀的質(zhì)量塊13為一塊，這樣也大大降低了檢測過程中的噪音和誤差。其次，本發(fā)明中的MEMS陀螺儀采用了測量上、下蓋板硅片2、3和測量體1之間的平板電容值的變化來計(jì)算旋轉(zhuǎn)角速度。測量平板電容值的方法具有靈敏度，準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)。再次，設(shè)置在內(nèi)框架12和質(zhì)量塊13之間的其中一對(duì)用于檢測質(zhì)量塊13位移的梳狀耦合結(jié)構(gòu)16進(jìn)一步減少了驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊13時(shí)所產(chǎn)生的耦合誤差。使得檢測更加的精準(zhǔn)。而且由于腐蝕工藝和硅的鍵合工藝較為簡單，也使得本產(chǎn)品的生產(chǎn)效率極高、成本也較低。為此本工藝所制造的MEMS陀螺儀具有靈敏度高、誤差小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。