穩(wěn)健操作通過嚴重沖擊和加速的mems裝置機構增強的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及穩(wěn)健操作通過嚴重沖擊和加速的MEMS裝置機構增強。一種微電子機械系統(tǒng)(MEMS)裝置包括至少一個檢測質量，其被構造成具有第一電壓和沿第一水平方向的電動機運動。至少一個傳感板與檢測質量分開達一定傳感間隙，且所述傳感板具有面向檢測質量的內表面和不同于第一電壓的第二電壓。一組止擋結構位于傳感板的內表面上，并且電隔離于傳感板。所述止擋結構被構造成防止傳感板的內表面與檢測質量沿豎直方向接觸。所述止擋結構具有與檢測質量的電壓基本上相同的電壓，并且定尺寸為在沖擊或加速事件期間與檢測質量接觸時使能量交換最小化。
【專利說明】穩(wěn)健操作通過嚴重沖擊和加速的MEMS裝置機構增強

【背景技術】
[0001]微電子機械系統(tǒng)(MEMS)裝置可包括各種傳感器，比如陀螺儀和加速計，其可被實施于各種控制系統(tǒng)和慣性導航應用中，比如慣性測量單元(IMU)中。MEMS陀螺儀或加速計可以包括微結構傳感元件，比如檢測質量，其介于一對傳感板之間，形成電容傳感器。
[0002]當受到非常高水平的沖擊或振動時，MEMS傳感器的操作可能被干擾或阻止。該操作故障的一個已確定的原因是檢測質量與檢測質量所振蕩的傳感板中的一者或兩者之間的接觸。當發(fā)生了檢測質量對傳感板的接觸時，產生電荷交換，并且可能導致傳感器信號的擾亂或損失。
[0003]當前，MEMS傳感器主要依賴于檢測質量支承用彈簧，其在垂直于檢測質量平面的方向上具有剛度，以防止檢測質量觸及傳感板。用于防止檢測質量觸及傳感板的其它已嘗試的解決方案包括電氣阻尼、和氣體阻尼，其是通過以稀薄氣體充注傳感器腔體的真空空隙。然而，這兩個解決方案在傳感器處看見的加速力超過一定水平時可能會失敗，如在某些應用中存在的。
[0004]在其它途徑中，傳感器檢測質量在不利的高加速度期間被保持靜止或幾乎靜止，然后在干擾已過去之后被釋放來用于正常操作。然而，傳感器在被保持靜止的周期中是不起作用的。


【發(fā)明內容】

[0005]—種MEMS裝置包括:至少一個檢測質量，其具有第一表面和相對的第二表面，所述檢測質量被構造成具有第一電壓和沿第一水平方向的電動機運動。至少一個傳感板與檢測質量分開達一定傳感間隙，且所述傳感板具有面向檢測質量的第一表面的內表面和不同于第一電壓的第二電壓。一組止擋結構位于傳感板的內表面上，并且電隔離于傳感板。所述止擋結構被構造成防止傳感板的內表面與檢測質量沿豎直方向接觸。所述止擋結構具有與檢測質量的電壓基本上相同的電壓，并且定尺寸為在沖擊或加速事件期間與檢測質量接觸時使能量交換最小化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]應當理解的是附圖僅示出了示例性實施例，因此不應被認為是對范圍的限制，將通過使用附圖以附加的具體內容和細節(jié)來描述示例性實施例，附圖中:
圖1是根據一個實施例的MEMS傳感器裝置的透視圖；
圖2是圖1的MEMS傳感器裝置的端視圖；
圖3是圖1的MEMS傳感器裝置的一部分的放大透視圖；
圖4是根據一替代實施例的MEMS傳感器裝置的端視圖；
圖5是根據另一實施例的MEMS傳感器裝置的端視圖；
圖6是根據再一實施例的MEMS傳感器裝置的端視圖；
圖7是根據一個實施例的MEMS陀螺儀的俯視圖； 圖8是根據另一實施例的MEMS陀螺儀的俯視圖；
圖9是根據一個實施例的MEMS陀螺儀的放大部分的俯視圖；
圖10是根據一替代實施例的MEMS傳感器裝置的一部分的端視圖；并且圖11是示出了用于MEMS陀螺儀的檢測質量位置對勢能的圖形。

【具體實施方式】
[0007]在以下詳細描述中，足夠詳細地描述實施例，以使本領域的技術人員能夠實施本發(fā)明。應該明白的是，可以在不背離本發(fā)明的范圍的情況下采用其它實施例。因此，以下詳細描述不被認為具有限制的意義。
[0008]內部機構增強被提供來用于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)裝置，其允許MEMS裝置穩(wěn)健地操作通過嚴重的沖擊和加速事件。內部機構防止在沖擊或加速事件期間和之后防止導致失去傳感器性能的MEMS裝置中的各種部件的接觸或觸及，從而導致在這類事件期間改善操作公差。
[0009]本途徑涉及在MEMS傳感器裝置中添加多個止擋結構，所述MEMS傳感器裝置具有一個或多個檢測質量，比如一對相對的檢測質量，其定位成分離于至少一個傳感板。一組止擋結構防止檢測質量沿與檢測質量的電動機運動平面垂直的豎直方向與傳感板接觸。附加止擋結構可被添加在檢測質量與傳感或電動機相關梳狀物(comb)之間，來防止梳狀物在操作期間觸及彼此。止擋結構以在電氣上不是破壞性的同時使機械擾亂最小化的方式，來約束檢測質量在操作期間的豎直和水平運動。這允許MEMS傳感器裝置穩(wěn)健地操作通過高加速或沖擊事件。
[0010]止擋結構被構造成處于與檢測質量的電勢相同的電勢，使得操作上振蕩的檢測質量與止擋結構的接觸不導致放電或電荷轉移。此外，檢測質量與止擋結構的接觸導致近零摩擦動量損失，從而允許檢測質量在與止擋結構接觸之后繼續(xù)振蕩，而沒有顯著的檢測質量動量損失，由此防止或最小化傳感器操作中的擾亂。
[0011]一般而言，止擋結構被定位和定尺寸為在正常環(huán)境和振動條件下不妨礙MEMS傳感器的操作。當沖擊被施加時，并且在檢測質量和/或其它機構位移擴展到遠超正常操作位移并接近其它內部結構的情況下，止擋結構以可預測的方式制止進一步的位移。止擋結構還實現(xiàn)最短的接觸時間(如果發(fā)生觸及的話)，并使在接觸點處向中性位置的恢復力最大化。
[0012]止擋結構具有高度，使得作用在檢測質量上的恢復力得到維持，并且檢測質量向傳感板的下垂(stick-down)被防止，同時維持檢測質量在傳感間隙內的最大自由行程。止擋結構可形成為使得它們的高度被選擇為在檢測質量接觸止擋結構之前允許最大檢測質量位移，同時還確保在最大檢測質量位移處的檢測質量恢復力的最大化。另外，止擋結構可形成為具有這樣的尺寸和形狀，以在檢測質量與止擋結構之間發(fā)生觸及時使檢測質量動量的摩擦損失最小化。
[0013]本止擋結構可被添加至各種MEMS傳感器裝置。例如，MEMS陀螺儀的各種構造可實施有止擋結構，比如平面內陀螺儀(IPG)或上傳感板(USP)陀螺儀、平面外陀螺儀(OPG)、或類似物。另外，止擋結構可被添加至各種MEMS加速計，以緩解加速事件期間檢測質量下垂的風險。
[0014]在一個實施例中，止擋結構定位在“z”方向上(平面外)，以防止檢測質量對上/下傳感板的觸及。附加的止擋結構在垂直于電動機(“X”)方向的“y”方向上沿著檢測質量平面定位，以防止間隙電動機驅動器與電動機檢出梳狀物發(fā)生觸及。止擋結構的這種構造可應用于例如USP陀螺儀。
[0015]在另一實施例中，止擋結構在“z”方向上定位，以防止檢測質量對上/下傳感板的觸及，并防止電動機驅動板對檢測質量的觸及。附加的止擋在垂直于電動機方向的“y”方向上在檢測質量平面中定位，以防止傳感梳狀物觸及。止擋結構的這種構造可應用于例如OPG。
[0016]下面相對于附圖更詳細地描述本途徑。
[0017]圖1和2是根據一個實施例MEMS傳感器100的示意圖。MEMS傳感器100第一檢測質量112和第二檢測質量114，它們定位成分離于至少一個傳感板。在一個實施例中，檢測質量112和114定位成分離于第一傳感板124 (圖1)。在另一實施例中，檢測質量112和114定位在第一傳感板124與第二傳感板120之間。檢測質量可由硅材料組成。傳感板120和124通常由覆蓋有金屬化層的玻璃基底材料組成。
[0018]檢測質量112和114各自具有第一電壓(VI)，傳感板120具有第二電壓(V2)，而傳感板124具有第三電壓(V3)，如圖1中指示的。在MEMS傳感器100的操作期間，檢測質量112和114具有沿水平方向的電動機運動，如箭頭(A)所指示，并且還具有沿豎直方向朝向傳感板120和124的運動，如箭頭⑶所指示，其發(fā)生在傳感和沖擊調節(jié)期間。檢測質量112的電動機運動在圖2的端視圖中由符號⑴和(.)示出(進出頁面)。
[0019]MEMS傳感器100包含多個止擋結構130，其定位在傳感板124的內表面126上，用以防止檢測質量112和114在沖擊調節(jié)下與傳感板124的觸及或接觸。如圖2中所示，多個止擋結構132，其對應于并定位成高于止擋結構130，還定位在傳感板120的內表面122上，用以防止檢測質量112和114在沖擊調節(jié)下與傳感板120的接觸。止擋結構130、132成形為類似于導軌，并具有矩形端視輪廓。檢測質量112與傳感板120和傳感板124分開達傳感間隙(G)。
[0020]止擋結構130、132被構造成具有電壓(Vl)，其匹配于檢測質量112、114 (Vl)的電壓，使得如果止擋結構在操作期間觸及檢測質量的話，它對MEMS傳感器100在電氣上不是破壞性的。雖然止擋結構可如圖2的示例性實施例中示出那樣豎直地對齊，但是止擋結構在另一些實施例中也可定位成相對于彼此具有非豎直對齊。
[0021]圖3示出了 MEMS傳感器100的更多細節(jié)，包括檢測質量112、傳感板120和傳感板124的一些部分。傳感板124的內表面126上的止擋結構130各自具有長度(L)，其可定范圍為檢測質量的長度的大約1%?大約120%。止擋結構130可具有這樣的取向，以使止擋結構長度基本上平行于正常檢測質量電動機運動(A)的方向。止擋結構130具有非常窄的寬度(W)，其在一個示例中為傳感間隙(G)的尺寸的大約0.1倍?大約2倍。
[0022]傳感板120上的止擋結構132 (圖2)具有與止擋結構130相同的尺寸構造。止擋結構130、132具有高于傳感板的平面的高度(H)，其為傳感板與檢測質量之間的傳感間隙(G)的尺寸的大約1%?大約25%的程度。止擋結構130、132的面積與傳感板的面積的比值非常小，例如為大約5%或更小。
[0023]為了在MEMS傳感器100操作期間實現(xiàn)檢測質量與止擋結構的近零摩擦觸及，止擋結構130、132的形狀形成為使得在面向檢測質量的任何表面上不存在尖銳邊緣。例如，止擋結構可具有倒圓的角部133，如圖3中所示，以降低摩擦。另外，止擋結構的寬度被選擇為使得便于制造，同時使由檢測質量接觸期間的摩擦最小化。
[0024]止擋結構可通過標準的蝕刻工藝形成。例如，可使用類似于反應離子蝕刻(REI)工藝的工藝在傳感板上制造止擋結構，通過所述反應離子蝕刻(REI)工藝形成臺面(REI臺面蝕刻)。所得止擋結構可由與傳感板玻璃相同的玻璃基底材料組成，但是沒有在傳感板上使用的覆蓋金屬化覆層。這允許止擋結構電隔離于傳感板，同時被電氣地連結至與檢測質量的電勢相同的電勢。在另一實施例中，止擋結構可由與檢測質量自身的材料相同的材料組成，同時再次被電氣地連結至與檢測質量的電勢相同的電勢。
[0025]替代地，止擋結構可通過標準的沉積工藝形成。例如，玻璃或其它材料可沉積在傳感板的內表面上，以構建導軌形止擋結構。
[0026]應該明白的是:對于給定應用，根據需要，可在傳感板上采用附加的止擋結構。例如,在圖2中示出的替代實施例中，止擋結構134可被添加至傳感板120的內表面122的中心部分，在檢測質量112之上并處于止擋結構132之間。同樣地，止擋結構136可被添加至傳感板124的內表面126的中心部分，在檢測質量112之上并處于止擋結構130之間。
[0027]圖4示出了另一實施例的MEMS傳感器200，其包括與MEMS傳感器100類似的特征。例如，MEMS傳感器200包括檢測質量212，其具有第一表面214和相對的第二表面216。檢測質量212定位在上傳感板220與下傳感板224之間。MEMS傳感器200也具有定位在傳感板224的內表面226上的多個止擋結構230。多個止擋結構232，其對應于并定位成高于止擋結構230，定位在傳感板220的內表面222上。
[0028]止擋結構230、232被構造成具有電壓，其匹配于檢測質量112的電壓，使得如果止擋結構在操作期間觸及檢測質量的話，它對MEMS傳感器200在電氣上不是破壞性的。止擋結構230、232可各自具有長度，其基本上相同于檢測質量312沿著電動機運動方向的長度，或者可具有較短的長度，下降為小于檢測質量的長度大約1%的長度。如圖4中所示，止擋結構230、232具有三角形端視輪廓，其提供在接觸時與檢測質量212的刀鋒型接合。這導致止擋結構的較少的表面區(qū)域接觸以及較少的摩擦損失。
[0029]圖5示出了另一實施例的MEMS傳感器300，其包括與MEMS傳感器100類似的特征。例如，MEMS傳感器300包括檢測質量312，其定位在上傳感板320與下傳感板324之間。MEMS傳感器300也具有定位在傳感板324的內表面326上的多個止擋結構330。多個止擋結構332，其對應于并定位成高于止擋結構330，定位在傳感板320的內表面322上。
[0030]止擋結構330、332被構造成具有電壓，其匹配于檢測質量312的電壓。如圖5中所示,止擋結構330定位成沿著傳感板324的內表面326的相對邊緣，并且止擋結構332定位成沿著傳感板320的內表面322的相對邊緣。止擋結構330、332可各自具有長度，其基本上相同于檢測質量312沿著電動機運動方向的長度。替代地，止擋結構330、332可被分段，使得縮短的止擋結構定位成相鄰于檢測質量的每個角部。在一個示例中，這些縮短的止擋結構可具有長度，其為垂直于電動機運動方向的檢測質量寬度的大約1%?大約10%。在一示例性實施例中，止擋結構330、332的高度(H)可為傳感間隙(G)的尺寸的大約1%?大約25%，并且止擋結構的寬度(W)可為傳感間隙(G)的尺寸的大約0.1倍?大約2倍。
[0031]雖然止擋結構330、332被示為具有矩形端視輪廓，但是這些止擋結構在替代實施例中可被構造成具有三角形端視輪廓，如圖4中所示那樣。此外，止擋結構的極端頂部的具體端視輪廓形狀可為三角形、扁平形、倒圓形或其它形狀，使得止擋結構對檢測質量的接觸區(qū)域受到控制。
[0032]圖6示出了另一實施例的MEMS傳感器400，其包括與MEMS傳感器100類似的特征。例如，MEMS傳感器400包括檢測質量412，其定位在上傳感板420與下傳感板424之間。MEMS傳感器400也具有定位在傳感板424的內表面426上的多個止擋結構430。多個止擋結構432，其對應于并定位成高于止擋結構430，定位在傳感板420的內表面422上。
[0033]止擋結構430、432被構造成具有電壓，其匹配于檢測質量412的電壓。如圖6中所示，止擋結構430定位成沿著傳感板424的內表面426的相對邊緣，使得止擋結構430的一部分延伸超出邊緣中的每個。同樣地，止擋結構432定位成沿著傳感板420的內表面422的相對邊緣，使得止擋結構432的一部分延伸超出邊緣中的每個。該構造的止擋結構提供附加的設計靈活性，來插入止擋結構，其懸伸于其間的傳感間隙空間之外的區(qū)域。
[0034]止擋結構430、432可各自具有長度，其短于或基本上相同于檢測質量412沿著電動機運動方向的長度。止擋結構430、432具有高度(H)，其足以防止靜電“下垂”，但是仍然低到足以在間隙(G)中允許最大的自由空間，來用于最大比率的操作，具有裕度，處于預期振動和靜態(tài)加速度(例如，高達大約500-800gs)下。止擋結構430、432具有寬度，其窄到足以使檢測質量PM對止擋結構接觸的表面區(qū)域最小化，但是寬到足以避免破損/崩缺以及制造困難。例如，高度⑶可為傳感間隙(G)的大約1%?大約25%，并且寬度(W)可為傳感間隙(G)的尺寸的大約0.1倍?大約2倍。
[0035]圖7示出了根據一個實施例的MEMS陀螺儀500，其實施與以上相對于圖5描述的那些類似的止擋結構。MEMS陀螺儀500包括第一檢測質量512和第二檢測質量514，它們以對齊構造定位成彼此相鄰。電動機檢出(pick-off)機構516被聯(lián)接在檢測質量512與檢測質量514之間。電動機驅動機構517聯(lián)接至檢測質量512,并且電動機驅動機構518聯(lián)接至檢測質量514，位于從電動機檢出機構516起的相對側。一組彈簧機構520各自聯(lián)接至檢測質量512的相應角部，并且一組彈簧機構522各自聯(lián)接至檢測質量514的相應角部。彈簧機構520和522分別允許檢測質量512和514的振蕩運動。另外，一對牛頓止擋(Newton stop) 524定位在檢測質量512的相對邊緣附近，并且一對牛頓止擋526定位在檢測質量514的相對邊緣附近。牛頓止擋524和526分別約束檢測質量512和514在電動機運動方向上的移動。
[0036]如圖7中所示，分離的止擋結構530定位在檢測質量512的每個角部附近，位于上方的傳感板(未示出)上。對應于止擋結構530的四個附加止擋結構還定位在檢測質量512下方，位于下方的傳感板上，使得總共八個止擋結構關聯(lián)于檢測質量512。同樣地，止擋結構532定位在檢測質量514的每個角部附近，位于上方的傳感板(未示出)上。對應于止擋結構532的四個附加止擋結構還定位在檢測質量514下方，位于下方的傳感板上，使得總共八個止擋結構關聯(lián)于檢測質量514。在陀螺儀的操作期間，止擋結構通過物理接觸約束檢測質量偏離平面運動，而不損失檢測質量電荷或者損失顯著的檢測質量動量。
[0037]圖8繪出了根據另一實施例的MEMS陀螺儀600，其實施與以上相對于圖7描述的那些類似的止擋結構。MEMS陀螺儀600包括第一檢測質量612和第二檢測質量614，它們以對齊構造定位成彼此相鄰。檢出機構616被聯(lián)接在檢測質量612與檢測質量614之間。電動機驅動機構617聯(lián)接至檢測質量612,并且電動機驅動機構618聯(lián)接至檢測質量614,位于從檢出機構616起的相對側。一組彈簧機構620定位在檢測質量612的每個角部附近，并且一組彈簧機構622定位在檢測質量614的每個角部附近。另外，一對牛頓止擋624定位在檢測質量612的相對邊緣附近，并且一對牛頓止擋626定位在檢測質量614的相對邊緣附近。
[0038]如圖8中所示,一對止擋結構630定位在檢測質量612的相對邊緣附近,位于上方的傳感板(未示出)上。對應于止擋結構630的兩個附加止擋結構還定位在檢測質量612下方，位于下方的傳感板上，使得總共四個止擋結構關聯(lián)于檢測質量612。同樣地，一對止擋結構632定位在檢測質量614的相對邊緣附近，位于上方的傳感板(未示出)上。對應于止擋結構632的兩個附加止擋結構定位在檢測質量614下方，位于下方的傳感板上，使得總共四個止擋結構關聯(lián)于檢測質量614。
[0039]除了如以上描述的約束檢測質量的豎直(“z”方向，進出頁面)運動的止擋結構之外，其它止擋結構也可被實施在檢測質量與傳感或電動機相關梳狀物之間，來防止梳狀物在MEMS傳感器的操作期間沿“y”方向觸及彼此。例如，這類止擋結構可防止電動機傳感(電動機檢出)梳狀物對檢測質量傳感梳狀物的接觸，以及電動機驅動梳狀物對檢測質量驅動梳狀物的接觸。止擋結構與檢測質量之間的止擋間隙(空間)定尺寸為防止電動機檢出梳狀物處的短路，同時仍然防止檢測質量由于電動機驅動或電動機檢出電壓而“拉入”。圖8進一步示出了一示例性實施方式的附加止擋結構640，其約束檢測質量612在“y”方向上的運動，以及附加止擋結構642，其約束檢測質量614在“y”方向上的運動。
[0040]圖9示出了用于MEMS陀螺儀700的示例性止擋結構構造的更多細節(jié)，其約束檢測質量在“y”方向上的運動。MEMS陀螺儀700包括多個交指型(interdigitized)梳狀物710和712，其包括相應的個體梳狀物指狀部720和722。梳狀物指狀部720和722通過傳感間隙724彼此分開，使得它們在正常操作期間不觸及彼此。牛頓止擋730被構造成約束梳狀物712在檢測質量電動機運動方向(“X”方向)上的移動，使得梳狀物指狀部722的尖端不接觸梳狀物710。
[0041]一組止擋結構740被構造成約束檢測質量在“y”方向上的運動，使得個體梳狀物指狀部720和722即使在沖擊事件期間也不觸及彼此。止擋結構740各自包括緩沖器742，其在MEMS陀螺儀700受到各種操作作用力時抵靠檢測質量框架750，從而防止梳狀物指狀部720和722觸及彼此(該情形在圖9中示出)。在一個實施例中，止擋結構740被構造成使得緩沖器742與檢測質量框架750之間的止擋間隙在正常操作期間是傳感間隙724的尺寸的大約25%?大約75%。
[0042]圖10繪出了用于MEMS傳感器裝置的止擋結構構造的一替代實施例，其約束檢測質量在“z”方向上的運動。MEMS傳感器裝置包括定位在傳感板820上方的檢測質量810。傳感板具有由肩部824限定出的凹入部分822，所述肩部824作為用于檢測質量810的止擋結構發(fā)揮功能。肩部824可限定出圍繞傳感板820的凹入部分822的周緣。凹入部分822可通過標準的蝕刻工藝形成。
[0043]凹入部分822被不同于檢測質量810的電壓的電壓激勵。檢測質量810與肩部824分開達止擋距離(D)，并且與凹入部分822分開達傳感間隙(G)。肩部824被構造成具有與檢測質量810相同的電壓，使得如果檢測質量810在操作期間觸及肩部824，它對MEMS傳感器裝置在電氣上不是破壞性的。圖10中的尺寸(W)繪出了檢測質量810與肩部824的重疊。該尺寸(W)可沿著檢測質量810的長度和寬度在尺寸上發(fā)生變化。
[0044]圖10中的線830代表檢測質量“拉入”點，在這里來自傳感偏置電壓(檢測質量810與傳感板凹入部分822之間)的靜電作用力等于用于檢測質量810的機械彈簧恢復力。線830對應于圖11的圖形中的“零恢復力”點。肩部824具有高度(H)，使得檢測質量810被阻止在沖擊事件期間超過拉入點，從而防止檢測質量810下垂到傳感板凹入部分822。
[0045]圖11是示出了 MEMS陀螺儀的傳感間隙(沿著圖1的Z方向)中的檢測質量位置對勢能的圖形，其可用于設計在前述實施例中描述的止擋結構。如該圖形中示出的，對于傳感間隙內的止擋結構高度存在最佳尺寸，其(I)使自由傳感間隙操作區(qū)域最大化，而且(2)防止檢測質量(或電動機梳狀物)撓曲進入位移的“下垂區(qū)域”，并且(3)在最大撓曲時將檢測質量恢復力保持在其最大值附近。該最佳止擋尺寸在圖11中被示為最大恢復力的75%?100%的點。作為一個示例，在尺寸為4.0微米的傳感間隙(G)中，最佳止擋高度將為0.4?0.9微米，從而將沿著傳感軸線的檢測質量位移分別限制為圖11中(X軸)的-3.6和-3.1微米。
[0046]示例性實施例
示例I包括一種MEMS裝置，其包括:至少一個檢測質量，其具有第一表面和相對的第二表面，所述檢測質量被構造成具有第一電壓和沿第一水平方向的電動機運動；第一傳感板，其與所述檢測質量分開達第一傳感間隙，所述第一傳感板具有面向所述檢測質量的第一表面的內表面，并且具有不同于所述第一電壓的第二電壓；和第一組止擋結構，其位于所述第一傳感板的內表面上，并且電隔離于所述第一傳感板，所述第一組止擋結構被構造成防止所述第一傳感板的內表面與所述檢測質量沿豎直方向接觸，所述第一組止擋結構具有與所述檢測質量的電壓基本上相同的電壓；其中，所述第一組止擋結構定尺寸為在沖擊或加速事件期間與所述檢測質量接觸時使能量交換最小化。
[0047]示例2包括示例I的MEMS裝置,進一步包括:第二傳感板，其與所述檢測質量分開達第二傳感間隙，所述第二傳感板具有面向所述檢測質量的所述相對的第二表面的內表面，并且具有不同于所述第一電壓和第二電壓的第三電壓；和第二組止擋結構，其位于所述第二傳感板的內表面上，并且電隔離于所述第二傳感板，所述第二組止擋結構被構造成防止所述第二傳感板的內表面與所述檢測質量沿豎直方向接觸，所述第二組止擋結構具有與所述檢測質量的電壓基本上相同的電壓；其中，所述第二組止擋結構定尺寸為在沖擊或加速事件期間與所述檢測質量接觸時使能量交換最小化。
[0048]示例3包括示例2的MEMS裝置，其中，第一和第二組止擋結構各自具有基本上相同的尺寸和形狀。
[0049]示例4包括示例2-3中任一項的MEMS裝置，其中，第一和第二組止擋結構各自具有為檢測質量的長度的大約1%?大約120%的長度，并且取向成平行于電動機運動方向。
[0050]示例5包括示例2-4中任一項的MEMS裝置，其中，第一組止擋結構的寬度為第一傳感間隙的尺寸的大約0.5倍?大約2倍，并且第二組止擋結構的寬度為第二傳感間隙的尺寸的大約0.5倍?大約2倍。
[0051]示例6包括示例2-5中任一項的MEMS裝置，其中，第一組止擋結構的高度為第一傳感間隙的尺寸的大約1%?大約25%，并且第二組止擋結構的高度為第二傳感間隙的尺寸的大約1%?大約25%。
[0052]示例7包括示例2-6中任一項的MEMS裝置，其中，第一和第二組止擋結構各自具有矩形端視輪廓。
[0053]示例8包括示例2-6中任一項的MEMS裝置，其中，第一和第二組止擋結構各自具有三角形端視輪廓。
[0054]示例9包括示例2-8中任一項的MEMS裝置,進一步包括:第三組止擋結構，其被構造成約束所述檢測質量沿第二水平方向的運動，所述第二水平方向垂直于所述第一水平方向。
[0055]示例10包括示例9的MEMS裝置,進一步包括:聯(lián)接至所述檢測質量的多個交指型梳狀物指狀部，其中所述第三組止擋結構被構造成防止所述交指型梳狀物指狀部在MEMS裝置在沖擊或加速事件期間進行操作的同時觸及彼此。
[0056]示例11包括示例1-10中任一項的MEMS裝置,其中，所述MEMS裝置包括陀螺儀或加速計。
[0057]示例12包括一種MEMS傳感器裝置，其包括:至少一個檢測質量，其具有第一電壓和沿第一水平方向的電動機運動；聯(lián)接至所述檢測質量的多個交指型梳狀物指狀部；至少一個傳感板，其與所述檢測質量分開達一定傳感間隙，所述傳感板具有不同于第一電壓的第二電壓；第一組止擋結構，其位于所述傳感板上并電隔離于所述傳感板，所述第一組止擋結構被構造成約束所述檢測質量在垂直于所述第一水平方向的豎直方向上的運動，所述第一組止擋結構被構造成防止所述傳感板在沖擊或加速事件期間與所述檢測質量接觸；和第二組止擋結構，其相鄰于所述檢測質量，并被構造成約束檢測質量在垂直于第一水平方向的第二水平方向上的運動，使得交指型梳狀物指狀部被防止在沖擊或加速事件期間觸及彼此；其中第一和第二組止擋結構相對于所述檢測質量在電氣上是中性的，第一和第二組止擋結構定尺寸為在沖擊或加速事件與檢測質量接觸時使能量交換最小化；其中第一組止擋結構具有高度，使得作用在檢測質量上的恢復力得到維持，并且檢測質量向傳感板的下垂被防止，同時維持檢測質量在傳感間隙內的最大自由行程。
[0058]示例13包括示例12的MEMS傳感器裝置,其中，所述第一組止擋結構包括導軌形結構。
[0059]示例14包括示例12的MEMS傳感器裝置，其中，所述第一組止擋結構包括肩部，其限定出圍繞所述傳感板的凹入部分的周緣。
[0060]示例15包括一種制造用于在沖擊或加速事件期間穩(wěn)健操作的MEMS傳感器裝置的方法，所述方法包括:在至少一個傳感板的表面上形成第一組止擋結構，所述第一組止擋結構形成有高度，該高度足以約束檢測質量沿豎直方向的運動，以防止所述檢測質量與所述傳感板的表面之間在沖擊或加速事件期間接觸，所述檢測質量具有沿第一水平方向的電動機運動；形成第二組止擋結構，其被構造成約束所述檢測質量沿垂直于所述第一水平方向的第二水平方向的運動，以防止多個交指型梳狀物指狀部在沖擊或加速事件期間觸及彼此，所述交指型梳狀物指狀部聯(lián)接至所述檢測質量；以及將第一組和第二組止擋結構構造為具有與所述檢測質量的電壓基本上相同的電壓。
[0061]示例16包括示例15的制造MEMS傳感器裝置的方法，其中，所述第一組止擋結構通過蝕刻所述傳感板的表面而形成，以在所述傳感板的相對側上形成導軌形結構。
[0062]示例17包括示例15的制造MEMS傳感器裝置的方法，其中，所述第一組止擋結構通過在所述傳感板的表面上沉積材料而形成，以在所述傳感板的相對側上形成導軌形結構。
[0063]示例18包括示例15的制造MEMS傳感器裝置的方法，其中，所述第一組止擋結構通過蝕刻所述傳感板的內表面而形成，以形成由肩部限定出的凹入部分，所述肩部用作第一組止擋結構。
[0064]示例19包括示例15-18中任一項的制造MEMS傳感器裝置的方法，其中，所述第一組止擋結構被形成為具有這樣的尺寸和形狀，以在檢測質量與第一組止擋結構之間發(fā)生觸及時使檢測質量動量的摩擦損失最小化。
[0065]示例20包括示例15-19中任一項的制造MEMS傳感器裝置的方法，其中，所述第一組止擋結構形成在所選高度處，所述高度在檢測質量接觸第一組止擋結構之前允許最大檢測質量位移，同時還確保使最大檢測質量位移處的檢測質量恢復力最大化。
[0066]本發(fā)明可以在不背離其實質特性的情況下以其它形態(tài)實施。所描述的實施例在所有方面都應被認為只是示例性的而不是限制性的。因此，所意圖的是本發(fā)明只由權利要求及其等同方案來限定。
【權利要求】
1.一種微電子機械系統(tǒng)裝置，包括: 至少一個檢測質量，其具有第一表面和相對的第二表面，所述檢測質量被構造成具有第一電壓和沿第一水平方向的電動機運動； 第一傳感板，其與所述檢測質量分開達第一傳感間隙，所述第一傳感板具有面向所述檢測質量的第一表面的內表面，并且具有不同于所述第一電壓的第二電壓；和 第一組止擋結構，其位于所述第一傳感板的內表面上，并且電隔離于所述第一傳感板，所述第一組止擋結構被構造成防止所述第一傳感板的內表面與所述檢測質量沿豎直方向接觸，所述第一組止擋結構具有與所述檢測質量的電壓基本上相同的電壓； 其中，所述第一組止擋結構定尺寸為在沖擊或加速事件期間與所述檢測質量接觸時使能量交換最小化。
2.如權利要求1所述的微電子機械系統(tǒng)裝置，進一步包括: 第二傳感板，其與所述檢測質量分開達第二傳感間隙，所述第二傳感板具有面向所述檢測質量的所述相對的第二表面的內表面，并且具有不同于所述第一電壓和第二電壓的第三電壓； 第二組止擋結構，其位于所述第二傳感板的內表面上，并且電隔離于所述第二傳感板，所述第二組止擋結構被構造成防止所述第二傳感板的內表面與所述檢測質量沿豎直方向接觸，所述第二組止擋結構具有與所述檢測質量的電壓基本上相同的電壓；和 第三組止擋結構，其被構造成約束所述檢測質量沿第二水平方向的運動，所述第二水平方向垂直于所述第一水平方向； 其中，所述第二組止擋結構定尺寸為在沖擊或加速事件期間與所述檢測質量接觸時使能量交換最小化。
3.—種制造用于在沖擊或加速事件期間穩(wěn)健操作的微電子機械系統(tǒng)傳感器裝置的方法，所述方法包括: 在至少一個傳感板的表面上形成第一組止擋結構，所述第一組止擋結構形成有高度，該高度足以約束檢測質量沿豎直方向的運動，以防止所述檢測質量與所述傳感板的表面之間在沖擊或加速事件期間接觸，所述檢測質量具有沿第一水平方向的電動機運動； 形成第二組止擋結構，其被構造成約束所述檢測質量沿垂直于所述第一水平方向的第二水平方向的運動，以防止多個交指型梳狀物指狀部在沖擊或加速事件期間觸及彼此，所述交指型梳狀物指狀部聯(lián)接至所述檢測質量；以及 將第一組和第二組止擋結構構造為具有與所述檢測質量的電壓基本上相同的電壓。
【文檔編號】G01P1/00GK104345167SQ201410367908
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年7月30日 優(yōu)先權日:2013年7月31日
【發(fā)明者】T.J.漢森, M.W.韋伯, M.C.格倫, D.A.卡尼克 申請人:霍尼韋爾國際公司