张方媛，牛昊彬，闫 鑫，陈旭辉，李关红

（中国航空工业集团西安飞行自动控制研究所，西安 710065）

MEMS 陀螺是一种基于MEMS 工艺制造的角速度敏感器[1]，已成为当前惯性陀螺的重要发展方向之一。MEMS 陀螺以其在体积、重量和功耗上的优势，广泛应用在汽车导航、飞行器控制与导航、消费电子等诸多领域[2,3]。

双质量结构能够有效消除轴向加速度等共模干扰的影响，其音叉式的工作方式使得MEMS 陀螺对环境不敏感，极大地提升了环境适应性[4,5]。同时采用全解耦结构方式将驱动模态与检测模态解耦，降低正交误差影响，进一步提升MEMS 陀螺的性能。双质量块陀螺工作原理为[6,7]：陀螺工作时，驱动电极施加交变静电产生驱动力，分别驱动左右两部分沿x 轴同频、等幅、反向振动。当有z 轴角速度信号输入时，产生科氏加速度，敏感质量块沿y 轴同频、等幅、反向振动。通过对检测电容进行差分运算，可以解算角速率信号。

从图1 可以看出，全解耦双质量块MEMS 陀螺结构比较复杂。图中阴影部分大多是需要与外部电路的连接信号引出的区域，涉及驱动模态以及检测模态，至少有20 个。如果在区域上直接做引线孔，会导致芯片面积不够用，工艺难度大幅度提升。因此如何将电信号引出并保证芯片设计面积和质量是决定MEMS陀螺工作与否的重要工艺环节，内部信号互联成为首选思路。

图1 双质量块陀螺结构示意图Fig.1 The structure of the double-mass gyroscope

1 MEMS 陀螺结构改进设计

当前晶圆级封装设计中， 基于硅通孔（Through-Silicon-Via, TSV）技术热度很高[8,9]，引线通孔数量过多损耗芯片面积，限制了其它结构的设计。……