高精度MEMS陀螺仪专题分析：事理、工艺与家当链_陀螺仪_工艺

科里奥利力（Coriolis force）是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性 相对付旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述，科里奥利力来自于物体运动 所具有的惯性，是在迁徙改变的坐标系里为理解释运动物体由于坐标迁徙改变发生偏转的 征象而引入的一种虚构的力。
MEMS 陀螺仪通过科里奥利力来丈量角速率，ADI 官网先容了 MEMS 陀螺 仪的事情事理：设在以角速率沿逆时针方向迁徙改变的水平圆盘上，有 AB 两点， O 为圆盘中央，且有 OA>OB，在 A 点以相对付圆盘的速率 V 沿半径方向向 B 点 抛出一球。
如果圆盘是静止的，则经由一段韶光∆t= (OA-OB）/ V 后，球会到达 B，但结果是球到达了 B 迁徙改变的前方一点 ′，对这征象可如下剖析，由于圆盘 在迁徙改变，故球离开 A 时，除了具有径向速率 ′外，还具有切向速率，而 B 的切 向速率为，由于 B 的位置靠近圆心，以是＞，在垂直于 AB 的方向上，球 运动得比 B 远些。
这是在盘外不迁徙改变的惯性系不雅观察到的环境。

1.2 用 MEMS 实现：静电驱动、电容检测

MEMS 陀螺仪基本都是谐振式陀螺仪，紧张部件有支撑框架、谐振质量块及 勉励和丈量单元。
MEMS 陀螺紧张有线振动型陀螺和谐振环型陀螺，前者工艺 大略，利于大批量、低本钱生产；后者具有更高的理论精度但构造及事理更为复 杂。
MEMS 陀螺仪的事情模态分为驱动模态与检测模态，两种模态的事情状态、 稳定掌握及后续旗子暗记处理都须要通过外围电路来实现，静电驱动是目前大部分 MEMS 陀螺仪采取的驱动方法，静电驱动的基本事理是平板电容器，紧张有两 种驱动办法：一是通过平行电容极板间距变革来产生驱动静电力；二是通过平行 电容极板正对面积变革来产生驱动静电力。
根据陀螺仪的不同构造类型，目前 MEMS 陀螺仪有多种检测办法，例如电磁检测、电容检测、压电检测和压阻检测 等。

零偏稳定性是衡量陀螺仪性能的紧张核心指标，用来衡量陀螺仪在一个事情 周期内，当输入角速率为零时，陀螺仪输出值环绕其均值的离散程度，数值越小 表示性能越高。
按照该指标不同，陀螺仪又分为消费级、战术级、导航级、计策 级，当前 MEMS 陀螺仪可以达到导航级的精度水平。

2.1 高精度 MEMS 陀螺仪的四大运用领域

MEMS 陀螺仪因其体积小、重量轻、功耗低、本钱低等诸多优点，在消费电 子领域已经得到了广泛运用，随着技能进步，高精度 MEMS 陀螺仪在工业、商 用航空航天、商用船舶导航以及武器装备领域的渗透率存在较大提升空间。

当前，MEMS 陀螺仪产品已进入零偏稳定性 0.1°/h 量级，随着微加工技能的 进一步成熟，MEMS 陀螺仪和加速度计将霸占中低精度惯性仪表的紧张市场。

2.2 不同精度 MEMS 陀螺仪的构造差异

对付单质量块陀螺，外界振动产生的输出不能与科里奥利力引起的相应区分 开来；对付双质量块音叉衰落陀螺，通过旁边质量块作反相运动能够肃清共模振 动。
为了进一步提高其精度,可以提高质量块质量、降落共振频率或者增加品质 因数。

消费级 MEMS 陀螺大多采取传统的音叉构造，无法知足高精度、分外环境 下的运用需求。
军用高端 MEMS 陀螺技能路线和商用 MEMS 陀螺技能路线完备 不同，军用高端 MEMS 陀螺技能路线基本都是采取环境适应性好的全对称构造。
MEMS 芯片设计构造从传统双质量块方案向四质量块构造、多环构造等新 型对称构造发展。
MEMS 陀螺仪干系研究单位有美国 DARPA、Draper 实验室、 霍尼韦尔公司、大泰西惯性系统公司、InvenSense 公司、波音公司、斯坦福大学、 密歇根大学、加州大学、HRL 实验室等，英国 BAE 系统公司，挪威 Sensonor 公 司，日本东北大学、东芝公司等。
在美国 DARPANGIMG 项目支持下，多环碟形 陀螺最高精度达 0.003°/h。
当前，MEMS 陀螺仪正逐渐取代低端运用领域光纤陀 螺，但取代那些精度哀求高的运用仍须要韶光。

MEMS 陀螺仪的性能及技能水平是高性能 MEMS 惯性传感器行业技能水平 的集中表示，技能水平前辈的国内外企业在 MEMS 构造设计、MEMS 工艺、ASIC 设计方面均具备较强实力。

由于 MEMS 传感器中繁芜的极眇小型机器系统的存在，MEMS 传感器的芯 片设计和工艺研发必须紧密合营。
一方面，制造端已有的工艺路线在很大程度上 决定了芯片的设计路线；另一方面，芯片的设计路线又须要对制造真个工艺模块 进行重组和调试。
因此，MEMS 传感器的研发企业必须同时进行芯片和工艺真个 研发。

MEMS Fabless 经营模式与大规模集成电路的 Fabless 经营模式存在一定的不 同，紧张表示为大规模集成电路的制造采取 CMOS 标准工艺，第三方制造企业 工艺积累相对成熟；MEMS Fabless 企业工艺一样平常要经由 MEMS 工艺导入、工艺 优化与调度、设计路线调度以及批量生产阶段。

3.1 MEMS 工艺

硅基 MEMS 加工技能紧张包括体硅 MEMS 加工技能和表面 MEMS 加工技 术。
体硅 MEMS 加工技能的紧张特点是通过对硅衬底材料的深刻蚀可得到较大 纵向尺寸可动微构造，体硅工艺包括湿法 SOG（玻璃上硅）工艺、干法 SOG 工 艺、正面体硅工艺、SOI（绝缘体上硅）工艺。
表面 MEMS 加工技能紧张通过在 硅片上成长氧化硅、氮化硅、多晶硅等多层薄膜来完成 MEMS 器件的制作，利 用表面工艺得到的可动微构造的纵向尺寸较小，但与 IC 工艺的兼容性更好，易 与电路实现单片集成。

湿法 SOG： SOG 工艺是通过阳极键合技能形成稳定的硅-氧键将硅圆片与玻璃圆片粘在 一起，硅作为 MEMS 器件的构造层，玻璃作为 MEMS 器件的衬底层。
构造层由浓硼层形成，对付各向异性的堕落液，当硼掺杂原子浓度不小于 1019/cm-3 时，相对同样的单晶硅，其堕落速率低落 5~100 倍，利用各向异性堕落 液对高掺杂层的低堕落速率特性达到堕落停滞的目的。
采取深反应离子刻蚀（DRIE）工艺在浓硼层上形成各种设计的 MEMS 构造， 再与玻璃键合，采取自停滞堕落去除上层多余的单晶硅，完成加工。
受扩散深度与浓度的限定，MEMS 器件构造层的厚度一样平常小于 30μm，而且 由于高浓度掺杂会造成硅构造损伤带来构造应力，硅与玻璃的材料不匹配性也会 带来较大构造应力，自停滞硅湿法堕落具有较低的加工精度，其余，由于存在高 温工艺也不适用于与 IC 的单片集成，这些是湿法 SOG 加工技能的缺陷。
但此工 艺比较成熟, 工艺大略，也适宜一些性能哀求不高的 MEMS 器件的加工以及批 量加工，如 MEMS 陀螺仪、加速度计、MEMS 实行器等。

干法 SOG： 基本工艺构造类似湿法 SOG 工艺，同湿法 SOG 工艺比较，采取磨抛减薄的 工艺取代了浓硼掺杂与湿法堕落形成 MEMS 芯片的构造层，省去高温永劫光硼 掺杂会降落对构造层的损伤，也避免了有毒或者随意马虎带来工艺沾污的湿法堕落步 骤，适用于陀螺仪、加速度计、光开关、衰减器。

正面体硅： 正面体硅工艺结合了深刻蚀、浓硼掺杂与湿法堕落工艺。
首先对 N 型硅片进 行浓硼掺杂，浓度知足硅湿法自停滞堕落哀求，然后 DRIE 硅构造，刻蚀深度大 于浓硼层的厚度，末了在自停滞堕落液里进行堕落开释构造。

优点：在单层硅片上完成 MEMS 芯片的加工，省去了与玻璃片的键合，因 此不存在由于材料不匹配带来的应力影响，适用于光开关、光衰减器、反射镜阵 列。
缺陷：存在高温掺杂工艺，不易与 IC 芯片集成；正面体硅采取 PN 结达到电 极隔离目的，存在击穿电压与泄电的限定。

体硅 SOI

体硅 SOI 采取全硅构造，通过硅-硅键合技能将硅与硅片粘接在一起，由于 是全硅构造，因此不存在由于热膨胀系数带来的应力影响，构造层厚度可达 80μm，并具有较高的加工精度，易于电路单片集成。
优点：适用于更多的 MEMS 器件的制造, 可用于制作 MEMS 惯性器件（包 括陀螺、加速度计、振动传感器等）、MEMS 光学器件（包括光开关、衰减器等）、 生物 MEMS、流体 MEMS 等多种 MEMS 器件，具有更广的适用性，可实现批量 加工需求，是目前的主流加工工艺。

表面硅： 表面硅 MEMS 加工技能是在集成电路平面工艺根本上发展起来的一种 MEMS 工艺技能，它利用硅平面上不同材料的顺序淀积和选择堕落来形成各种 微构造。
相对付体硅工艺，表面工艺由于保持了衬底的完全性，更随意马虎与 CMOS 工 艺兼容，但是表面工艺的缺陷是不易加工博识宽比的器件构造, 一样平常厚度小于 2μm，MEMS 芯片的灵敏度将受限定。
因此，目前也涌现了表面与体硅组合的加 工技能, 适应一些器件的分外需求，例如采取表面与体硅组合技能制作的 MEMS 热对流传感器、压阻传感器等。

SOI 硅片有很多的优点，紧张包括单晶特性良好、很随意马虎加工出厚度很大的 器件、很随意马虎加工出具有博识宽比的构造、器件的机器稳定性良好、制造的器件 的残余应力比较小以及器件的后续工艺更大略等，SOI 构造逐渐成为了加工 MEMS 器件的紧张技能。

3.2 ASIC 工艺

MEMS 芯片须要在 ASIC 芯片的驱动掌握下感应外部待测旗子暗记并将其转化 为电容、电阻、电荷等旗子暗记变革，ASIC 芯片再将上述旗子暗记变革转化成电学旗子暗记。
ASIC 芯片一样平常集成了电源管理、温度传感、模态匹配、正交偏差补偿、温 度校准及自诊断等电路，一方面可以实现传感器内部自校准、自补偿，使系统应 用更大略、精度更高、重复性更好，另一方面可以对陀螺仪的事情状态进行监测， 提高输出数据的可靠性。
ASIC 一样平常采取 CMOS 工艺。

3.3 封装工艺

MEMS 器件封装： 由于 MEMS 器件普遍具有悬浮、可动构造，使得它具有随意马虎破坏、粘附潮 气和灰尘等缺陷，MEMS 器件一样平常采取晶圆级封装，可以提高 MEMS 组件事情 的可靠性和长期稳定性，同时有利于降落后道封装本钱。
圆片级封装采纳的手段便是在功能圆片加工完成后，再在上面对准后扣上一 个圆片，相称于通过一次工艺就给功能圆片上的每个芯片戴上了一顶帽子，作为 帽子的圆片要具备一定的腔体，不能够毁坏 MEMS 可动构造。
两个圆片紧张通 过静电键合、直接键合（硅片熔融键合）、共晶焊接和粘接等手段实现。

MEMS 器件与 CMOS 器件 3D 集成： 随着体积与本钱的哀求，目前封装正在向 3D 集成技能发展，将 CMOS、 MEMS 等器件集成封装，用较短的垂直互连取代很长的二维互连，从而减低了系 统寄生效应和功耗，并达到体积最小化和优秀电性能的高密度互连目的。
3D 集成技能紧张包括材料匹配技能、综合屏蔽技能、穿硅通孔 （TSV）的 形成与金属化、圆片减薄与对准键合技能。

3.4 测试

与规模化批量测试的传统芯片不同，高性能 MEMS 惯性传感器芯片由体硅 工艺加工形成，内部架构繁芜，定制化产品较多，须要在长期的测试过程中不断 摸索和提升与高性能 MEMS 惯性传感器匹配的测试技能。
高性能 MEMS 惯性传感器测试标定须要利用专用测试软硬件系统采集多温 度点的静态和动态传感器输出数据，并对采集数据进行旗子暗记剖析与处理，打算出 优化后的传感器配置参数，再将配置参数写入 ASIC 芯片中。

4.1 MEMS 陀螺仪家当链及干系企业

MEMS 陀螺仪家当链可分为芯片设计、晶圆制造、封装测试三个环节，以及 IDM 厂。
我国 MEMS 陀螺仪的研究起源于二十世纪八十年代，国家投入了大量经费进行 MEMS 陀螺仪方面的研究，在硅基 MEMS 惯性技能产品研制方面，主 要集中在传统的惯性技能研制单位和部分微电子技能研制单位，包括航天科技 13 所、航天科工 33 所、航空 618 所、中电 13 所和兵器 214 所等。
航天科技 13 所研发中央 MEMS 技能研究室是专门从事 MEMS 陀螺仪、 MEMS 加速度计研制、生产的创新研发团队，研究室拥有一条完全的硅基 MEMS 工艺线，清洁厂房面积 1000 余平米，设备 100 余台套，开拓出国际一流的全硅 晶圆级真空封装工艺，具备完全的 MEMS 惯性器件加工、封装、测试能力，承 担多项国家重大根本研究项目，在 MEMS 惯性器件构造、工艺、封装、测试、 ASIC 电路等方面积累丰富，获国防技能发明奖 3 项，体例国军标 3 项，申请发 明专利 70 多项，与海内多所高校及科研院所建立了互助关系，研制的 MEMS 陀 螺仪、MEMS 加速度计在“十三五”测评中综合指标名列前茅，并已在多个重点型 号中批量装备。

航天科工 33 所在上世纪 90 年代即启动石英惯性仪表的研制事情，随着研究 的深入以及系统装备的需求，33 所已建成了总面积达 2000m2 的净化厂房，兼容 目前已相对成熟的石英音叉陀螺、石英振梁加速度计以及正在研发阶段的硅基 MEMS 仪表的研制需求，整条研制线设备齐套，形成了从前端加工到后端封装的 完全的制造能力。
航空 618 所拥有我国航空工业唯一、海内一流的全流程 MEMS 研发工艺平台， 其智能传感家当基地项目开工仪式于 2022 年 9 月 13 日在沣东新城举行，该项目 总投资 11.6 亿元，方案培植面积约 9 万平方米，培植内容包括 MEMS 生产线、微 系统及微机电系统传感器生产调试线、光纤陀螺研发生产基地等，建成后估量 5 年累计产值超过 80 亿元。

中国电子科技集团 13 所是海内最早得到重点扶持的企业，下属子公司美泰 科技美泰电子科技有限公司专门致力于MEMS器件与系统的研发、生产和发卖， 在 1995 年就率先开始了 MEMS 技能与产品的探索与研发，推出了我国首款实用 化 MEMS 加速度传感器，盘踞了惯性技能的高地，公司连续多年荣获中国半导 体 MEMS 十强企业，IC 独角兽企业。
立足 20 年 MEMS 研发积累和市场开拓， 背靠天下 500 强 CETC 央企，拥有海内一流的 MEMS 人才团队和软硬件条件， 美泰公司成为了集研发、设计、制造、封装测试和系统集成为一体的 MEMS IDM创新企业，形成了 MEMS 惯性器件与系统、MEMS 传感器、射频（RF）MEMS 器件三大类的上风产品谱系，知足了航空航天、新能源汽车、智能驾驶、聪慧城 市、物联网和 5G 通信等计策新兴家当对 MEMS 产品的急迫需求。
芯动联科成立于 2012 年，基于半导体的行业积累、独创的微纳构造设计， 采纳前辈的 MEMS 工艺、特有的封装方案及当代化的管理模式和完善的人才积 累，领悟集成电路与传统高端惯性行业，促进惯性传感器、压力传感器等传感器 向智能化、微型化、易用化、本土化、IC 化发展。
自公司成立以来，公司产品已 广泛运用于工业生产、工业设备监测与掩护、无人系统导航与掌握、海洋监测、 气候预报、水上水下无人设备导航与掌握、石油勘探、丈量与测绘、桥梁监测、 地质勘探、灾情预警等领域并得到了各领域多国家客户的同等认可和批量订购。

4.2 海内 MEMS 陀螺仪性能指标比拟

海内 MEMS 陀螺仪干系厂商包括芯动联科、美泰科技、深迪半导体、矽睿 科技等。
个中，芯动联科紧张做高性能产品，范例产品 33 系列陀螺仪的零偏稳 定性为 0.1°/h，相较于其他厂商，该指标领先 1-2 个数量级。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。
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精选报告来源：【未来智库】。
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