CN111623762B - 一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器及其加工方法 - Google Patents

一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器及其加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器及其加工方法，传感器由上至下依次包括器件结构层、金属引线层及玻璃衬底层，器件结构层通过锚点与玻璃衬底层连接，金属引线层位于器件结构层与玻璃衬底层之间，将部分器件结构层与玻璃衬底层连接的锚点(电极)通过金属引线引至周围；器件结构层包含一个四质量三轴陀螺仪结构、一个Z轴扭摆式加速度计、一个电容式X轴加速度计和一个电容式Y轴加速度计，所有结构由外向内依次中心重合排布。本发明三个加速度计及一个可阵列式共质心四质量三轴陀螺仪具有共同的质心，方便数据处理；整个环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器可通过耦合环的连接实现简单的阵列，提高***精度和冗余度。

Description

一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器及其加工 方法
技术领域
本发明涉及微机电传感器技术，特别是涉及一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器及其加工方法。
背景技术
与传统微惯性器件相比，硅微机械惯性器件具有体积小，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及单轴加速度计，它只能敏感检测一个惯性量输入，而六轴微惯性器件则可以同时敏感三个方向的角速度输入和三个方向的加速度输入。
在六轴微惯性器件的研究上，现阶段采用三个单轴陀螺仪与三个单轴加速度计拼接加工，这种方法下体积较大，且引线结构繁多复杂。为简化电极引线，某单位将三个单轴陀螺仪替换为驱动耦合的四质量陀螺仪，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。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种结构简单、各驱动和检测方向完全解耦的环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器。
本发明的另一个目的是提供一种所述传感器的加工方法。
技术方案：本发明的六轴微惯性传感器，由上至下依次包括：器件结构层A、金属引线层及玻璃衬底层B，器件结构层通过锚点A5与玻璃衬底层B连接，金属引线层位于器件结构层与玻璃衬底层之间，将部分器件结构层与玻璃衬底层连接的电极通过金属引线引至周围；所述器件结构层包含一个四质量三轴陀螺仪结构A1、一个Z轴扭摆式加速度计A2、一个电容式X轴加速度计A3和一个电容式Y轴加速度计A4，所有结构由外向内依次中心重合排布。
优选的，四质量三轴陀螺仪结构A1包括四个沿上下左右分布的，完全一致的质量块A1-a1，A1-a2，A1-a3，A1-a4；耦合部件A1-c；驱动活动梳齿A1-d；驱动固定梳齿A1-e；驱动电极A1-f；锚点A5及解耦梁A6；耦合部件A1-c为一环形结构，质量块A1-a1和质量块A1-a2位于耦合部件A1-c的水平中心轴上，且分别与耦合部件A1-c之间通过解耦梁A6连接；质量块A1-a3和A1-a4位于耦合部件A1-c的竖直中心轴上，且分别与耦合部件A1-c之间通过解耦梁A6连接；耦合部件A1-c的***与四个质量块相对应的位置分别设置驱动电极A1-f，且驱动电极A1-f与耦合部件A1-c之间通过驱动梳齿连接。
优选的，水平方向质量块A1-a1和A1-a2均包括驱动框架A1-b、航向角双自由度框架A1-g、航向角敏感框架A1-h、航向角检测电极A1-i、翻滚角双自由度框架A1-j、翻滚角敏感框架A1-k、翻滚角检测电极A1-l、驱动活动梳齿A1-d、驱动固定梳齿A1-e、驱动电极A1-f、若干锚点A5及若干解耦梁A6，驱动框架A1-b为对称的框架结构，包括第一部分和第二部分，其中，航向角双自由度框架A1-g设置在第一部分中，且其通过解耦梁与驱动框架连接，航向角敏感框架A1-h设置在航向角双自由度框架A1-g内部，且其通过解耦梁A6与航向角双自由度框架A1-g连接，航向角双自由度框架A1-g与航向角敏感框架A1-h之间设置锚点A5，且航向角敏感框架A1-h与锚点之间通过解耦梁A6连接，航向角检测电极A1-i位于航向角敏感框架A1-h内部，且其通过检测梳齿与航向角敏感框架A1-h连接；翻滚角双自由度框架A1-j设置在驱动框架A1-b的第二部分中，且其通过解耦梁与驱动框架连接，翻滚角敏感框架A1-k设置在翻滚角双自由度框架A1-j内部，且其通过解耦梁A6与翻滚角双自由度框架A1-j连接，翻滚角敏感框架A1-k与翻滚角双自由度框架A1-j之间设置锚点A5，且翻滚角敏感框架A1-k与锚点之间通过解耦梁A6连接；翻滚角检测电极A1-l位于翻滚角敏感框架A1-k下方或内部，翻滚角检测电极A1-l位于翻滚角敏感框架A1-k下方时，翻滚角检测电极A1-l为金属平板结构，此时该金属平板结构与翻滚角敏感框架A1-k形成电容，为沉积金属电极平板检测Z轴面外运动方式；翻滚角检测电极A1-l位于翻滚角敏感框架A1-k内部时，翻滚角检测电极A1-l通过动静高低梳齿与翻滚角敏感框架A1-k连接，为动静高低梳齿检测Z轴面外运动，驱动框架A1-b通过解耦梁连接锚点A5，一侧边通过解耦梁与耦合部件连接，另一侧边通过驱动梳齿连接一驱动电极A1-f。
优选的，竖直方向质量块A1-a3或A1-a4的结构旋转90°即与水平方向质量块A1-a1或A1-a2结构相同，水平方向质量块A1-a1或A1-a2中用于检测翻滚角的翻滚角双自由度框架A1-j、翻滚角敏感框架A1-k、翻滚角检测电极A1-l在竖直方向质量块A1-a3或A1-a4中用于检测俯仰角，命名为俯仰角双自由度框架A1-m、俯仰角敏感框架A1-n、俯仰角检测电极A1-o。
优选的，所述Z轴扭摆式加速度计包括Z轴扭摆质量块A2-a、Z轴检测电极A2-b、锚点A5及若干解耦梁A6，Z轴扭摆质量块A2-a的中心框架设置在四质量三轴陀螺仪结构A1的中心，且Z轴扭摆质量块A2-a的四个扇形结构的分别设置于四个质量块之间形成的四个扇形区域内，Z轴扭摆质量块A2-a的中心框架通过解耦梁A6连接锚点A5，沉积金属平板电容检测面外运动时Z轴检测电极A2-b为位于Z轴扭摆质量块A2-a的四个扇形结构下方的金属平板，动静高低梳齿式检测面外运动时位于Z轴扭摆质量块A2-a的四个扇形结构边缘，通过动静高低梳齿与Z轴扭摆质量块A2-a的四个扇形结构连接。
优选的，所述电容式X轴加速度计包括X轴质量块A3-a、X轴检测电极A3-b、锚点A5及若干解耦梁A6，X轴质量块A3-a的两侧边分别通过解耦梁A6连接锚点A5，X轴检测电极A3-b有两个，均设置在X轴质量块A3-a的内部两侧，且X轴检测电极A3-b通过梳齿与X轴质量块A3-a的两侧边连接，电容式X轴加速度计位于电容式Y轴加速度计内部，且中心重合。
优选的，所述电容式Y轴加速度计包括Y轴质量块A4-a、Y轴检测电极A4-b、锚点A5及若干解耦梁A6，Y轴检测电极A4-b有两个，均设置在Y轴质量块A4-a内部两侧，且通过梳齿与Y轴质量块A4-a的两侧边连接，Y轴质量块A4-a的内部另外两侧各设置有锚点，且通过解耦梁与锚点连接，电容式Y轴加速度计位于Z轴扭摆质量块A2-a的中心框架内部，且中心重合。
本发明的六轴微惯性传感器在沉积金属电极平板检测Z轴面外运动的加工方法，包括以下步骤：
(a)取一片硅晶圆片，对表面进行抛光处理，同时利用H2SO4与H2O2混合溶液洗净；
(b)在硅晶圆片表面匀涂光刻胶，利用第一掩模版进行光刻，显影，在硅晶圆片表面得到具有锚点图案的光刻胶；
(c)利用光刻胶作为掩膜对硅晶圆片进行RIE干法刻蚀，将锚点图案转移到硅晶圆片表面，之后洗去作为掩膜的光刻胶；
(d)另取一片玻璃片，利用H2SO4与H2O2混合溶液洗净；
(e)在玻璃片上匀涂光刻胶，利用第二掩模版进行光刻，显影，在玻璃片表面得到具有金属电极及引线图案的光刻胶，溅射一层Cr/Au合金层，利用Lift-off剥离工艺在玻璃片表面得到具有金属电极及引线；
(f)将加工的硅晶圆片与玻璃片进行阳极键合，得到键合后的样片；
(g)在得到的样表面匀涂光刻胶，利用第三掩模版进行光刻，显影，在样片表面得到具有结构图案的光刻胶；
(h)利用光刻胶作为掩膜对样片进行RIE刻蚀，加工出硅结构，得到最终器件。
本发明的六轴微惯性传感器在动静高低梳齿检测Z轴面外运动的加工方法，包括以下步骤：
(a)取一片SOI晶圆片，利用H2SO4与H2O2混合溶液洗净；
(b)利用LPCVD工艺，在SOI晶圆片表面沉积一层氧化硅；
(c)在SOI晶圆片表面匀涂一层光刻胶，利用第四掩模版进行光刻，显影，在SOI晶圆片表面得到一层具有不等高静梳齿图案的光刻胶；利用光刻胶作为掩膜对SOI晶圆片表面SiO2进行刻蚀，得到具有不等高静梳齿图案的氧化硅；洗去表面光刻胶；
(d)在SOI晶圆片表面匀涂一层光刻胶，利用第五掩模版进行光刻，显影，在SOI晶圆片表面得到一层具有锚点图案的光刻胶；
(e)以光刻胶及氧化硅作为掩膜，利用RIE工艺对SOI晶圆片进行刻蚀，得到硅锚点及不等高静齿；
(f)取一片硅晶圆片，对表面进行抛光处理，同时利用H2SO4与H2O2混合溶液洗净；
(g)在硅晶圆片表面匀涂光刻胶，利用第六掩模版进行光刻，显影，在硅晶圆片表面得到具有锚点图案的光刻胶；
(h)利用光刻胶作为掩膜对硅晶圆片进行RIE干法刻蚀，将锚点图案转移到硅晶圆片表面，之后洗去作为掩膜的光刻胶；
(i)另取一片玻璃片，利用H2SO4与H2O2混合溶液洗净；
(j)在玻璃片上匀涂光刻胶，利用第七掩模版进行光刻，显影，在玻璃片表面得到具有金属电极及引线图案的光刻胶，溅射一层Cr/Au合金层，利用Lift-off剥离工艺在玻璃片表面得到具有金属电极及引线；
(k)将加工的硅晶圆片与玻璃片进行阳极键合，得到键合后的样片；
(l)在得到的样片表面匀涂光刻胶，利用第六掩模版进行光刻，显影，在样片表面得到具有结构图案的光刻胶；
(m)利用光刻胶作为掩膜对样片进行RIE刻蚀，加工出硅结构；
(n)将加工的样片与SOI晶圆片进行键合，得到最终器件。
本发明的单片集成的可阵列环形耦合六轴微惯性传感器，通过耦合部件的连接将多个所述六轴微惯性传感器阵列连接形成，相邻两个环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器呈现差分驱动模态，且椭圆形态长轴方向垂直，相邻两个六轴微惯性器件差分对电极极性相反。
有益效果：与现有技术相比，本发明的传感器结构形式为四方对称结构，主要包括一个可阵列式共质心四质量三轴陀螺仪、三个共质心对称的加速度计。其中，所设计的四质量三轴陀螺仪部分包含四个完全一致的沿上下左右分布的质量块，左右每个质量块内部包含一个航向角检测模块，一个翻滚角检测模块，上下每个质量块内部包含一个航向角检测模块，一个俯仰角检测模块，所有质量块通过外部耦合环传递驱动运动，实现相对质量块间差分等幅驱动。所设计的三个共质心对称的加速度计分别为一个可沿面外方向运动的扭摆式电容加速度计，一个可沿水平方向运动的X轴加速度计，一个可沿竖直方向运动的Y轴加速度计。三个加速度计及一个可阵列式共质心四质量三轴陀螺仪具有共同的质心，方便数据处理。整个环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器可通过耦合环的连接实现简单的阵列，提高***精度和冗余度。
附图说明
图1是本发明传感器结构示意图；
图2是本发明传感器剖面图；
图3是本发明传感器器件结构层结构示意图；
图4是器件结构层的可阵列式共质心四质量三轴陀螺仪结构图；
图5是所述可阵列式共质心四质量三轴陀螺仪水平质量块结构图；
图6是所述可阵列式共质心四质量三轴陀螺仪竖直质量块结构图；
图7是所述Z轴扭摆式加速度计结构示意图；
图8是所述X轴加速度计结构示意图；
图9是所述Y轴加速度计结构示意图；
图10是玻璃衬底电极引线图；
图11是所述六轴微惯性传感器四环阵列情况下的驱动运动示意图；
图12是所述六轴微惯性传感器基于电极平板检测面外运动一种加工方法流程图；
图13是所述六轴微惯性传感器基于动静高低梳齿检测面外运动一种加工方法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步具体说明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
如图1-2所示，本发明所述的六轴微惯性传感器，由上至下依次包括：器件结构层A、金属引线层及玻璃衬底层B，器件结构层通过锚点A5与玻璃衬底层B连接，金属引线层位于器件结构层与玻璃衬底层之间，将部分器件结构层与玻璃衬底层连接的电极通过金属引线引至周围。
如图3所示，所述器件结构层包含一个四质量三轴陀螺仪结构A1、一个Z轴扭摆式加速度计A2、一个电容式X轴加速度计A3和一个电容式Y轴加速度计A4，所有结构中心重合排布。
如图4所示，四质量三轴陀螺仪结构A1包括四个沿上下左右分布的，完全一致的质量块A1-a1，A1-a2，A1-a3，A1-a4；耦合部件A1-c；驱动活动梳齿A1-d；驱动固定梳齿A1-e；驱动电极A1-f；锚点A5及解耦梁A6；耦合部件A1-c为一环形结构，质量块A1-a1和质量块A1-a2位于耦合部件A1-c的水平中心轴上，且分别与耦合部件A1-c之间通过解耦梁A6连接；质量块A1-a3和A1-a4位于耦合部件A1-c的竖直中心轴上，且分别与耦合部件A1-c之间通过解耦梁A6连接；耦合部件A1-c的***与四个质量块相对应的位置分别设置驱动电极A1-f，且驱动电极A1-f与耦合部件A1-c之间通过驱动梳齿连接。
如图5所示，水平方向质量块A1-a1(或A1-a2)包括驱动框架A1-b、航向角双自由度框架A1-g、航向角敏感框架A1-h、航向角检测电极A1-i、翻滚角双自由度框架A1-j、翻滚角敏感框架A1-k、翻滚角检测电极A1-l(在沉积金属平板检测面外运动时为金属平板，位于翻滚角敏感框架A1-k下方，连接于玻璃基底B上，图中未画出)、驱动活动梳齿A1-d、驱动固定梳齿A1-e、驱动电极A1-f、若干锚点A5及若干解耦梁A6，其中，驱动框架A1-b为对称的框架结构，且其竖直中心线上设有一竖直杆将驱动框架A1-b分成对称的两部分，航向角双自由度框架A1-g设置在第一部分中，且其通过解耦梁与驱动框架连接，航向角敏感框架A1-h设置在航向角双自由度框架A1-g内部，且其通过解耦梁A6与航向角双自由度框架A1-g连接，航向角双自由度框架A1-g与航向角敏感框架A1-h的顶部和底部之间分别设置一个锚点A5，且航向角敏感框架A1-h与上下的两个锚点之间通过解耦梁A6连接，航向角检测电极A1-i位于航向角敏感框架A1-h内部，且其通过检测梳齿与航向角敏感框架A1-h连接；翻滚角双自由度框架A1-j设置在驱动框架A1-b的第二部分中，且其通过解耦梁与驱动框架连接，翻滚角敏感框架A1-k设置在翻滚角双自由度框架A1-j内部，且其通过解耦梁A6与翻滚角双自由度框架A1-j连接，翻滚角敏感框架A1-k与翻滚角双自由度框架A1-j的顶部和底部之间分别设置一个锚点A5，且翻滚角敏感框架A1-k与上下的两个锚点之间通过解耦梁A6连接；在沉积金属平板检测面外运动时为金属平板，翻滚角检测电极A1-l位于翻滚角敏感框架A1-k下方，并连接于玻璃衬底层B上，在动静高低梳齿检测Z轴面外运动时翻滚角检测电极A1-l位于翻滚角敏感框架A1-k内部，且通过动静高低梳齿与翻滚角敏感框架A1-k连接，图中未画出；驱动框架A1-b四个角分别通过解耦梁连接一个锚点A5，一侧边上设有一解耦梁，并通过该解耦梁与耦合部件连接，另一侧边通过驱动梳齿连接一驱动电极A1-f，驱动梳齿的驱动活动梳齿A1-d与驱动框架A1-b连接，驱动固定梳齿A1-e与驱动电极连接，驱动活动梳齿A1-d与A1-e驱动固定梳齿之间形成电容。
如图6所示，竖直方向质量块A1-a3(或A1-a4)的结构旋转90°即与水平方向质量块A1-a1(或A1-a2)结构相同，水平方向质量块A1-a1(或A1-a2)中用于检测翻滚角的翻滚角双自由度框架A1-j、翻滚角敏感框架A1-k、翻滚角检测电极A1-l在竖直方向质量块A1-a3(或A1-a4)中用于检测俯仰角，命名为俯仰角双自由度框架A1-m、俯仰角敏感框架A1-n、俯仰角检测电极A1-o。竖直方向质量块A1-a3(或A1-a4)包括驱动框架A1-b、航向角双自由度框架A1-g、航向角敏感框架A1-h、航向角检测电极A1-i、俯仰角双自由度框架A1-m、俯仰角敏感框架A1-n、俯仰角检测电极A1-o(在沉积金属平板检测面外运动时为金属平板，位于俯仰角敏感框架A1-n下方，连接于玻璃基底B上，图中未画出)，驱动活动梳齿A1-d、驱动固定梳齿A1-e、驱动电极A1-f、若干锚点A5及若干解耦梁A6，其中，驱动框架A1-b为对称的框架结构，包括两部分，航向角双自由度框架A1-g设置在第一部分中，且其通过解耦梁与驱动框架连接，航向角敏感框架A1-h设置在航向角双自由度框架A1-g内部，且其通过解耦梁A6与航向角双自由度框架A1-g连接，航向角双自由度框架A1-g与航向角敏感框架A1-h的两侧边之间分别设置一个锚点A5，且航向角敏感框架A1-h与左右两个锚点之间通过解耦梁A6连接，航向角检测电极A1-i位于航向角敏感框架A1-h内部，且其通过梳齿与航向角敏感框架A1-h连接；俯仰角双自由度框架A1-m设置在驱动框架A1-b的第二部分中，且其通过解耦梁与驱动框架连接，俯仰角敏感框架A1-n设置在俯仰角双自由度框架A1-m内部，且其通过解耦梁A6与俯仰角双自由度框架A1-m连接，俯仰角敏感框架A1-n与俯仰角双自由度框架A1-m的两侧边之间分别设置一个锚点A5，且俯仰角敏感框架A1-n与左右的两个锚点之间通过解耦梁A6连接；在沉积金属平板检测面外运动时为金属平板，俯仰角检测电极A1-o位于俯仰角敏感框架A1-n下方，连接于玻璃基底B上，在动静高低梳齿检测Z轴面外运动时俯仰角检测电极A1-o位于俯仰角敏感框架A1-n内部，且通过动静高低梳齿与俯仰角敏感框架A1-n连接，图中未画出；驱动框架A1-b四个角分别通过解耦梁连接一个锚点A5，一侧边上设有一解耦梁，并通过该解耦梁与耦合部件连接，另一侧边通过驱动梳齿连接一驱动电极A1-f，驱动梳齿的驱动活动梳齿A1-d与驱动框架A1-b连接，驱动固定梳齿A1-e与驱动电极连接，驱动活动梳齿A1-d与A1-e驱动固定梳齿之间形成电容。
如图7所示，所述Z轴扭摆式加速度计包括Z轴扭摆质量块A2-a、Z轴检测电极A2-b(在沉积金属平板检测面外运动时为金属平板，位于Z轴扭摆质量块A2-a下方，连接于玻璃基底B上，图中未画出)、锚点A5及若干解耦梁A6，如图3所示，Z轴扭摆质量块A2-a的中心框架设置在四质量三轴陀螺仪结构A1的中心，且Z轴扭摆质量块A2-a的四个扇形结构的分别设置于四个质量块之间形成的四个扇形区域内，Z轴扭摆质量块A2-a的中心框架通过解耦梁A6连接锚点A5用于固定，沉积金属平板电容检测面外运动时Z轴检测电极A2-b为位于Z轴扭摆质量块A2-a的四个扇形结构下方的金属平板，动静高低梳齿式检测面外运动时位于Z轴扭摆质量块A2-a的四个扇形结构边缘，通过动静高低梳齿与Z轴扭摆质量块A2-a的四个扇形结构连接。
如图8所示，所述电容式X轴加速度计包括X轴质量块A3-a、X轴检测电极A3-b、锚点A5及若干解耦梁A6，X轴质量块A3-a的两侧边分别通过解耦梁A6连接一个锚点A5，X轴检测电极A3-b有两个，均设置在X轴质量块A3-a的内部两侧，且X轴检测电极A3-b通过梳齿与X轴质量块A3-a的两侧边连接。如图3所示，电容式X轴加速度计位于电容式Y轴加速度计内部。
如图9所示，所述电容式Y轴加速度计包括Y轴质量块A4-a、Y轴检测电极A4-b、锚点A5及若干解耦梁A6，Y轴检测电极A4-b有两个，均设置在Y轴质量块A4-a内部两侧，且通过梳齿与Y轴质量块A4-a的两侧边连接，Y轴质量块A4-a的内部另外两侧各设置一个锚点，且通过解耦梁与锚点连接。如图3所示，电容式Y轴加速度计位于Z轴扭摆质量块A2-a的中心框架内部。
对于翻滚角敏感检测框架A1-k、俯仰角敏感检测框架A1-n及Z轴扭摆质量块A2-a，在工作状态下沿Z轴做面外运动，面外运动检测方式可以分为动静高低梳齿式检测及沉积金属平板电容式检测方式。
图10为玻璃衬底上电极引线图，浅灰色为上方参考六轴微惯性器件位置。通过在玻璃基底沉积金属薄膜作为引线，结构电极从键合锚点A5引出，通过金属引线连接到焊盘位置，电极包含差分陀螺仪驱动电极、差分陀螺仪驱动检测电极、差分航向角检测电极、差分翻滚角检测电极、差分俯仰角检测电极、差分Z轴加速度检测电极、差分X轴加速度检测电极、差分Y轴加速度检测电极。
如图11所示，为四个可阵列六轴微惯性器件阵列连接时陀螺仪驱动工作模态示意图，图中每个六轴微惯性器件只画了耦合部件A1-c部分，单个六轴微惯性器件具体结构如图3所示。在共同驱动力作用下，所述多个陀螺仪相邻两个呈现差分驱动模态，所处椭圆形态长轴方向垂直，这种阵列方式简单有效，且相邻两个可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪驱动模态差分提高测量性能。工作在多个六轴微惯性器件阵列情况下，相邻两个六轴微惯性器件差分对电极极性相反(某个六轴微惯性器件电极Bx+，则与其相邻的六轴微惯性器件相同位置电极为Bx-)。
所述六轴微惯性器件中可阵列式四质量三轴陀螺仪的工作过程可分为如下几个部分。
(1)驱动部分：通过电极引线(金属引线)将耦合部件A1-c***水平部分的两个驱动电极A1-f连接，将耦合部件A1-c***竖直部分的两个驱动电极A1-f连接，将耦合部件A1-c内部水平部分的两个驱动电极A1-f连接，将耦合部件A1-c内部竖直部分的两个驱动电极A1-f连接；并在耦合部件A1-c***水平部分的驱动电极A1-f上施加一定幅值的直流信号及一定幅值相位的交流信号，在耦合部件A1-c***竖直部分的驱动电极A1-f上施加与水平部分直流信号幅值相同的信号及与水平部分交流信号幅值相等，相位相差180°的交流信号。根据电容式变面积静电力产生机理，这时外部驱动固定梳齿A1-e与外部驱动活动梳齿A1-d之间产生交变的作用力使耦合部件A1-c做长轴为水平X轴及竖直Y轴交替的椭圆形态切换运动，耦合部件A1-c的运动沿耦合梁A6带动水平方向质量块A1-a1、A1-a2中的驱动框架A1-b，航向角双自由度框架A1-g，翻滚角双自由度框架A1-j在水平方向做周期往复运动，带动竖直方向质量块A1-a3、A1-a4中的驱动框架A1-b，航向角双自由度框架A1-g，俯仰角双自由度框架A1-m在竖直方向做周期往复运动。
(2)驱动检测部分：驱动力作用于耦合部件A1-c使其做长轴为水平X轴及竖直Y轴交替的椭圆形态切换运动，此时驱动运动通过耦合梁A6使驱动框架A1-b往复运动，使驱动框架A1-b上驱动活动梳齿A1-d与驱动固定梳齿A1-e之间的电容发生变化，通过在驱动电极A1-f下端做出电极引线即可实现驱动检测功能。
(3)航向角(绕Z轴角速度)检测部分：当陀螺仪敏感到外界航向角速度输入时，由于哥氏效应的存在，如图3所示的航向角双自由度框架A1-g将受到一个沿X方向的哥氏力，从而推动航向角双自由度框架A1-g沿X方向运动；由于航向角双自由度框架A1-g通过解耦梁A6与航向角敏感检测框架A1-h相连，航向角双自由度框架A1-g在X方向的运动传递到航向角敏感框架A1-h上；由于航向角敏感框架A1-h通过解耦梁A6与连接于玻璃衬底上的固定锚点A5相连，航向角敏感框架A1-h仅在X方向上运动，航向角检测电极A1-i上的检测电容发生变化，检测到对应的航向角速度。如图4所示的航向角双自由度框架A1-g将受到一个沿Y方向的哥氏力，从而推动航向角双自由度框架A1-g沿Y方向运动；由于航向角双自由度框架A1-g通过解耦梁A6与航向角敏感框架A1-h相连，航向角双自由度框架A1-g在Y方向的运动传递到航向角敏感框架A1-h上；由于航向角敏感框架A1-h通过解耦梁A6与连接于玻璃衬底上的固定锚点A5相连，航向角敏感框架A1-h仅在Y方向上运动，航向角检测电极A1-i上的检测电容发生变化，检测到对应的航向角速度。
(4)翻滚角(绕Y轴角速度)检测部分：当陀螺仪敏感到外界翻滚角速度输入时，由于哥氏效应的存在，如图3所示的翻滚角双自由度框架A1-j将受到一个沿Z方向的哥氏力，从而推动翻滚角双自由度框架A1-j沿Z方向运动；由于翻滚角双自由度框架A1-j通过解耦梁A6与翻滚角敏感框架A1-k相连，翻滚角双自由度框架A1-j在Z方向的运动传递到翻滚角敏感框架A1-k上；由于翻滚角敏感框架A1-k通过解耦梁A6与连接于玻璃衬底上的固定锚点A5相连，翻滚角敏感框架A1-k仅在Z方向上运动。在动静高低梳齿检测面外运动方法下，翻滚角敏感框架A1-k在Z方向的运动导致框架上活动高梳齿与连接于玻璃衬底上的翻滚角检测电极A1-l的固定低梳齿间静态电容发生变化，检测电容变化检测对应的翻滚角速度。在沉积金属平板电容检测面外运动方法下，翻滚角检测电极A1-1为连接于衬底上的金属电极平板，翻滚角敏感框架A1-k在Z方向的运动导致与连接于衬底上的翻滚角检测电极A1-l间电容发生变化，检测电容变化检测对应的翻滚角速度。
(5)俯仰角(绕Y轴角速度)检测部分：当陀螺仪敏感到外界俯仰角速度输入时，由于哥氏效应的存在，如图4所示的俯仰角双自由度框架A1-m将受到一个沿Z方向的哥氏力，从而推动俯仰角双自由度框架A1-m沿Z方向运动；由于俯仰角双自由度框架A1-m通过解耦梁A6与俯仰角敏感框架A1-n相连，俯仰角双自由度框架A1-m在Z方向的运动传递到俯仰角敏感框架A1-n上；由于俯仰角敏感框架A1-n通过解耦梁A6与连接于衬底上的固定锚点A5相连，俯仰角敏感框架A1-n仅在Z方向上运动。在动静高低梳齿检测面外运动方法下，俯仰角敏感框架A1-n在Z方向的运动导致框架上活动高梳齿与连接于衬底上的俯仰角检测电极A1-o的固定低梳齿间静态电容发生变化，检测电容变化检测对应的俯仰角速度。在沉积金属平板电容检测面外运动方法下，俯仰角检测电极A1-o为连接于衬底上的金属电极平板，俯仰角敏感框架A1-n在Z方向的运动导致与连接于衬底上的俯仰角检测电极A1-o间电容发生变化，检测电容变化检测对应的俯仰角速度。
所述六轴微惯性器件中Z轴扭摆式加速度计的工作过程，在Z轴加速度作用到整个器件后，Z轴扭摆式质量块A2-a在加速度作用下，绕连接于锚点A5的解耦梁A6发生偏转运动。在动静高低梳齿检测面外运动方法下，Z轴扭摆式质量块A2-a在Z方向的偏转运动导致框架上活动高梳齿与连接于衬底上的Z轴加速度检测电极A2-b的固定低梳齿间静态电容发生变化，检测电容变化检测对应的俯仰角速度。在沉积金属平板电容检测面外运动方法下Z轴扭摆式质量块A2-a在Z方向的运动导致与连接于衬底上的Z轴加速度检测电极平板A2-b间电容发生变化，检测电容变化检测对应的俯仰角速度。
所述六轴微惯性器件中电容式X轴加速度计的工作过程，在X轴加速度作用到整个器件后，X轴质量块A3-a在加速度作用下沿X方向运动，X轴质量块A3-a上的活动梳齿与X轴检测电极上A3-b上的固定梳齿电容发生变化，检测电容变化检测X轴加速度。
所述六轴微惯性器件中电容式Y轴加速度计的工作过程，在Y轴加速度作用到整个器件后，Y轴质量块A4-a在加速度作用下沿Y方向运动，Y轴质量块A4-a上的活动梳齿与Y轴检测电极上A4-b上的固定梳齿电容发生变化，检测电容变化检测Y轴加速度。
本发明的六轴微惯性传感器在沉积金属电极平板检测Z轴面外运动的一种加工方法，如图12所示，包括以下步骤：
(a)取一片硅晶圆片11，对表面进行抛光处理，同时利用H2SO4与H2O2混合溶液洗净。
(b)在硅晶圆片11表面匀涂光刻胶，利用第一掩模版进行光刻，显影，在硅晶圆片11表面得到具有锚点图案的光刻胶。
(c)利用光刻胶作为掩膜对硅晶圆片11进行RIE干法刻蚀，将锚点图案转移到硅晶圆片11表面，之后洗去作为掩膜的光刻胶。
(d)另取一片玻璃片12，利用H2SO4与H2O2混合溶液洗净。
(e)在玻璃片12上匀涂光刻胶，利用第二掩模版进行光刻，显影，在玻璃片12表面得到具有金属电极及引线图案的光刻胶，溅射一层Cr/Au合金层，利用Lift-off剥离工艺在玻璃片12表面得到具有金属电极及引线。
(f)将加工的硅晶圆片11与玻璃片12进行阳极键合，得到键合后的样片13。
(g)在得到的样片13表面匀涂光刻胶，利用掩模版3进行光刻，显影，在样片13表面得到具有结构图案的光刻胶。
(h)利用光刻胶作为掩膜对样片13进行RIE刻蚀，加工出硅结构，得到最终器件。
作为优选，所述六轴微惯性传感器在动静高低梳齿检测Z轴面外运动的一种加工方法，如图13所示，包括以下步骤：
(a)取一片SOI晶圆片21，利用H2SO4与H2O2混合溶液洗净。
(b)利用LPCVD工艺，在SOI晶圆片21表面沉积一层氧化硅。
(c)在SOI晶圆片21表面匀涂一层光刻胶，利用第三掩模版进行光刻，显影，在SOI晶圆片21表面得到一层具有不等高静梳齿图案的光刻胶；利用光刻胶作为掩膜对SOI晶圆片21表面SiO2进行刻蚀，得到具有不等高静梳齿图案的氧化硅；洗去表面光刻胶。
(d)在SOI晶圆片21表面匀涂一层光刻胶，利用第四掩模版进行光刻，显影，在SOI晶圆片21表面得到一层具有锚点图案的光刻胶。
(e)以光刻胶及氧化硅作为掩膜，利用RIE工艺对SOI晶圆片21进行刻蚀，得到硅锚点及不等高静齿。
(f)取一片硅晶圆片22，对表面进行抛光处理，同时利用H2SO4与H2O2混合溶液洗净。
(g)在硅晶圆片22表面匀涂光刻胶，利用第五掩模版进行光刻，显影，在硅晶圆片22表面得到具有锚点图案的光刻胶。
(h)利用光刻胶作为掩膜对硅晶圆片22进行RIE干法刻蚀，将锚点图案转移到硅晶圆片22表面，之后洗去作为掩膜的光刻胶。
(i)另取一片玻璃片23，利用H2SO4与H2O2混合溶液洗净。
(j)在玻璃片23上匀涂光刻胶，利用第六掩模版进行光刻，显影，在玻璃片23表面得到具有金属电极及引线图案的光刻胶，溅射一层Cr/Au合金层，利用Lift-off剥离工艺在玻璃片23表面得到具有金属电极及引线。
(k)将加工的硅晶圆片22与玻璃片23进行阳极键合，得到键合后的样片24。
(l)在得到的样片24表面匀涂光刻胶，利用第五掩模版进行光刻，显影，在样片23表面得到具有结构图案的光刻胶。
(m)利用光刻胶作为掩膜对样片24进行RIE刻蚀，加工出硅结构。
(n)将加工的样片24与SOI晶圆片21进行键合，得到最终器件。
因此，本发明的传感器，其结构形式为四方对称结构，主要包括一个可阵列式共质心四质量三轴陀螺仪、三个共质心对称的加速度计。其中，所设计的四质量三轴陀螺仪部分包含四个完全一致的沿上下左右分布的质量块，左右每个质量块内部包含一个航向角检测模块，一个翻滚角检测模块，上下每个质量块内部包含一个航向角检测模块，一个俯仰角检测模块，所有质量块通过外部耦合环传递驱动运动，实现相对质量块间差分等幅驱动。所设计的三个共质心对称的加速度计分别为一个可沿面外方向运动的扭摆式电容加速度计，一个可沿水平方向运动的X轴加速度计，一个可沿竖直方向运动的Y轴加速度计。三个加速度计及一个可阵列式共质心四质量三轴陀螺仪具有共同的质心，方便数据处理。整个环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器可通过耦合环的连接实现简单的阵列，提高***精度和冗余度。

Claims (6)

1.一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器，其特征在于，由上至下依次包括：器件结构层（A）、金属引线层及玻璃衬底层（B），器件结构层通过锚点（A5）与玻璃衬底层（B）连接，金属引线层位于器件结构层与玻璃衬底层之间，将部分器件结构层与玻璃衬底层连接的电极通过金属引线引至周围；所述器件结构层包含由外向内依次中心重合排布的一个四质量三轴陀螺仪结构（A1）、一个Z轴扭摆式加速度计（A2）、一个电容式X轴加速度计（A3）和一个电容式Y轴加速度计（A4）；其中：
四质量三轴陀螺仪结构（A1）包括四个沿上下左右分布的，完全一致的第一质量块（A1-a1），第二质量块（A1-a2），第三质量块（A1-a3），第四质量块（A1-a4）；耦合部件（A1-c）；驱动活动梳齿（A1-d）；驱动固定梳齿（A1-e）；驱动电极（A1-f）；锚点（A5）及解耦梁（A6）；耦合部件（A1-c）为一环形结构，第一质量块（A1-a1）和第二质量块（A1-a2）位于耦合部件（A1-c）的水平中心轴上，且分别与耦合部件之间通过解耦梁（A6）连接；第三质量块（A1-a3）和第四质量块（A1-a4）位于耦合部件（A1-c）的竖直中心轴上，且分别与耦合部件（A1-c）之间通过解耦梁（A6）连接；耦合部件（A1-c）的***与四个质量块相对应的位置分别设置驱动电极（A1-f），且驱动电极（A1-f）与耦合部件（A1-c）之间通过驱动梳齿连接；
所述Z轴扭摆式加速度计包括Z轴扭摆质量块（A2-a）、Z轴检测电极（A2-b）、锚点（A5）及若干解耦梁（A6），Z轴扭摆质量块（A2-a）的中心框架设置在四质量三轴陀螺仪结构（A1）的中心，且Z轴扭摆质量块（A2-a）的四个扇形结构的分别设置于四个质量块之间形成的四个扇形区域内，Z轴扭摆质量块（A2-a）的中心框架通过解耦梁（A6）连接锚点（A5），沉积金属平板电容检测面外运动时Z轴检测电极（A2-b）为位于Z轴扭摆质量块（A2-a）的四个扇形结构下方的金属平板，动静高低梳齿式检测面外运动时位于Z轴扭摆质量块（A2-a）的四个扇形结构边缘，通过动静高低梳齿与Z轴扭摆质量块（A2-a）的四个扇形结构连接；
所述电容式X轴加速度计包括X轴质量块（A3-a）、X轴检测电极（A3-b）、锚点（A5）及若干解耦梁（A6），X轴质量块（A3-a）的两侧边分别通过解耦梁（A6）连接锚点（A5），X轴检测电极（A3-b）有两个，均设置在X轴质量块（A3-a）的内部两侧，且X轴检测电极（A3-b）通过梳齿与X轴质量块（A3-a）的两侧边连接，电容式X轴加速度计位于电容式Y轴加速度计内部，且中心重合；
所述电容式Y轴加速度计包括Y轴质量块（A4-a）、Y轴检测电极（A4-b）、锚点（A5）及若干解耦梁（A6），Y轴检测电极（A4-b）有两个，均设置在Y轴质量块（A4-a）内部两侧，且通过梳齿与Y轴质量块（A4-a）的两侧边连接，Y轴质量块（A4-a）的内部另外两侧各设置有锚点，且通过解耦梁与锚点连接，电容式Y轴加速度计位于Z轴扭摆质量块（A2-a）的中心框架内部，且中心重合。
2.根据权利要求1所述的一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器，其特征在于，水平方向的第一质量块（A1-a1）和第二质量块（A1-a2）均包括驱动框架（A1-b）、航向角双自由度框架（A1-g）、航向角敏感框架（A1-h）、航向角检测电极（A1-i）、翻滚角双自由度框架（A1-j）、翻滚角敏感框架（A1-k）、翻滚角检测电极（A1-l）、驱动活动梳齿（A1-d）、驱动固定梳齿（A1-e）、驱动电极（A1-f）、若干锚点（A5）及若干解耦梁（A6），驱动框架（A1-b）为对称的框架结构，包括第一部分和第二部分，其中，航向角双自由度框架（A1-g）设置在第一部分中，且其通过解耦梁与驱动框架连接，航向角敏感框架（A1-h）设置在航向角双自由度框架（A1-g）内部，且其通过解耦梁（A6）与航向角双自由度框架（A1-g）连接，航向角双自由度框架（A1-g）与航向角敏感框架（A1-h）之间设置锚点（A5），且航向角敏感框架（A1-h）与锚点之间通过解耦梁（A6）连接，航向角检测电极（A1-i）位于航向角敏感框架（A1-h）内部，且其通过检测梳齿与航向角敏感框架（A1-h）连接；翻滚角双自由度框架（A1-j）设置在驱动框架（A1-b）的第二部分中，且其通过解耦梁与驱动框架连接，翻滚角敏感框架（A1-k）设置在翻滚角双自由度框架（A1-j）内部，且其通过解耦梁（A6）与翻滚角双自由度框架（A1-j）连接，翻滚角敏感框架（A1-k）与翻滚角双自由度框架（A1-j）之间设置锚点（A5），且翻滚角敏感框架（A1-k）与锚点之间通过解耦梁（A6）连接；翻滚角检测电极（A1-l）位于翻滚角敏感框架（A1-k）下方或内部，翻滚角检测电极（A1-l）位于翻滚角敏感框架（A1-k）下方时，翻滚角检测电极（A1-l）为金属平板结构，此时该金属平板结构与翻滚角敏感框架（A1-k）形成电容，为沉积金属电极平板检测Z轴面外运动方式；翻滚角检测电极（A1-l）位于翻滚角敏感框架（A1-k）内部时，翻滚角检测电极（A1-l）通过动静高低梳齿与翻滚角敏感框架（A1-k）连接，为动静高低梳齿检测Z轴面外运动，驱动框架（A1-b）通过解耦梁连接锚点（A5），一侧边通过解耦梁与耦合部件连接，另一侧边通过驱动梳齿连接一驱动电极（A1-f）。
3.根据权利要求2所述的一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器，其特征在于，竖直方向的第三质量块（A1-a3）或第四质量块（A1-a4）的结构旋转90°即与水平方向的第一质量块（A1-a1）或第二质量块（A1-a2）结构相同，水平方向的第一质量块（A1-a1）或第二质量块（A1-a2）中用于检测翻滚角的翻滚角双自由度框架（A1-j）、翻滚角敏感框架（A1-k）、翻滚角检测电极（A1-l）在竖直方向的第三质量块（A1-a3）或第四质量块（A1-a4）中用于检测俯仰角，命名为俯仰角双自由度框架（A1-m）、俯仰角敏感框架（A1-n）、俯仰角检测电极（A1-o）。
4.一种权利要求1-3任一项所述环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器在沉积金属电极平板检测Z轴面外运动的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）取一片硅晶圆片（11），对表面进行抛光处理，同时利用H2SO4与H2O2混合溶液洗净；
（b）在硅晶圆片（11）表面匀涂光刻胶，利用掩模版（101）进行光刻，显影，在硅晶圆片（11）表面得到具有锚点图案的光刻胶；
（c）利用光刻胶作为掩膜对硅晶圆片（11）进行RIE干法刻蚀，将锚点图案转移到硅晶圆片（11）表面，之后洗去作为掩膜的光刻胶；
（d）另取一片玻璃片（12），利用H2SO4与H2O2混合溶液洗净；
（e）在玻璃片（12）上匀涂光刻胶，利用掩模版（102）进行光刻，显影，在玻璃片（12）表面得到具有金属电极及引线图案的光刻胶，溅射一层Cr/Au合金层，利用Lift-off剥离工艺在玻璃片（12）表面得到具有金属电极及引线；
（f）将加工的硅晶圆片（11）与玻璃片（12）进行阳极键合，得到键合后的样片（13）；
（g）在得到的样片（13）表面匀涂光刻胶，利用掩模版（103）进行光刻，显影，在样片（13）表面得到具有结构图案的光刻胶；
（h）利用光刻胶作为掩膜对样片（13）进行RIE刻蚀，加工出硅结构，得到最终器件。
5.一种权利要求1-3任一项所述环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器在动静高低梳齿检测Z轴面外运动的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）取一片SOI晶圆片（21），利用H2SO4与H2O2混合溶液洗净；
（b）利用LPCVD工艺，在SOI晶圆片（21）表面沉积一层氧化硅；
（c）在SOI晶圆片（21）表面匀涂一层光刻胶，利用掩模版（201）进行光刻，显影，在SOI晶圆片（21）表面得到一层具有不等高静梳齿图案的光刻胶；利用光刻胶作为掩膜对SOI晶圆片（21）表面SiO2进行刻蚀，得到具有不等高静梳齿图案的氧化硅；洗去表面光刻胶；
（d）在SOI晶圆片（21）表面匀涂一层光刻胶，利用掩模版（202）进行光刻，显影，在SOI晶圆片（21）表面得到一层具有锚点图案的光刻胶；
（e）以光刻胶及氧化硅作为掩膜，利用RIE工艺对SOI晶圆片（21）进行刻蚀，得到硅锚点及不等高静齿；
（f）取一片硅晶圆片（22），对表面进行抛光处理，同时利用H2SO4与H2O2混合溶液洗净；
（g）在硅晶圆片（22）表面匀涂光刻胶，利用掩模版（203）进行光刻，显影，在硅晶圆片（22）表面得到具有锚点图案的光刻胶；
（h）利用光刻胶作为掩膜对硅晶圆片（22）进行RIE干法刻蚀，将锚点图案转移到硅晶圆片（22）表面，之后洗去作为掩膜的光刻胶；
（i）另取一片玻璃片（23），利用H2SO4与H2O2混合溶液洗净；
（j）在玻璃片（23）上匀涂光刻胶，利用掩模版（204）进行光刻，显影，在玻璃片（23）表面得到具有金属电极及引线图案的光刻胶，溅射一层Cr/Au合金层，利用Lift-off剥离工艺在玻璃片（23）表面得到具有金属电极及引线；
（k）将加工的硅晶圆片（22）与玻璃片（23）进行阳极键合，得到键合后的样片（24）；
（l）在得到的样片（24）表面匀涂光刻胶，利用掩模版（203）进行光刻，显影，在样片（23）表面得到具有结构图案的光刻胶；
（m）利用光刻胶作为掩膜对样片（24）进行RIE刻蚀，加工出硅结构；
（n）将加工的样片（24）与SOI晶圆片（21）进行键合，得到最终器件。
6.一种单片集成的可阵列环形耦合六轴微惯性传感器，其特征在于，通过耦合部件的连接将多个权利要求1-3任一项所述环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器阵列连接形成，相邻两个环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器呈现差分驱动模态，且椭圆形态长轴方向垂直，相邻两个六轴微惯性器件差分对电极极性相反。
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