具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1：

实施例1提供了一种三轴微机电陀螺仪，自下而上包括：衬底层、器件层和盖板层。参见图1，陀螺仪主体位于所述器件层，包括：锚点1、耦合框5、质量块3、驱动单元7、第一感应单元6、第一弹性梁2、第二弹性梁4和第三弹性梁8。陀螺仪主体的平面结构沿X轴和Y轴中心对称；所述耦合框5包括位于对称中心的第一耦合框和围绕所述第一耦合框对称分布的四个第二耦合框，所述第一耦合框为“井”字型结构，所述第二耦合框为“匚”字型结构；所述锚点1位于所述第一耦合框的中心位置，所述锚点1通过四根所述第一弹性梁2与所述第一耦合框连接，四根所述第一弹性梁2互相垂直并组成“十”字结构；四个所述质量块3分别位于四个所述第二耦合框的内部，其中的两个所述质量块3的中心位于X轴线上，另外的两个所述质量块3的中心位于Y轴线上，所述质量块3与所述第二耦合框之间通过所述第二弹性梁4连接；所述第一耦合框与所述第二耦合框之间通过所述第三弹性梁8连接。每个所述质量块3的两侧对称分布有两组所述驱动单元7，所述驱动单元7位于所述第二耦合框的内部，所述驱动单元7的中心点位于X轴线上或Y轴线上。至少一组所述第一感应单元6分布于每个所述质量块3的外侧，所述第一感应单元6位于所述第二耦合框的外部。至少一组第二感应单元分布于所述衬底层或所述盖板层靠近所述器件层一侧的表面，所述第二感应单元位于每个所述质量块3的正上方或正下方。

其中，所述驱动单元7包括梳齿状驱动电极和梳齿状驱动检测电极，所述驱动电极和所述驱动检测电极中的可动电极板与所述质量块3连接。所述驱动电极和所述驱动检测电极为等间距梳齿状电极。所述第一感应单元6包括梳齿状感应电极，所述第一感应单元6中的可动电极板与所述第二耦合框连接。所述梳齿状感应电极为变间距梳齿电极。所述第二感应单元包括平面感应电极。

所述第一弹性梁2采用直梁结构，所述第二弹性梁4采用折叠梁和U形梁的组合，所述第三弹性梁8采用两个U形梁的组合结构。

所述质量块3为多边形柱体，具体可为长方体，位于所述质量块3周围的所述耦合框5的形状根据所述质量块3形状改变，所述耦合框5和所述质量块3之间的间隙不变。

所述陀螺仪的驱动工作模态为四个所述质量块3同时沿中心对称轴方向进行面内振荡运动，四个所述质量块3同时靠近或同时远离所述陀螺仪整体平面结构的对称中心，在所述驱动工作模态下的四个所述质量块3作同相运动。

具体的，所述陀螺仪的驱动模态如图2所示，在四个驱动单元7a、7c、7e和7g中的驱动电极上施加同相交流电压V₁，在另外四个驱动单元7b、7d、7f和7h中的驱动电极上施加同相交流电压V₂(V₁与V₂相位相差180度)。在静电力作用下，四个所述质量块3同时沿中心对称轴方向进行面内振荡运动，同时，四个所述质量块3设置为同时靠近或远离整体平面结构的对称中心。由于结构的对称性，所述陀螺仪在驱动状态下四个所述质量块3作同相运动。

所述陀螺仪为三轴陀螺仪，可实现空间三轴方向的角速度传感，所述陀螺仪具有第一感应模态、第二感应模态和第三感应模态。当所述陀螺仪处于驱动工作模态时，当外界施加角速度时，所述陀螺仪可实现三轴方向的角速度传感。(1)当外界施加沿Z轴方向的角速度，由于科里奥利力的作用，此时四个所述质量块3和所述耦合框5同时沿顺时针或逆时针方向做X-Y平面内扭摆运动，所述陀螺仪处于所述第一感应模态，通过所述第一感应单元6检测Z轴方向角速度信息，参见图1和图3。(2)当外界施加沿X轴方向的角速度，由于科里奥利力的作用，此时位于Y轴线上的两个所述质量块3沿Z方向作上下扭摆运动，且这两个所述质量块3的运动方向相反，所述陀螺仪处于所述第二感应模态，通过位于Y轴上两个所述质量块3正上方或正下方的所述第二感应单元检测Z轴方向角速度信息，参见图1和图4。(3)当外界施加沿Y轴方向的角速度，由于科里奥利力的作用，此时位于X轴线上的两个所述质量块3沿Z方向作上下扭摆运动，且这两个所述质量块3的运动方向相反，所述陀螺仪处于所述第三感应模态，通过位于X轴上两个所述质量块3正上方或正下方的所述第二感应单元检测Z轴方向角速度信息，参见图1和图5。

一种具体的结构，如图1所示，每个所述质量块3的两侧对称分布有两组所述第一感应单元6；针对每个所述质量块3，所述第一感应单元6垂直于该质量块3对应的所述驱动单元7。

采用此具体结构时，所述陀螺仪处于所述第一感应模态时，位于四个所述质量块3的X轴/Y轴顺时针方向一侧的四组所述第一感应单元6采用同相输出，位于四个所述质量块3的X轴/Y轴逆时针方向一侧的四组所述第一感应单元6采用反相输出，实现差分输出。所述陀螺仪处于所述第二感应模态时，位于Y轴线上的两个所述质量块3沿Z轴正上方或正下方的所述第二感应单元采用差分输出。所述陀螺仪处于所述第三感应模态时，位于X轴线上的两个所述质量块3沿Z轴正上方或正下方的所述第二感应单元采用差分输出。

具体的，所述陀螺仪处于所述第一感应模态时，由于四个所述质量块3和所述耦合框5同时沿顺时针或逆时针方向做X-Y平面内扭摆运动，此时所述第一感应单元6中感应电极的可动电极板与固定电极板的间距发生改变，通过外加电路检测出感应电极电容的变化，通过信号转换输出，即可得到外界沿Z轴施加的角速度的值。由于结构的对称性，位于所述质量块3的X/Y轴顺时针方向一侧的四组所述第一感应单元中的感应电极(具体对应图1中的6a、6c、6e和6g)采用同相输出，位于所述质量块3的X/Y轴逆时针方向一侧的四组所述感应单元中的感应电极(具体对应图1中的6b、6d、6f和6h)采用反相输出，即可实现感应电极信号的差分输出。

所述陀螺仪的四个所述质量块3沿Z轴正上方或正下方具有平面感应电极，用于检测陀螺仪质量块第二感应模态和第三感应模态面外运动的信号。

所述陀螺仪处于第二感应模态时，可在Y轴上两个所述质量块3的上方分别设置所述第二感应单元15(即面外感应电极，参见图6、图7-5至图7-7)，位于Y轴上的两个所述质量块3沿Z方向作上下扭摆运动，此时在所述质量块3与面外感应电极之间的间距发生改变，通过外加电路检测出面外感应电极电容的变化，通过信号转换输出，即可得到外界沿X轴施加的角速度的值，由于位于Y轴上的两个所述质量块3运动方向相反，可实现差分信号输出。

同理，所述陀螺仪处于第三感应模态时，通过在X轴上两个所述质量块3的上方分别设置面外感应电，也可实现差分信号输出。

综上，实施例1提供的三轴微机电陀螺仪在三轴方向上均可实现差分输出，在增强输出信号的同时能进一步抵消和减少由外界环境中振动和冲击所引起的输出误差。

实施例2：

在实施例1的基础上，对第一感应单元6做进一步改进，得到实施例2。

实施例2提供的一种三轴微机电陀螺仪的平面结构如图6所示，与实施例1不同的是，实施例2中的第一感应单元6设置为四组。

具体的，每个所述质量块3的外侧分布有一组所述第一感应单元6；针对每个所述质量块3，所述第一感应单元6与该质量块3对应的所述驱动单元7平行设置，且所述第一感应单元6位于该质量块3远离所述锚点1的一侧。

在实施例2提供的具体结构下，所述陀螺仪处于所述第一感应模态时，位于X轴上的两个所述质量块3外侧的两组所述第一感应单元(具体对应图6中的6i和6k)采用同相输出，位于Y轴上的两个所述质量块3外侧的两组所述第一感应单元(具体对应图6中的6j和6l)采用反相输出，实现差分输出；所述陀螺仪处于所述第二感应模态时，位于Y轴线上的两个所述质量块3沿Z轴正上方或正下方的所述第二感应单元采用差分输出；所述陀螺仪处于所述第三感应模态时，位于X轴线上的两个所述质量块3沿Z轴正上方或正下方的所述第二感应单元采用差分输出。

由于结构的对称性，位于X轴上两个所述质量块3附近两组所述第一感应单元中感应电极6i和6k采用同相输出，位于Y轴上两个所述质量块3附近两组所述第一感应单元中感应电极6j和6l采用反相输出，即可实现感应电极信号的差分输出。

与实施例1相比，实施例2提供的结构减少了第一感应单元的数量，在同样实现传感功能的同时，可以简化MEMS陀螺仪的电学布线，进一步降低陀螺仪的设计和加工难度。

实施例3：

实施例3提供了一种三轴微机电陀螺仪的制备封装方法，包括以下步骤：

步骤1、在衬底层的正面刻蚀出带有支撑柱的凹腔结构，在所述衬底层的正面和背面沉积一层氧化物；

步骤2、将器件层的背面与所述衬底层的正面对准，并直接键合；在所述器件层上进行图案化光刻和刻蚀，得到如实施例1或实施例2中的陀螺仪主体的结构；

步骤3、在盖板层的正面刻蚀出带有支撑柱的凹腔结构以及硅通孔结构，并在所述盖板层正面和背面沉积一层氧化硅；

步骤4、在所述盖板层的正面沉积一层多晶硅薄膜，在所述硅通孔中填充多晶硅；

步骤5、对所述支撑柱的凹槽结构上沉积的多晶硅进行抛光处理，直至部分区域漏出所述氧化硅层的表面；在抛光处理后部分区域保留的多晶硅上进行刻蚀得到电极结构，并作为平面感应电极；

步骤6、采用圆片级真空键合的方式将所述盖板层的正面和所述器件层的正面直接对准键合；

步骤7、对所述盖板层的背面进行减薄处理，漏出填充有所述多晶硅的硅通孔，在所述盖板层的背面沉积一层氧化硅，将所述硅通孔对应区域的氧化硅去除，在所述盖板层的背面沉积一层金属层，制作金属焊盘。

实施例3得到的封装结构自下而上由衬底层、器件层和盖板层这三层结构键合组成。该工艺采用硅通孔技术(Through Silicon Via，TSV)在盖板层上开孔并沉积多晶硅的方法加工器件的面外电极以及实现电学连接。具体包括以下步骤：

步骤1、如图7-1所示，采用深反应离子刻蚀的方法在衬底层10的正面刻蚀出带有支撑柱的凹腔结构。并采用热氧化或是化学气相沉积的方法在衬底层10的正面和背面沉积一层氧化物9。

步骤2、如图7-2所示，将器件层11的背面与衬底层10的正面对准直接键合。在器件层11上进行图案化光刻和刻蚀，刻蚀出陀螺仪主体的结构。

步骤3、如图7-3所示，采用两次图案化光刻和深反应离子刻蚀的方法在盖板层12的正面刻蚀出深度小于10微米的带有支撑柱凹腔和深度大于100微米的硅通孔13结构，并采用热氧化或是化学气相沉积的方法在盖板层的正面和背面沉积一层氧化硅9。

步骤4、如图7-4所示，采用低压化学气相沉积的方法在盖板层12的正面沉积一层多晶硅14薄膜，同时在硅通孔13处填充多晶硅14。

步骤5、如图7-5所示，采用化学机械抛光的方式将多晶硅14抛光至支撑柱氧化硅9表面，同时采用图案化光刻和刻蚀的方式在剩余多晶硅14处刻蚀出电极结构，同时保留在盖板层凹腔底部表面的氧化硅9。

步骤6、如图7-6所示，采用圆片级真空键合的方式将盖板层12的正面和器件层11的正面直接对准键合，完成器件的真空封装。

步骤7、如图7-7所示，采用化学机械抛光的方法将盖板层12的背面厚度减薄至漏出填充满多晶硅14的通孔，然后在盖板层12的背面沉积一层氧化硅9，之后采用图案化光刻和刻蚀的方式将通孔区域的氧化硅去除；最后在盖板层12的背面沉积一层金属层，并将金属层进行图案化光刻和刻蚀，并制作金属焊盘16，即可完成电学布线，并最终完成了MEMS陀螺仪的制作以及真空封装。

采用实施例3提供的制备封装方法能够得到实施例1或实施例2提供的三轴微机电陀螺仪。实施例3采用硅通孔填充多晶硅14的方式实现了器件的电学连通，同时实现了面外感应电极15结构的制作，该方式大大简化了器件的电学布线，同时可实现器件和CMOS芯片直接集成。该方法采用圆片级真空键合的方式实现了器件的真空封装，降低了器件的设计和加工难度，方法简单且高效，有利于传感器的批量生产。

实施例4：

实施例4提供了一种三轴微机电陀螺仪的制备封装方法，可对实施例3中的步骤1和步骤7做进一步改进，得到实施例4，具体为：

所述步骤1中，在所述衬底层的正面刻蚀出带有支撑柱的凹腔结构之后，且在所述衬底层的正面和背面沉积一层氧化硅之前，还包括：在所述支撑柱的凹腔结构的底部刻蚀硅通孔结构；在所述衬底层的正面和背面沉积一层氧化硅之后，还包括：在所述衬底层的所述支撑柱的凹腔结构中沉积一层多晶硅薄膜，在所述硅通孔中填充多晶硅；刻蚀所述多晶硅薄膜，制作平面感应电极。

所述步骤7中，分别对所述衬底层和所述盖板层的背面进行减薄处理，漏出填充有所述多晶硅的通孔，在所述衬底层和所述盖板层的背面均沉积一层氧化硅，将所述硅通孔对应区域的氧化硅去除；在所述衬底层和所述盖板层的背面均沉积一层金属层，制作金属焊盘。

具体的，实施例4将实施例3中的工艺步骤1可改进为以下三个步骤：

(1)如图8-1所示，采用图案化光刻和深反应离子刻蚀的方法在衬底层10的正面刻蚀出深度小于10微米的带有支撑柱凹腔；然后再采用图案化光刻和深反应离子刻蚀的方法在凹腔底部刻蚀深度大于100微米的硅通孔13结构，并采用热氧化或是化学气相沉积的方法在衬底层10的正面和背面沉积一层氧化硅9。

(2)如图8-2所示，在衬底层10凹腔底部沉积一层多晶硅14薄膜，同时多晶硅14在硅通孔13处填满。

(3)如图8-3所示，采用图案化光刻和刻蚀的方式刻蚀多晶硅14薄膜，制作第二感应单元15(即面外感应电极)，同时保留在衬底层10凹腔底部表面的氧化硅层9。

其余工艺步骤与实施例3所述工艺步骤顺序保持一致，由于此时衬底层10结构发生改变，当采用圆片级真空键合的方式将盖板层12的正面和器件层11的正面直接对准键合后，此时截面结构如图7-4所示。

实施例4将实施例3的工艺步骤7可改进为：采用化学机械抛光的方法分别将衬底层10和盖板层12的背面厚度减薄至漏出填充满多晶硅14的通孔，然后在衬底层10和盖板层12的背面沉积一层氧化硅9，之后采用图案化光刻和刻蚀的方式将通孔区域的氧化硅去除；最后分别在衬底层10和盖板层12的背面沉积一层金属层，并分别将金属层进行图案化光刻和刻蚀，并制作金属焊盘16，即可完成电学布线，并最终完成了MEMS陀螺仪的制作以及真空封装。

与实施例3相比，实施例4在衬底层10和盖板层12上均实现了第二感应单元15(即面外感应电极)结构的制作。得到的三轴微机电陀螺仪处于第二和第三感应模态时，可同时采用上下两个面外感应电极15进行面外传感，该结构将感应电极的输出信号增大了两倍，可提升陀螺仪的输出灵敏度。

本发明实施例提供的一种三轴微机电陀螺仪及其制备封装方法至少包括如下技术效果：

(1)本发明提出的三轴微机电陀螺仪采用完全对称的四质量块音叉式解耦结构，该解耦采用弹性梁结构实现了驱动模态和检测模态的解耦，能有效降低驱动模态对于检测模态的影响，提升可陀螺仪的精度和性能。

(2)本发明提出的三轴微机电陀螺仪具有完全独立且对称分布的感应电极，可以实现差分检测，能进一步减少和抑制由外界环境中振动和冲击所引起的输出误差。

(3)本发明提出的三轴微机电陀螺仪仅有一个固定锚点结构，能有效抑制由于不同层CTE差异所引起封装应力对于陀螺仪器件性能的影响。

(4)本发明提出的三轴微机电陀螺仪在单片上可以实现三轴方向的传感，可有效提升MEMS陀螺仪的传感性能，同时减少了传感器芯片的体积和功耗。

(5)本发明提出的三轴微机电陀螺仪中第一耦合框和第二耦合框之间采用两个U形梁组合结构的第三弹性梁连接，减小了三个感应模态之间的耦合，可有效提升MEMS陀螺仪三轴方向的传感精度。

(6)本发明提出的三轴微机电陀螺仪的制备封装方法，采用硅通孔填充多晶硅的方式实现了器件的电学连通，同时实现了面外感应电极结构的制作，该方式大大简化了器件的电学布线，同时可实现器件和CMOS芯片直接集成。该方法采用圆片级真空键合的方式实现了器件的真空封装，降低了器件的设计和加工难度，方法简单且高效，有利于传感器的批量生产。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。