本發(fā)明涉及傳感器領域，尤其涉及一種陀螺儀

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)運用于諸多領域，如輪船、飛機等。而在微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)不斷進步的情況下，許多納米級的小型陀螺儀將被商業(yè)化廣泛應用于汽車、機器人、手機、移動設備等領域。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物體傳感角速度的概念。利用振動來誘導和探測科氏力。例如公開號為CN101180516的中國發(fā)明專利申請，其利用驅(qū)動器對多個質(zhì)量塊以X方向進行加速，當陀螺儀在Z軸上發(fā)生角速度為Ω的旋轉(zhuǎn)時，質(zhì)量塊會根據(jù)以下公式在Y方向產(chǎn)生科氏力Fcori。陀螺儀對Y方向的科氏力進行檢測，從而可以計算出旋轉(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陀螺儀對旋轉(zhuǎn)角速度Ω的檢測靈敏度，MEMS陀螺儀需要在檢測時產(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)動質(zhì)量塊的速度v來增加科氏力。為此，大多數(shù)專利通過增加質(zhì)量塊的質(zhì)量m來增強陀螺儀的檢測靈敏度。例如公開號為CN101135559的中國發(fā)明專利申請，其通過設置多個質(zhì)量塊來加大質(zhì)量塊總體質(zhì)量m。在檢測過程中，會產(chǎn)生較大的科氏力，從而增加了陀螺儀的靈敏度。然而在同一平面上制造多個質(zhì)量塊會增大芯片面積，且多質(zhì)量塊的系統(tǒng)很難保證每塊質(zhì)量塊的大小一致，因此會造成耦合能量損失，進而降低靈敏度，產(chǎn)生大的噪聲。同時，兩個質(zhì)量塊之間的運動幅度也會有所不同。為此，該發(fā)明用彈性梁將兩個質(zhì)量塊相連接，來達到質(zhì)量塊位移幅度一致。但在制造過程中梁的尺寸會有偏差，從而限制了陀螺儀的檢測精確度。此外，該發(fā)明要為兩個質(zhì)量塊和兩個檢測結(jié)構(gòu)分別設置電路，增加了電路的功耗及復雜性。

技術(shù)實現(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)定的陀螺儀。一種MEMS反相振動陀螺儀，包括：測量體、與所述測量體相連接的上蓋板以及下蓋板；所述測量體為兩個，沿垂直方向相對連接，每個所述測量體包括外框架、位于所述外框架內(nèi)的內(nèi)框架以及位于所述內(nèi)框架內(nèi)的質(zhì)量塊；兩個所述測量體之間通過所述外框架相連接；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；所述內(nèi)框架與所述外框架之間的相對邊設置有梳狀耦合結(jié)構(gòu)；兩個所述質(zhì)量塊在垂直方向上以相反方向振動，所述梳狀耦合結(jié)構(gòu)測量旋轉(zhuǎn)角速度。本發(fā)明中的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置有多組第一彈性梁；所述第一彈性梁以所述質(zhì)量塊的中線對稱設置。多組所述第一彈性梁設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。所述第一彈性梁為U型折疊梁。所述質(zhì)量塊與所述內(nèi)框架之間設置有多組第二彈性梁，每組所述第二彈性梁包括兩根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)框架以及所述質(zhì)量塊相連接。所述兩根Y型彈性梁的主干部分的末端設置在所述內(nèi)框架的端角處，兩末端呈直角相連接。所述第一彈性梁的厚度大于所述第二彈性梁的厚度。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以及所述上硅層；所述第二彈性梁成型于所述外延層。所述質(zhì)量塊以及所述梳狀耦合結(jié)構(gòu)上分別設置有電極。所述上蓋板及所述下蓋板的材料為硅片或玻璃片。一種陀螺儀的制造工藝，其特征在于，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，通過高溫氧化或淀積處理，在所述外延層表面上形成一層二氧化硅層；第三步，通過光刻和刻蝕在所述絕緣體上外延硅硅片外側(cè)及內(nèi)側(cè)的所述二氧化硅層表面上刻蝕出多個深至所述外延層的孔；第四步，通過光刻及深度刻蝕，刻穿所述絕緣體上外延硅硅片外側(cè)的孔內(nèi)的外延層，并將上硅層深度刻蝕至一定深度；第五步，去除光刻膠，通過深度刻蝕，將所述絕緣體上外延硅硅片外側(cè)的孔深度刻蝕至氧化埋層，形成外框架以及第一彈性梁；并同時在硅片內(nèi)側(cè)刻蝕出多個深至上硅層的孔，形成第二彈性梁；第六步，將所述二氧化硅層去除；第七步，在所述上硅層以及外延層表面淀積氮化硅或二氧化硅，形成保護層；第八步，將水平方向上的所述保護層去除，然后將所述絕緣體上外延硅硅片與上蓋板鍵合；第九步，將所述絕緣體上外延硅硅片的下硅層進行拋光，并減薄一定厚度，之后在所述下硅層表面生長或淀積出一層二氧化硅層；第十步，通過光刻和刻蝕，將下硅層的內(nèi)側(cè)的所述二氧化硅層去除，并露出所述下硅層的內(nèi)側(cè)部分；第十一步，通過化學腐蝕和深度刻蝕，將所述下硅層的內(nèi)側(cè)部分刻蝕至氧化埋層；第十二步，通過刻蝕將所述下硅層的內(nèi)側(cè)部分的氧化埋層以及下硅層表面的二氧化硅層去除，并將暴露在外的絕緣體上外延硅硅片進行刻蝕，直至所述內(nèi)側(cè)部分刻蝕至外延層，所述下硅層刻蝕至氧化埋層，從而形成內(nèi)框架及質(zhì)量塊；第十三步，通過光刻以及刻蝕，將所述內(nèi)框架、第一彈性梁及質(zhì)量塊表面的氧化埋層去除；第十四步，通過刻蝕，將保護層去除；第十五步，將兩塊絕緣體上外延硅硅片進行背對背硅-硅鍵合，形成完整的MEMS反相振動陀螺儀。對所述上蓋板及下蓋板的加工工藝還包括：A、在所述上蓋板和所述下蓋板的鍵合面上分別通過光刻、深度刻蝕及刻蝕各自形成一個凹陷區(qū)；B、與所述絕緣體上外延硅硅片鍵合之前，對所述上蓋板及所述下蓋板進行清洗；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：硅的深度反應離子刻蝕及反應離子刻蝕。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)明所提供的一種陀螺儀及其制造工藝具有如下優(yōu)點：首先，本發(fā)明中有兩塊質(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。使得本陀螺儀的檢測靈敏度更高。相比起現(xiàn)有技術(shù)中采用水平方向上設置多個質(zhì)量塊，并通過彈性梁將質(zhì)量塊連接在一起的技術(shù)方案，本發(fā)明采用了在垂直方向上相對設置兩塊質(zhì)量塊，將芯片的面積減少了至少一半。并通過在兩塊質(zhì)量塊上分別施加極性相反的電壓，利用無機械結(jié)構(gòu)的電場耦合來驅(qū)動兩塊質(zhì)量塊振動，更容易達到最佳的諧振狀態(tài)，提高了檢測的精度，同時，本發(fā)明不需要像現(xiàn)有技術(shù)的雙質(zhì)量塊陀螺一樣，設置兩套驅(qū)動、檢測電路。因此，本發(fā)明也簡化了電路，降低了能耗，使得陀螺儀整體設計更加簡單，制造成本也更低。此外，根據(jù)電荷異性相吸的原理，兩塊質(zhì)量塊在垂直方向上的運動方向是相反的，因此輸出的科氏力也是反相的。如果在檢測電容方向出現(xiàn)線性加速度，其差分輸出電路將消除線性加速度的影響，從而避免了線性加速度導致的測量方向的誤差，同時輸出兩倍幅度的科氏力。為此，本發(fā)明的陀螺儀也具有高靈敏度，低誤差的優(yōu)點。而且由于腐蝕工藝和鍵合工藝較為簡單，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)也較為簡單，使得本產(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、第十步示意圖。圖8為本發(fā)明中的制造方法的第十一步、第十二步示意圖。圖9為本發(fā)明中的制造方法的第十三步、第十四步示意圖。圖10為本發(fā)明中的制造方法的第十五步示意圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳述：參照圖1，一種陀螺儀，包括：測量體1、與所述測量體1相連接的上蓋板2以及下蓋板3；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之間設置有氧化埋層6。參見圖1及圖2，所述測量體1為兩個，并沿垂直方向相對連接，每個測量體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；兩個所述測量體1之間通過所述外框架11相連接。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。第一彈性梁14為U型折疊梁，每組所述第一彈性梁14以質(zhì)量塊13的中線對稱設置。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包括兩根Y型彈性梁，每根Y型彈性梁包括一根主干部151以及兩根分支部152。優(yōu)選地，所述質(zhì)量塊13為一方形體，兩根分支部152分別與內(nèi)框架12以及質(zhì)量塊13相連接。每組第二彈性梁15均以質(zhì)量塊13的中線對稱設置。而兩根Y型彈性梁的主干部151設置在質(zhì)量塊13的端角處，并呈直角相連接。此外，在內(nèi)框架12與外框架11之間的相對邊上設置有梳狀耦合結(jié)構(gòu)16。有旋轉(zhuǎn)角速度時，梳狀耦合結(jié)構(gòu)16用于檢測內(nèi)框架12以及質(zhì)量塊13相對于外框架11的位移幅度。參照圖1及圖2，本陀螺儀在封裝成芯片后，集成電路會根據(jù)兩塊質(zhì)量塊13的質(zhì)量計算出諧振頻率以及用于驅(qū)動質(zhì)量塊的電壓值。并向兩塊質(zhì)量塊13分別施加極性相反的電壓。例如，向上質(zhì)量塊131施加正電壓，向下質(zhì)量塊132施加負電壓。根據(jù)電荷異性相吸的特性，在施加電壓后的兩塊質(zhì)量塊13會相互靠攏，第二彈性梁15也會有所變形。當電壓消失后，兩塊質(zhì)量塊13會因為第二彈性梁15的彈力回到初始狀態(tài)。集成電路按照一定周期向兩塊質(zhì)量塊13施加電壓，兩塊質(zhì)量塊13則會產(chǎn)生振動，最終達到諧振狀態(tài)。當兩塊質(zhì)量塊13在垂直方向，即Z軸方向來回振動時，如果在Y軸方向上出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角速度，兩塊質(zhì)量塊13會在X軸方向上產(chǎn)生一個科氏力?？剖狭е聝?nèi)框架12以及質(zhì)量塊13在X軸方向上產(chǎn)生位移。而根據(jù)電容公式C=εA/d，即兩片平行的導電片之間的電容量等于介電系數(shù)乘以正對面積除以垂直間距。當內(nèi)框架12以及質(zhì)量塊13在X軸方向上產(chǎn)生位移時，梳狀耦合結(jié)構(gòu)16之間的間距則會產(chǎn)生變化，從而導致電容值的變化。集成電路通過測量該電容值的變化則可以計算出質(zhì)量塊13所承受的科氏力，并且計算出旋轉(zhuǎn)角速度。優(yōu)選地，第一彈性梁14相對較厚，從而限制了內(nèi)框架12在垂直方向的位移幅度，減少了在驅(qū)動質(zhì)量塊13在垂直方向上來回振動時對內(nèi)框架12所產(chǎn)生的影響，也減少了驅(qū)動質(zhì)量塊13所產(chǎn)生的噪聲和誤差。而第二彈性梁15相對較薄，使得質(zhì)量塊13相對內(nèi)框架12更容易地位移，也加強了本陀螺儀的檢測靈敏度。參照圖1及圖2，由于質(zhì)量塊131和下質(zhì)量塊132在振動過程中的運動方向相反；在外界有線性加速度時，根據(jù)右手定律，上質(zhì)量塊131和下質(zhì)量塊132會分別產(chǎn)生一個相反方向的科氏力。由于兩個測量體1的內(nèi)框架12是相對獨立的，因此兩個測量體1的內(nèi)框架12與外框架11之間的梳狀耦合結(jié)構(gòu)16可以分別檢測到兩個幅度相同，但方向相反的科氏力。集成電路可以對這兩個科氏力的幅度進行差分輸出，得到原有科氏力的兩倍的幅度，進一步的增加的本陀螺儀的檢測靈敏度。而由于兩個質(zhì)量塊13所產(chǎn)生的科氏力的方向相反，檢測方向的線性加速度得以抵消，使得陀螺儀的檢測誤差較小。接著，根據(jù)圖3至10詳細說明用于制造本發(fā)明中的陀螺儀的制造工藝，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SOI硅片的外延層7進行高溫氧化處理，在其表面分別形成一層二氧化硅層8；或者利用化學氣態(tài)淀積法（CVD）淀積一層二氧化硅層8；第三步，對所述SOI硅片的上硅層4上涂覆光阻劑。之后按照特定圖案對上硅層4進行曝光，并用顯影液進行顯影。這樣被曝光的圖案就會顯現(xiàn)出來。再利用反應離子干法刻蝕或緩沖氫氟酸對二氧化硅層8上被曝光的上硅層的外側(cè)部分41及內(nèi)側(cè)部分42刻蝕出多個深至外延層7的孔；第四步，對所述SOI硅片的上硅層4上涂覆光阻劑。之后按照特定圖案對上硅層4進行曝光，并用顯影液進行顯影。這樣被曝光的圖案就會顯現(xiàn)出來。再利用深度反應離子刻蝕將上硅層的外側(cè)部分41的孔內(nèi)的外延層7刻穿，并進一步刻蝕上硅層4至一定深度；第五步，將第四步中所涂覆的光刻膠去除，利用深度反應離子刻蝕將上硅層的內(nèi)側(cè)部分42的孔刻蝕至上硅層4，形成第二彈性梁15；并同時對外側(cè)部分41的孔進行刻蝕，直至氧化埋層6，形成外框架11以及第一彈性梁14；第六步，利用反應離子干法刻蝕或緩沖氫氟酸將外延層7表面的二氧化硅層8去除；第七步，利用化學氣態(tài)淀積法在絕緣體上外延硅硅片表面淀積一層氮化硅或二氧化硅，形成保護層；第八步，利用反應離子干法刻蝕將水平方向上的所述保護層去除，然后將所述絕緣體上外延硅硅片與上蓋板2鍵合；第九步，將所述絕緣體上外延硅硅片的下硅層5進行機械拋光，并減薄一定厚度，之后通過高溫氧化或者化學氣態(tài)淀積法，在下硅層5表面形成一層二氧化硅層8；第十步，對所述SOI硅片的下硅層5上涂覆光阻劑。之后按照特定圖案對下硅層5進行曝光，并用顯影液進行顯影。這樣被曝光的圖案就會顯現(xiàn)出來。再利用反應離子干法刻蝕或緩沖氫氟酸對二氧化硅層8上被曝光的下硅層的內(nèi)側(cè)部分51進行刻蝕；第十一步，利用深度反應離子刻蝕、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的內(nèi)側(cè)部分51刻蝕至氧化埋層6；第十二步，利用反應離子干法刻蝕或緩沖氫氟酸將下硅層的內(nèi)側(cè)部分51的氧化埋層6以及下硅層5表面的二氧化硅層8去除，再利用深度反應離子刻蝕、或氫氧化鉀、或四甲基氫氧化氨、或乙二胺磷苯二酚對下硅層5整體進行刻蝕，直至內(nèi)側(cè)部分51被刻蝕至外延層7，其他部分被刻蝕至氧化埋層6，形成內(nèi)框架12及質(zhì)量塊13；第十三步，對所述SOI硅片的氧化埋層6上涂覆光阻劑。之后按照特定圖案對氧化埋層6進行曝光，并用顯影液進行顯影。這樣被曝光的圖案就會顯現(xiàn)出來。再利用反應離子干法刻蝕或緩沖氫氟酸將內(nèi)框架12、第一彈性梁14及質(zhì)量塊13表面的氧化埋層6去除；第十四步，保留第十三步中所涂覆的光刻膠，利用反應離子干法刻蝕或緩沖氫氟酸將保護層去除；第十五步，對兩塊絕緣體上外延硅硅片表面進行清洗，并將兩塊硅片進行背對背硅-硅鍵合，形成完整的MEMS反相振動陀螺儀。按照本發(fā)明提供的陀螺儀的制造工藝中，還進一步包括以下步驟：對所述上蓋板2及下蓋板3的加工工藝還包括：A、在上蓋板2和下蓋板3的鍵合面上涂覆光阻劑，之后按照特定圖案對其進行曝光，并用顯影液進行顯影。這樣被曝光的圖案就會顯現(xiàn)出來。再利用深度反應離子刻蝕、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2和下蓋板3被曝光的部分深度刻蝕至一定位置。從而在上蓋板2和下蓋板3的鍵合面上各自形成一個凹陷區(qū)，并將光阻劑去除。B、在與所述SOI硅片鍵合之前，對上蓋板2及下蓋板3對進行清洗；本發(fā)明中的上蓋板2及下蓋板3主要起到對測量體1的保護作用，為此所述上蓋板2及所述下蓋板3的材料為硅片、玻璃片等。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一步對硅層進行刻蝕。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：硅的深度反應離子刻蝕及反應離子刻蝕。本發(fā)明中的上述方法中所用的材料、設備、工藝均采用現(xiàn)有技術(shù)，但通過利用這些材料及工藝所制造出的陀螺儀，具有以下優(yōu)點:首先，本發(fā)明中的雙質(zhì)量塊設計使得整體質(zhì)量較大，在檢測過程中在驅(qū)動方向及檢測方向均有較大的諧振位移，檢測靈敏度也得以提高。其次，相比起現(xiàn)有技術(shù)中通過彈性梁等方式將兩塊質(zhì)量塊連接來達到耦合的技術(shù)方案，本發(fā)明中的兩個質(zhì)量塊是通過同一靜電驅(qū)動力下進行振動的，不但省去了設計及制造用于連接多個質(zhì)量塊的連接梁，避免了因加工誤差導致的偏差，使得質(zhì)量塊13之間的耦合能耗更小，兩塊質(zhì)量塊13之間也更容易達到最佳耦合，而且簡化了電路，降低了能耗。再次，使用三維的結(jié)構(gòu)組合，減少了芯片面積，提高了陀螺儀整體的集成度；最后，兩塊質(zhì)量塊13的反方向振動模式也大大提高了驅(qū)動模式下的品質(zhì)因子。也有效的消除了在檢測方向上外界線性加速度所產(chǎn)生的誤差以及由溫度升高等引起的共模誤差。本發(fā)明中的上蓋板2和下蓋板3上不設有電極，對上蓋板2和下蓋板3的材料要求也有所降低，技術(shù)人員可以根據(jù)成本以及材料的特性來選擇不同的材料來制作蓋板。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，本陀螺儀的具有檢測靈敏度高、抗干擾、噪聲低等優(yōu)點。