一種小型化耐高過載數(shù)字式mems陀螺儀傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種小型化耐高過載數(shù)字式MEMS陀螺儀傳感器，在LTCC基板上，通過點(diǎn)膠、金絲鍵合、共金焊或平行封焊中的一種或多種工藝將MEMS陀螺儀敏感結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理電路組裝上，在LTCC基板上焊接容納MEMS陀螺儀敏感結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理電路的金屬圍框，金屬圍框上焊接金屬蓋板形成封閉。本發(fā)明中的小型化耐高過載數(shù)字式MEMS陀螺儀傳感器采用一種新型的MEMS敏感結(jié)構(gòu)和數(shù)字式信號(hào)處理電路，并通過基于LTCC材料制作的封裝基板將二者組裝起來，大大縮小了陀螺儀的尺寸，并可通過計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺儀信號(hào)處理電路的調(diào)試配置和參數(shù)的下載燒寫，提高了陀螺儀的調(diào)試效率。
【專利說明】一種小型化耐高過載數(shù)字式MEMS陀螺儀傳感器
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種小型化耐高過載數(shù)字式MEMS陀螺儀傳感器，屬于電子【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0003]陀螺儀是導(dǎo)航和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中的核心傳感器。陀螺儀的種類很多，技術(shù)較為成熟的有傳統(tǒng)機(jī)械陀螺儀、光纖陀螺儀等。MEMS ( Micro Electro-Mechanical System微機(jī)電系統(tǒng))陀螺儀作為MEMS傳感器的一種，因其尺寸小易于集成，抗高過載，成本較低，越來越廣泛的應(yīng)用于中低精度的導(dǎo)航和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中。MEMS陀螺儀傳感器主要有兩部分組成:MEMS敏感結(jié)構(gòu)和MEMS敏感結(jié)構(gòu)的信號(hào)處理電路。其性能主要受MEMS敏感結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和工藝加工水平、信號(hào)處理電路性能、組封裝設(shè)計(jì)和工藝水平、信號(hào)處理電路電參數(shù)配置等幾方面的影響。傳統(tǒng)MEMS陀螺儀多采用模擬ASIC電路作為相應(yīng)的信號(hào)處理電路，電路體積較大，抗干擾和抗高過載能力均較弱，且電路調(diào)試繁瑣，在工作溫度范圍內(nèi)受溫度變化影響劇烈，不易實(shí)現(xiàn)高可靠性的小型化集成和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種小型化耐高過載數(shù)字式MEMS陀螺儀傳感器，使陀螺儀的尺寸大大縮小，組裝簡(jiǎn)便。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種小型化耐高過載數(shù)字式MEMS陀螺儀傳感器，其特征是，在LTCC基板上，將MEMS陀螺儀敏感結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理電路組裝于基板之上并通過金絲鍵合完成MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)與信號(hào)處理電路的電氣連接，最后通過平行封焊形成氣密性封裝。
[0006]信號(hào)處理電路采用SPI通信協(xié)議與外部通信。
[0007]信號(hào)處理電路匹配諧振頻率在2kHz?30kHz范圍內(nèi)的MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)。
[0008]信號(hào)處理電路對(duì)MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、敏感信號(hào)檢測(cè)、C/V轉(zhuǎn)換、溫度補(bǔ)償并在完成配置參數(shù)在信號(hào)處理電路的下載后輸出數(shù)字信號(hào)。
[0009]信號(hào)處理電路內(nèi)的驅(qū)動(dòng)環(huán)路產(chǎn)生與MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)諧振頻率相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在驅(qū)動(dòng)檢測(cè)端檢測(cè)MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)的輸出信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)控制模塊內(nèi)的帶通濾波器和自動(dòng)幅值控制對(duì)MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)諧振頻率的鎖相和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的穩(wěn)幅。
[0010]本發(fā)明所達(dá)到的有益效果:
本發(fā)明中的小型化耐高過載數(shù)字式MEMS陀螺儀傳感器采用一種新型的MEMS敏感結(jié)構(gòu)和數(shù)字式信號(hào)處理電路，并通過基于LTCC (低溫共燒陶瓷)材料制作的封裝基板將二者組裝起來，大大縮小了陀螺儀的尺寸，并可通過計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺儀信號(hào)處理電路的調(diào)試配置和參數(shù)的下載燒寫，提高了陀螺儀的調(diào)試效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是MEMS陀螺儀敏感結(jié)構(gòu)；
圖2是圖1的俯視圖；
圖3是圖1的左視圖；
圖4是MEMS陀螺儀電氣連接示意圖；
圖5是MEMS陀螺儀組封裝剖視圖；
圖6是去掉金屬蓋板的封裝示意圖；
圖中，1、金屬蓋板；2、金屬圍框；3、LTCC基板。

【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0013]1、MEMS敏感結(jié)構(gòu)
MEMS敏感結(jié)構(gòu)采用單支點(diǎn)角振動(dòng)式的設(shè)計(jì)方案，該結(jié)構(gòu)方案由一個(gè)驅(qū)動(dòng)外環(huán)和一個(gè)敏感檢測(cè)內(nèi)盤組成。整個(gè)結(jié)構(gòu)僅通過中心一個(gè)支撐點(diǎn)懸在基片之上，因此陀螺敏感結(jié)構(gòu)是一個(gè)準(zhǔn)懸浮式的。同時(shí)利用體硅加工工藝結(jié)合深槽刻蝕實(shí)現(xiàn)陀螺敏感結(jié)構(gòu)的加工成形，利用晶圓級(jí)真空封裝和硅硅鍵合技術(shù)完成了陀螺敏感結(jié)構(gòu)上硅帽的鍵合(陀螺敏感結(jié)構(gòu)凸起部分即為硅帽，內(nèi)部為高真空環(huán)境)，實(shí)現(xiàn)了高Q值高精度和抗高過載的MEMS陀螺儀的敏感結(jié)構(gòu)，其尺寸僅為長(zhǎng)3.2X寬3.0X高0.9 (_)。由于較其他同類型陀螺敏感結(jié)構(gòu)具有更小的外形尺寸，其耐高過載能力顯著提高。其外形尺寸如圖1、圖2和圖3所示。
[0014]2、MEMS敏感結(jié)構(gòu)信號(hào)處理電路
傳統(tǒng)基于模擬信號(hào)處理電路的MEMS陀螺儀傳感器由于諸多原因很難將整個(gè)信號(hào)處理電路整合于一塊集成電路中。因此，多采用將電路的核心部分設(shè)計(jì)成一塊集成電路并與MEMS陀螺儀敏感結(jié)構(gòu)封裝于管殼中，再將封裝后的模塊焊接在PCB板上與電路的其他部分實(shí)現(xiàn)電氣連接，所以往往整個(gè)MEMS陀螺儀傳感器的尺寸較大，不利于小型化。
[0015]本實(shí)施例中的信號(hào)處理電路為一款數(shù)字式信號(hào)處理電路，且整個(gè)電路全部集成在一塊尺寸為5X2.4 (mm)的集成電路上，大大縮小了信號(hào)處理電路的尺寸。具有很高的可編程性和兼容性，與外部通信采用SPI通信協(xié)議，可通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)該電路的配置與編程。同時(shí)，該電路可匹配諧振頻率在2kHz?30kHz范圍內(nèi)的MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)且具備閉環(huán)功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺敏感結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)、敏感信號(hào)檢測(cè)、C/V轉(zhuǎn)換、溫度補(bǔ)償并在完成配置參數(shù)在信號(hào)處理電路的下載后輸出數(shù)字信號(hào)。
[0016]該信號(hào)處理電路由驅(qū)動(dòng)環(huán)路、敏感環(huán)路和數(shù)字處理三部分組成。驅(qū)動(dòng)環(huán)路可以產(chǎn)生與陀螺敏感結(jié)構(gòu)諧振頻率相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并在其驅(qū)動(dòng)模態(tài)檢測(cè)端檢測(cè)其輸出信號(hào)，再通過驅(qū)動(dòng)環(huán)路內(nèi)的驅(qū)動(dòng)模態(tài)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺諧振頻率的鎖相和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的穩(wěn)幅。敏感環(huán)路可以檢測(cè)陀螺敏感結(jié)構(gòu)中敏感檢測(cè)內(nèi)盤的輸出信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)C/V變換、放大、相位解調(diào)、數(shù)字濾波后實(shí)現(xiàn)陀螺角速度輸出信號(hào)的輸出。再經(jīng)過數(shù)字溫度補(bǔ)償和標(biāo)度因數(shù)補(bǔ)償后，消除陀螺傳感器輸出隨外界溫度變化出現(xiàn)的漂移現(xiàn)象。MEMS陀螺儀敏感結(jié)構(gòu)與信號(hào)處理電路的工作原理示意圖如圖4所示。
[0017]3、MEMS陀螺儀傳感器組封裝傳統(tǒng)基于模擬信號(hào)處理電路的MEMS陀螺儀傳感器往往由于電路尺寸較大，多采用PCB板的形式將MEMS敏感結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理電路集成起來并外加金屬管殼實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的保護(hù)。由于存在較多的表貼式器件，因此組裝較為費(fèi)時(shí)。同時(shí)由于采用較大的PCB板作為電路的主體部分，在傳感器受到外部強(qiáng)沖擊時(shí)往往可能發(fā)生變形甚至斷裂，致使整個(gè)傳感器毀壞。
[0018]本發(fā)明中的MEMS陀螺儀傳感器的組封裝基于LTCC (低溫共燒陶瓷)基板3，通過點(diǎn)膠、金絲鍵合、共金焊和平行封焊等工藝將MEMS陀螺儀敏感結(jié)構(gòu)10和MEMS陀螺儀信號(hào)處理電路20組裝于LTCC基板3、金屬圍框2和金屬蓋板I組成的管殼中。其尺寸僅為長(zhǎng)14.1X寬11.4X高3.l(mm)。實(shí)現(xiàn)了 MEMS陀螺儀傳感器的小型化，同時(shí)由于較小的外形尺寸使傳感器耐外部強(qiáng)沖擊。LTCC基板其組裝示意圖如圖5、圖6所示。
[0019]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種小型化耐高過載數(shù)字式MEMS陀螺儀傳感器，其特征是，在LTCC基板上，將MEMS陀螺儀敏感結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理電路組裝于基板之上并通過金絲鍵合完成MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)與信號(hào)處理電路的電氣連接，最后通過平行封焊形成氣密性封裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化耐高過載數(shù)字式MEMS陀螺儀傳感器，其特征是，信號(hào)處理電路采用SPI通信協(xié)議與外部通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化耐高過載數(shù)字式MEMS陀螺儀傳感器，其特征是，信號(hào)處理電路匹配諧振頻率在2kHz?30kHz范圍內(nèi)的MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化耐高過載數(shù)字式MEMS陀螺儀傳感器，其特征是，信號(hào)處理電路對(duì)MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、敏感信號(hào)檢測(cè)、C/V轉(zhuǎn)換、溫度補(bǔ)償并在完成配置參數(shù)在信號(hào)處理電路的下載后輸出數(shù)字信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的小型化耐高過載數(shù)字式MEMS陀螺儀傳感器，其特征是，信號(hào)處理電路內(nèi)的驅(qū)動(dòng)環(huán)路產(chǎn)生與MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)諧振頻率相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在驅(qū)動(dòng)檢測(cè)端檢測(cè)MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)的輸出信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)控制模塊內(nèi)的帶通濾波器和自動(dòng)幅值控制對(duì)MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)諧振頻率的鎖相和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的穩(wěn)幅。
【文檔編號(hào)】G01C19/5776GK104390637SQ201410659298
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】凌波, 王曉臣, 康寶鵬, 劉海亮, 鞠莉娜, 喬偉, 王甫, 高玉霞 申請(qǐng)人:中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第二一四研究所蘇州研發(fā)中心