一种检测器件、MEMS陀螺仪的制作方法

本实用新型涉及微电子机械系统领域，尤其涉及一种检测器件、mems陀螺仪。

背景技术：

随着制造微米结构的复杂方法的发展，基于微机电系统(mems，micro-electro-mechanicalsystem)技术的装置已被广泛应用。mems陀螺仪，作为其中的的一种，在导航、定位和追踪中具有重要作用。

陀螺仪是对旋转敏感的装置，可用于检测旋转。当前的微机电陀螺仪核心测量结构为检测质量块。检测质量块可沿着驱动和检测方向运动，两个方向在检测质量块平面内正交。工作时，检测质量块沿着驱动方向以共振频率振动。当平面法线方向存在角速度时，检测质量块将在检测方向运动。可根据检测质量块在检测方向的运动特征计算出角速度。

测量的角速度由哥氏信号表征，引起检测质量块的运动。而质量块的运动受品质因子q影响，现有的陀螺仪的品质因子q的值较低，测量角度的哥氏信号差。

另外，mems陀螺仪输出的信号，除了哥氏信号外，还包含机械耦合信号、电耦合信号和力耦合信号。机械耦合信号、电耦合信号和力耦合信号被视为噪声信号。当质量块驱动信号和检测运动信号耦合在一起时，陀螺仪的信噪比低，需要大量的解耦算法去处理噪声信号，获取哥氏信号耗费的时间较长。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种检测器件、mems陀螺仪，用于解决现有技术中陀螺仪内部的哥氏信号差的技术问题。

为达到上述目的，本实用新型的检测器件采用如下技术方案：检测器件，固定在玻璃基底上，检测器件包括：第一电极块、第二电极块、第一质量块、第二质量块和固定锚点，第一电极块和第一质量块、第二电极块和第二质量块均通过电容连接，第一电极块和第二电极块结构相同；第一质量块和第二质量块结构对称，对称设置在固定锚点之间；第一质量块、第二质量块、固定锚点之间通过支承梁连接，第一电极块、第二电极块、固定锚点均与玻璃基底键合，第一质量块和第二质量块悬浮在玻璃基底上方。

优选地，固定锚点包括外围锚点、中间锚点和内锚点，第一质量块与第二质量块通过中间锚点和支承梁中的第一弹性支承梁连接，第一质量块与第二质量块对称设置在中间锚点和第一弹性支承梁两侧；第一质量块和第二质量块在与中间锚点和第一弹性支承梁连接的相对侧，分别与外围锚点通过支承梁中的第二弹性支承梁连接；内锚点位于第一质量块和第二质量块的内部，与第一质量块和第二质量块通过支承梁中的第一刚性支承梁和第三弹性支承梁连接。

进一步地，中间锚点为t型中间锚点，第一质量块、第二质量块与t型中间锚点的横端通过支承梁中的第二刚性支承梁连接，第一质量块、第二质量块与t型中间锚点的竖端通过支承梁中的第四弹性支承梁连接。

优选地，第一电极块和第二电极块均包括两个第一驱动电极、两个第一驱动反馈电极和两个第一检测电极，第一质量块、第二质量块与外围锚点连接的相邻两侧，每侧均放置一个第一驱动电极和一个第一驱动反馈电极，两个电极块的第一驱动电极和第一驱动反馈电极对称设置在中间锚点和第一弹性支承梁两侧，第一驱动电极、第一驱动反馈电极和第一检测电极，与第一质量块、第二质量块通过电容连接。

进一步地，第一质量块和第二质量块均包括一个第一外振动框架、一个第一中间振动框架和一个第一内振动框架，第一外振动框架分别与第一驱动电极和第一驱动反馈电极通过电容连接，第一外振动框架与电容的连接侧与第一中间振动框架之间通过支承梁中的第五弹性支承梁连接，第一外振动框架与外围锚点的连接侧和相对侧分别与第一中间振动框架通过支承梁中的第三刚性支承梁连接，第一中间振动框架与支承梁中的第五弹性支承梁的连接侧与第一内振动框架通过支承梁中的第四刚性支承梁连接，第一中间振动框架与第三刚性支承梁的连接侧与第一内振动框架通过支承梁中的第六弹性支承梁连接，第一内振动框架与第四刚性支承梁的连接侧与内锚点通过第三弹性支承梁连接，内锚点与第三弹性支承梁连接侧的相邻两侧分别与第一内振动框架通过第一刚性支承梁连接；两个第一检测电极对称设置于第一内振动框架的内部，第一检测电极与第一内振动框架之间通过电容连接。

进一步地，第一外振动框架、第一中间振动框架、第一内振动框架均为长方形，第一外振动框架、第一中间振动框架、第一内振动框架的中轴线重合，各个框架沿中轴线对称。

其中，电容为叉指式电容。

本实用新型的检测器件，采用双质量块对称结构，实现了驱动和检测的机械解耦，减少了噪声信号，提高了陀螺仪输出信号的线性度和信噪比。

本实用新型还提出一种mems陀螺仪，包括：玻璃基底、检测器件和玻璃盖板，检测器件为如上所述的检测器件；玻璃基底由下向上开设有贯穿孔，第一引线通过贯穿孔后，密封贯穿孔，第一引线与检测器件的第一电极块、第二电极块电连接；玻璃盖板内部中空，玻璃盖板与玻璃基底键合形成第一密封腔，第一密封腔将检测器件包覆在内。

优选地，玻璃基底与玻璃盖板键合面的长度、宽度尺寸相同。

本实用新型的mems陀螺仪，一方面，将检测器件包覆在第一密封腔内，保证了检测器件的工作环境的密闭性，提高了陀螺仪的品质因子q；另一方面，采用双质量块对称结构，实现了驱动和检测的机械解耦，减少了噪声信号，提高了陀螺仪的信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的检测器件的结构示意图；

图2为本实用新型的电容的结构示意图；

图3为本实用新型的mems陀螺仪的结构示意图；

图4为本实用新型的mems陀螺仪的左侧面剖视图。

附图标记说明：

1—检测器件；2—玻璃基底；3—玻璃盖板；

4—第一密封腔；11—第一电极块；12—第二电极块；

13—第一质量块；14—第二质量块；15—固定锚点；

16—支承梁；21—贯穿孔；22—第一引线；

111—第一驱动电极；112—第一驱动反馈电极；113—第一检测电极；

131—第一外振动框架；132—第一中间振动框架；133—第一内振动框架；

151—外围锚点；152—中间锚点；153—内锚点；

161—第一弹性支承梁；162—第二弹性支承梁；163—第三弹性支承梁；

164—第四弹性支承梁；165—第五弹性支承梁；166—第六弹性支承梁；

171—第一刚性支承梁；172—第二刚性支承梁；173—第三刚性支承梁；

174—第四刚性支承梁。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

本实用新型实施例提供一种检测器件，固定在玻璃基底上，图1为本实用新型的检测器件的结构示意图，如图1所示，检测器件1包括：第一电极块11、第二电极块12、第一质量块13、第二质量块14和固定锚点15，第一电极块11和第一质量块13、第二电极块12和第二质量块14均通过电容连接，第一电极块11和第二电极块12结构相同；第一质量块13和第二质量块14结构对称，对称设置在固定锚点15之间；第一质量块13、第二质量块14、固定锚点15之间通过支承梁16连接，第一电极块11、第二电极块12、固定锚点15均与玻璃基底键合，第一质量块13和第二质量块14悬浮在玻璃基底上方。

本实用新型的检测器件，采用双质量块对称结构，实现了驱动和检测的机械解耦，减少了噪声信号，提高了陀螺仪输出信号的线性度和信噪比。

如图1所示，固定锚点15包括外围锚点151、中间锚点152和内锚点153，第一质量块13与第二质量块14通过中间锚点152和支承梁16中的第一弹性支承梁161连接，第一质量块13与第二质量块14对称设置在中间锚点152和第一弹性支承梁161两侧；第一质量块13和第二质量块14在与中间锚点152和第一弹性支承梁161连接的相对侧，分别与外围锚点151通过支承梁16中的第二弹性支承梁162连接；内锚点153位于第一质量块13和第二质量块14的内部，与第一质量块13和第二质量块14通过支承梁16中的第一刚性支承梁171和第三弹性支承梁163连接。

示例性地，外围锚点151的数量为4个，均放置在两个质量块与中间锚点152连接的相对侧，每个质量块(第一质量块13或者第二质量块14)各两个；中间锚点152的数量为2个，位于两个质量块中间，内锚点153的数量为4个，每个质量块内部有两个。需要指出的是，外围锚点151、中间锚点152、内锚点153的数量也可以为2n个，n大于等于1，也可以根据使用需求进行数量上的改变，对应地进行增多或减少。各质量块中需要与固定锚点15对应连接的支承梁的数量与锚点的数量一一对应。

对应地，第一弹性支承梁161的数量为2个，直接连接第一质量块13和第二质量块14；第二弹性支承梁162的数量为4个，在每个质量块与中间锚点152连接的相对侧与四个外围锚点151连接。

优选地，中间锚点152为t型中间锚点，第一质量块13、第二质量块14与t型中间锚点的横端通过支承梁16中的第二刚性支承梁172连接，第一质量块13、第二质量块14与t型中间锚点的竖端通过支承梁16中的第四弹性支承梁164连接。

第一电极块11和第二电极块12均包括两个第一驱动电极111、两个第一驱动反馈电极112和两个第一检测电极113，第一质量块13、第二质量块14与外围锚点151连接的相邻两侧，每侧均放置一个第一驱动电极111和一个第一驱动反馈电极112，两个电极块的第一驱动电极111和第一驱动反馈电极112对称设置在中间锚点152和第一弹性支承梁161两侧，第一驱动电极111、第一驱动反馈电极112和第一检测电极113，与第一质量块13、第二质量块14通过电容连接。

具体地，第一质量块13和第二质量块14结构相同，第一质量块13和第二质量块14均包括一个第一外振动框架131、一个第一中间振动框架132和一个第一内振动框架133，第一外振动框架131分别与第一驱动电极111和第一驱动反馈电极112通过电容连接，第一外振动框架131与电容的连接侧与第一中间振动框架132之间通过支承梁16中的第五弹性支承梁165连接，第一外振动框架131与外围锚点151的连接侧和相对侧分别与第一中间振动框架132通过支承梁16中的第三刚性支承梁173连接，第一中间振动框架132与支承梁16中的第五弹性支承梁165的连接侧与第一内振动框架133通过支承梁16中的第四刚性支承梁174连接，第一中间振动框架132与第三刚性支承梁173的连接侧与第一内振动框架133通过支承梁16中的第六弹性支承梁166连接，第一内振动框架133与第四刚性支承梁174的连接侧与内锚点153通过第三弹性支承梁163连接，内锚点153与第三弹性支承梁163连接侧的相邻两侧分别与第一内振动框架133通过第一刚性支承梁171连接；两个第一检测电极113对称设置于第一内振动框架133的内部，第一检测电极113与第一内振动框架133之间通过电容连接。

优选地，本实用新型中的电容为叉指式电容。图2本实用新型的电容的结构示意图。如图2所示，为第一驱动电极111、第一驱动反馈电极112、第一检测电极113分别对应的与第一外振动框架131、第一内振动框架133之间连接的电容的结构示意图，每个电容的a端分别对应地与第一驱动电极111、第一驱动反馈电极112、第一检测电极113连接，每个电容的b端对应地与第一外振动框架131、第一内振动框架133连接。

需要解释的是，在本实用新型中(图1中)，定义第一质量块13和第二质量块14的结构的面内对称轴方向为y(检测)方向，即在第一质量块13和第二质量块14结构的面内关于某一轴对称，该对称轴方向为y(检测)方向；在第一质量块13和第二质量块14的结构的面内与对称轴(y方向)垂直的另一方向为x(驱动)方向；第一质量块13和第二质量块14同在面的面外法线方向为z方向，即图1的面外法线方向为z方向，也即同时垂直于x、y的方向为z方向，x、y、z的方向符合空间向量的右手法则。

其中，每个质量块的第一外振动框架131沿x方向的侧边与t型中间锚点的横端通过支承梁16中的第二刚性支承梁172连接，每个质量块的第一外振动框架131的沿y方向的侧边与t型中间锚点的竖端通过支承梁16中的第四弹性支承梁164连接。第二刚性支承梁172的数量为4个，每个质量块分别与t型中间锚点的横端通过2个第二刚性支承梁172连接，在第一外振动框架131的沿x方向的侧边一侧一个；第四弹性支承梁164的数量为4个，每个质量块分别与t型中间锚点的竖端通过2个第四弹性支承梁164连接，在第一外振动框架131与t型中间锚点连接的沿y方向的轴侧一侧2个。

通过质量块的第一外振动框架131与t型中间锚点的连接，抑制了第一外振动框架131在y(检测)方向的运动，确保第一外振动框架131只在x(水平/驱动)方向运动。

示例性地，每个质量块(第一质量块13或者第二质量块14)中，第五弹性支承梁165的数量为2个，在第一外振动框架131和第一中间振动框架132的两侧连接第一外振动框架131和第一中间振动框架132，每侧一个；第三刚性支承梁173的数量为4个，在第一外振动框架131与外围锚点151的连接侧和相对侧分别与第一中间振动框架132连接，每侧两个；第四刚性支承梁174的数量为4个，在第一中间振动框架132与支承梁16中的第五弹性支承梁165的连接侧与第一内振动框架133连接，每侧两个；第六弹性支承梁166的数量为2个，在第一中间振动框架132与第三刚性支承梁173的连接侧与第一内振动框架133连接，每侧1个；第三弹性支承梁163的数量为2个，在第一内振动框架133与第四刚性支承梁174的连接侧与内锚点153连接，每侧1个；第一刚性支承梁171的数量为4个，在内锚点153与第三弹性支承梁163连接侧的相邻两侧，与第一内振动框架133连接，每侧2个。

需要指出的是，第一外振动框架131、第一中间振动框架132、第一内振动框架133均为长方形(包含正方形)，第一外振动框架131、第一中间振动框架132、第一内振动框架133的中轴线重合，各个框架沿中轴线对称。

在一种实施方式中，除第一外振动框架131、第一中间振动框架132、第一内振动框架133之外，第一电极块11和第二电极块12的各个电极沿质量块的对称轴方向对称。

需要说明的是，两个第一外振动框架131之间直接通过第一弹性支承梁161连接，第一外振动框架131和外围锚点151之间通过第二弹性支承梁162连接，第一外振动框架131和中间锚点152之间通过第二刚性支承梁172、第四弹性支承梁164连接，这样就限制了第一外振动框架131在y方向的运动，使第一外振动框架131只能在x方向运动。第一内振动框架133同内锚点153之间通过第一刚性支承梁171和第三弹性支承梁163连接，这样第一内振动框架133只能在y方向运动。第一中间振动框架132由于与第一外振动框架131有第三刚性支承梁173，与第一内振动框架133有第四刚性支承梁174，所以第一中间振动框架132既会同第一外振动框架131保持x方向的一致运动，也会和第一内振动框架133保持y方向的一致运动。

工作状态下，向第一驱动电极111输入交流电信号，频率为mems陀螺仪驱动模态频率。输入信号通过电容形成同频的滑膜静电力。以第一质量块13为例，由于第一外振动框架131的x方向的侧边与t型中间锚点通过第二刚性梁连接中间锚点152，抑制了驱动信号的压膜分量，使得第一外振动框架131在x方向做共振运动。由于第三刚性支承梁173刚性约束连接存在，第一中间振动框架132同第一外振动框架131在x方向做相同的简谐运动。

当z向没有角速率输入时，由于第一内振动框架133未振动，第一检测电极113与第一内振动框架133之间的电容不会变化，即输出为0。当z向有角速率输入时，即检测状态下，在x方向运动的第一外振动框架131和第一中间振动框架132会产生y方向的科氏力，导致第一中间振动框架132和第一内振动框架133做y方向的简谐振动。此时，第一检测电极113与第一内振动框架133之间电容会产生滑膜输出。通过第一检测电极113检测到电容的滑膜输出信号，检测了科氏力的大小和相位，继而推导出角速率的大小和方向。

电容的滑膜输出信号，反映的都只是相应振动框架单一方向的运动，这样大大减小了驱动和检测框架之间的运动耦合。

需要说明的是，第一弹性支承梁161直接连接第一质量块13和第二质量块14，这样可以使第一质量块13和第二质量块14在驱动方向上，相互耦合，结合成一个振动系统，既有利于减少共模干扰和噪声，也更有利于后续电路的设计。

第一内振动框架133与第一中间振动框架132之间的第六弹性支承梁166，实现了当第一中间振动框架132随着第一外振动框架131进行水平方向的运动时，第一内振动框架133与第一中间振动框架132之间的水平方向的运动解耦，确保第一内振动框架133在水平方向无运动，进而确保了检测的科氏力的大小和相位的准确性，提高角速率的大小和方向的准确度。

优选地，第一质量块13和第二质量块14在驱动状态和检测状态下为同频反相工作模式，检测器件1实现差分检测。

进一步地，驱动模态方面，第一质量块13由第一驱动电极111输入驱动信号，使得第一外振动框架131和第一中间振动框架132在驱动方向(图1中水平x方向)做谐振运动。第二质量块14的驱动电极输入驱动信号，除了与第一驱动电极111的驱动信号反相之外，其它均与其的驱动信号相同。这样，第一质量块13和第二质量块14在各自的驱动信号下，产生了等大反相且频率一致的静电力。本实用新型的第一质量块13和第二质量块14对称，第一质量块13和第二质量块14在水平方向上的工作状态谐振频率相等。在驱动模态下，第一质量块13和第二质量块14会产生等幅反相的运动形式。

在检测模态下，在有角速率输入的情况下，在检测方向，即y方向因为科里奥利效应，也会产生等幅反相的运动形式。这样不仅更好地抑制了共模干扰和噪声，还提高了陀螺仪输出信号的线性度和信噪比。同时第一质量块13和第二质量块14的两个第一检测电极113采用差分输出形式，也使得输出信号幅度更大、信噪比更高。

实施例二

本实用新型实施例还提供一种mems陀螺仪，图3为本实用新型的mems陀螺仪的结构示意图，如图3所示，本实用新型的mems陀螺仪包括玻璃基底2、玻璃盖板3。图4为本实用新型的mems陀螺仪的左侧面剖视图，如图4所示，本实用新型的mems陀螺仪还包括如实施例一所述的检测器件1，玻璃基底2由下向上开设有贯穿孔21，第一引线22通过贯穿孔21后，密封贯穿孔21，第一引线22与检测器件1电连接；玻璃盖板3内部中空，玻璃盖板3与玻璃基底2键合形成第一密封腔4，第一密封腔4将检测器件1包覆在内。

检测器件1中的各个电极块中的各个电极的引线与第一引线22电连接。

需要说明的是，可在玻璃盖板3的内侧上粘附有吸气剂，吸气剂也可通过溅射的方式溅射在玻璃盖板3的内测，使mems陀螺仪内的检测器件1的两个质量块的运动环境保持在高真空环境，进一步提高陀螺仪的品质因子，进而提高了信噪比。

具体地，第一引线22通过贯穿孔21后，对贯穿孔21进行密封处理。对贯穿孔21进行密封处理为本领域的公知技术，如采用密封胶密封或者辅助器件进行密封，在此就不一一进行详细描述。

需要指出的是，玻璃盖板3与玻璃基底2键合形成的第一密封腔4可将检测器件1容纳在内；在一种优选的方式中，玻璃基底2与玻璃盖板3键合面的长度、宽度尺寸相同，在另一种优选的方式中，玻璃盖板3键合面的长度尺寸小于玻璃基底2，宽度尺寸相同；在另一种优选的方式中，玻璃盖板3键合面的宽度尺寸小于玻璃基底2，长度尺寸相同；在又一种优选的方式中，玻璃盖板3键合面的长度尺寸、宽度尺寸均小于玻璃基底2。

玻璃盖板3与玻璃基底2之间的键合采用的是wlp(waferlevelpackaging，晶圆级封装)封装工艺，可靠度高、密封性好。

本实用新型的mems陀螺仪，一方面，将检测器件1包覆在第一密封腔4内，保证了检测器件1的工作环境的密闭性，提高了陀螺仪的品质因子q；另一方面，采用驱动和检测运动解耦结构的双质量块对称结构，实现了驱动和检测的机械解耦，减少了噪声信号，提高了陀螺仪的信噪比，使得获取哥氏信号耗费的时间短，能够更快速的根据检测方向的运动特征计算出角速度。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。