具有垂直于基底平面沿逆相方向移動(dòng)的檢測(cè)質(zhì)量塊的mems加速計(jì)的制作方法
【專利說(shuō)明】具有垂直于基底平面沿逆相方向移動(dòng)的檢測(cè)質(zhì)量塊的 MEMS加速計(jì) 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0001] 本申請(qǐng)根據(jù)美國(guó)法典第35卷第119條第（e)款要求于2013年12月23日提 交的、題目為"具有垂直于基底平面沿逆相方向移動(dòng)的檢測(cè)質(zhì)量塊的MEMS加速計(jì)（MEMS ACCELEROMETER WITH PROOF MASSES MOVING IN ANTI-PHASE DIRECTION NORMAL TO THE PLANE OF THE SUBSTRATE)"的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?1/920, 246的權(quán)益，該申請(qǐng)的內(nèi)容通過(guò) 引用以其全部?jī)?nèi)容結(jié)合在此。 發(fā)明領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明總體上涉及慣性傳感器并且更具體地涉及MEMS加速計(jì)。 背景
[0003] 慣性傳感器例如加速計(jì)被廣泛用于運(yùn)動(dòng)感測(cè)應(yīng)用。常規(guī)地，加速計(jì)是由一個(gè)懸掛 的檢測(cè)質(zhì)量塊以及用于測(cè)量該檢測(cè)質(zhì)量塊相對(duì)于參考系的位移的一個(gè)器件組成?？偸切枰?在用于商業(yè)應(yīng)用的加速計(jì)的性能和可靠性方面提供改進(jìn)。典型地，性能是由該傳感器的機(jī) 械和電敏感性所決定的并且可靠性是由（除了許多其他參數(shù)之外）為了在該結(jié)構(gòu)的移動(dòng)部 件與其他固定或移動(dòng)部件偶然發(fā)生接觸的情況下松開(kāi)這些移動(dòng)部件所需要的破出力所決 定的。
[0004] 因此需要一種提供此類慣性傳感器的系統(tǒng)和方法。該方法和系統(tǒng)應(yīng)是容易實(shí)施 的、成本有效且可適應(yīng)現(xiàn)有環(huán)境的。本發(fā)明解決了以上提出的問(wèn)題。 概述
[0005] 披露了一種傳感器。在第一方面，該傳感器包括一個(gè)基底和至少兩個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊。 該傳感器還包括在該至少兩個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊與該基底之間的一個(gè)柔性聯(lián)接器。該至少兩個(gè)聯(lián) 接的檢測(cè)質(zhì)量塊響應(yīng)于加速度而垂直于基底平面沿逆相方向進(jìn)行移動(dòng)。
[0006] 在第二方面，組合式加速計(jì)與磁力計(jì)包括一個(gè)基底和至少兩個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊。該組 合式加速計(jì)與磁力計(jì)還包括在這兩個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊與該基底之間的一個(gè)柔性聯(lián)接器。這些檢 測(cè)質(zhì)量塊響應(yīng)于加速度垂直于基底平面沿逆相方向進(jìn)行移動(dòng)。該組合式加速計(jì)與磁力計(jì)還 包括一種磁性材料，該磁性材料致使該組合式加速計(jì)與磁力計(jì)響應(yīng)于一個(gè)磁場(chǎng)繞第一軸線 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)?？梢苑珠_(kāi)地感測(cè)加速度和磁場(chǎng)，因?yàn)樗鼈兙哂袃煞N不同的感測(cè)模式，分別是這些 檢測(cè)質(zhì)量塊的逆相移動(dòng)以及繞這些檢測(cè)質(zhì)量塊的第一軸線的傾斜。例如，該組合式加速計(jì) 與磁力計(jì)的多個(gè)輸出可以是通過(guò)使得換能器構(gòu)型變換來(lái)感測(cè)區(qū)分加速度和磁場(chǎng)所賦予的 輸出來(lái)測(cè)量的。 附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0007] 圖1示出了響應(yīng)于Z方向上的線性加速度的一個(gè)加速計(jì)。
[0008] 圖2示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)單一錨桿加速計(jì)。
[0009] 圖3示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)單一杠桿單一錨桿加速計(jì)。
[0010] 圖4示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)替代的單一杠桿加速計(jì)。
[0011] 圖5a示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的傳感器的構(gòu)型，該構(gòu)型是一個(gè)電容性惠思通電橋。
[0012] 圖5b示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于在如圖所示的惠思通電橋構(gòu)型中感測(cè)加速度 的一個(gè)構(gòu)型。
[0013] 圖5c示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于在如所示的惠思通電橋構(gòu)型中感測(cè)磁場(chǎng)的一 個(gè)構(gòu)型。
[0014] 圖6示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)加速計(jì)，其中是在旋轉(zhuǎn)杠桿上而不是檢測(cè)質(zhì)量 塊上進(jìn)行電容讀出。
[0015] 圖7示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的包括這些去傾斜板片的加速計(jì)。
[0016] 圖8示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的組合式加速計(jì)與磁力計(jì)傳感器。
[0017] 圖9至圖12示出了傳感器的多個(gè)實(shí)施例，該傳感器包括作為其一部分的一個(gè)蓋 子。 詳細(xì)說(shuō)明
[0018] 本發(fā)明總體上涉及慣性傳感器并且更具體地涉及MEMS加速計(jì)。下面的說(shuō)明是為 了使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明而提出的，并且是在專利申請(qǐng)及專利申請(qǐng) 的要求的背景下提供的。對(duì)優(yōu)選的實(shí)施例的不同修改和在此描述的類似原理及特征對(duì)已經(jīng) 本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是顯而易見(jiàn)。因此，本發(fā)明不旨在受限于所示出的實(shí)施例而是旨在符 合與本文如下的描述的原理和特征相一致的最廣泛的范圍。
[0019] 在這些所描述的實(shí)施例中，微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS)是指通過(guò)使用類似半導(dǎo)體的 工藝而制成的并且展現(xiàn)出例如能夠移動(dòng)或變形等機(jī)械特性的一類結(jié)構(gòu)或器件。MEMS器件通 常但不總是與電信號(hào)進(jìn)行交互。MEMS器件包括但不限于陀螺儀、加速計(jì)、磁力計(jì)、壓力傳感 器、話筒以及射頻部件。包含MEMS結(jié)構(gòu)的硅晶片被稱為MEMS晶片。
[0020] 在所描述的實(shí)施例中，MEMS器件可以指代作為微電子機(jī)械系統(tǒng)來(lái)實(shí)施的一個(gè)半導(dǎo) 體裝置。MEMS結(jié)構(gòu)可以指代任何可以是較大的MEMS器件的一部分的特征。具有機(jī)械活性 的MEMS結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層被稱為器件層。工程化絕緣體上硅（ESOI)晶片可以指代在硅器件 層或基底下方具有多個(gè)空腔的一種SOI晶片。操作晶片典型地指代用作載體的一個(gè)較厚基 底，該載體用于絕緣體上硅晶片中的較薄硅器件基底。可以將操作基底和操作晶片進(jìn)行互 換。
[0021] 在所描述的實(shí)施例中，空腔可以指代基底晶片中的一個(gè)開(kāi)口或凹陷并且包殼可以 指代一個(gè)完全封閉的空間。柱可以是MEMS器件的空腔中用于進(jìn)行機(jī)械支撐的豎直結(jié)構(gòu)。支 座是提供電接觸的一個(gè)豎直結(jié)構(gòu)。
[0022] 在所描述的實(shí)施例中，MEMS器件內(nèi)在受力時(shí)進(jìn)行移動(dòng)的一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)可以稱為 板。雖然剛性板對(duì)于所描述的實(shí)施例是優(yōu)選的，但是半剛性板或可變形薄膜可以代替剛性 板。板可以包括硅、含硅材料（例如，多晶硅、氧化硅、氮化硅）、金屬以及用于半導(dǎo)體工藝中 的材料（例如，氮化鋁、鍺）。背板可以是包括至少一個(gè)電極的實(shí)心板或穿孔板。該電極可 以包括適于半導(dǎo)體工藝的導(dǎo)電材料（例如，多晶硅、硅、鋁、銅、鎳、鈦、鉻、金）。這些電極可 以在一個(gè)或多個(gè)表面上具有絕緣膜。
[0023] 圖1示出了響應(yīng)于Z方向上的線性加速度的一個(gè)加速計(jì)100的頂視圖和側(cè)視圖。 加速計(jì)100包括兩個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊PMl 102B和PM2 102A，這兩個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊通過(guò)在垂直于 基底106平面的逆相方向上進(jìn)行移動(dòng)而對(duì)Z方向上的線性加速度作出響應(yīng)。該逆相移動(dòng) 是受到這兩個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊PMl 102B和PM2 102A與基底106之間的柔性聯(lián)接器所約束的。 該柔性聯(lián)接器包括兩個(gè)分開(kāi)的錨桿Al IlOA和A2 110B、兩個(gè)中央扭轉(zhuǎn)彈簧B