專利名稱：彈性梁及包括其的mems傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于MEMS傳感器的彈性梁，以及設(shè)有這種彈性梁的MEMS傳感器。
背景技術(shù)：
目前,業(yè)界在MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)器件中使用的機(jī)械彈性梁包括很多類型，其通常是由一系列的梁彎曲部分(beam flexures)構(gòu)成，具體形狀包括簡單的懸臂式、折疊式、蛇狀，以及U形彎曲部分等。具體的彈性梁的選擇，一般取決于用戶對于坐標(biāo)系中一個或多個方向上的剛性要求和其它方向上的柔性要求，以及與制造過程中的幾何約束的配合。其中最為重要的要求是在盡可能小的芯片面積上獲得具有理想機(jī)械性能的質(zhì)量塊和彈性梁，以求降低器件成 本。在這種情況下，業(yè)界目前遇到的一個涉及彈性梁細(xì)節(jié)的普遍問題是，MEMS中可動結(jié)構(gòu)的粘連(sticktion)和閉鎖(latching)現(xiàn)象。尤其成問題的是在濕法制程(wetprocess)中使用釋放的可動結(jié)構(gòu)。在一種粘連的例子中，由于濕法制程中的液體蒸發(fā)，當(dāng)相鄰結(jié)構(gòu)之間的液體由于蒸發(fā)而體積減少時，相鄰結(jié)構(gòu)之間的毛細(xì)力使它們相互合在一起，這往往使得它們的可動面彼此黏附，從而導(dǎo)致粘連現(xiàn)象。即使可動結(jié)構(gòu)在濕法制程結(jié)束后沒有出現(xiàn)粘連，殘留在表面的物質(zhì)和其他現(xiàn)象也可以在慣性力促使它們碰撞時，使相對面稍后黏附在一起，這被稱為操作過程中的閉鎖。當(dāng)可動結(jié)構(gòu)存在兩個大且連續(xù)的相對面時，發(fā)生粘連或閉鎖的概率將增加。自從所連接的電容感應(yīng)梁可由許多較小的面積的梳齒結(jié)構(gòu)組成，這樣大且連續(xù)的相對面經(jīng)常存在于MEMS的彈性梁中。小突起可以成為梁表面的一部分以便只允許存在有限數(shù)量的接觸點(diǎn)，但這種技術(shù)的效力有限，尤其是在面對濕法制程中出現(xiàn)的粘連現(xiàn)象時。如圖I所示，其顯示了一個業(yè)界現(xiàn)有使用的MEMS折疊式U形彈性梁I，其具有錨點(diǎn)2、由質(zhì)量塊3施加的力和梁的彎曲部分4。梁的彎曲部分4之間的間隙5為濕法制程中液體流動的地方，同時也是隨后液體蒸發(fā)后容易引發(fā)粘連之處。因此，確有必要提供一種新型的彈性梁設(shè)計(jì)來克服現(xiàn)有MEMS傳感器中所使用的彈性梁結(jié)構(gòu)的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，現(xiàn)有用于MEMS傳感器的彈性梁在濕法制程中容易出現(xiàn)粘連或閉鎖的現(xiàn)象。本發(fā)明旨在提供一種用于MEMS傳感器的彈性梁，其采用的結(jié)構(gòu)可以有效地減少梁彎曲部分的長度，減少相對面的面積，同時還能降低粘連及閉鎖發(fā)生的可能性，并且可以保持幾乎相同的彈性梁常數(shù)而無需增加指定的芯片面積或者改變指定的芯片形狀。本發(fā)明還提供一種包含新型彈性梁的MEMS傳感器，其具有理想的機(jī)械性能和較低的成本。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所提出的技術(shù)方案是一種用于MEMS傳感器的彈性梁，其包括錨點(diǎn)、質(zhì)量塊施加的力和梁彎曲部分，所述彈性梁還包括至少一個樞軸元件，其設(shè)置在錨點(diǎn)和質(zhì)量塊施加的力所界定的端部之間，所述樞軸元件連接梁彎曲部分。樞軸元件(Pivoting element)的設(shè)置,不僅打破了通常的對稱性限制,并且使得彈性梁能在由錨點(diǎn)和質(zhì)量塊施加的力所界定的端部之間實(shí)現(xiàn)緩沖。樞軸元件的凈效應(yīng)是獲得了幾乎相同的彈性系數(shù)；而且雖然使用相同的芯片面積，但只使用具有一半長度的彎曲部分，因此，濕法制程中的毛細(xì)力只在一半面積的相對面上產(chǎn)生，從而降低了粘連或閉鎖發(fā)生的可能性。進(jìn)一步的，在不同實(shí)施方式中，其中彈性梁包括兩個以上數(shù)量的樞軸元件。進(jìn)一步的，在不同實(shí)施方式中，其中兩個以上數(shù)量的樞軸元件沿梁彎曲部分的縱 長方向排列。進(jìn)一步的，在不同實(shí)施方式中，其中兩個以上數(shù)量的樞軸元件沿梁彎曲部分的橫向方向排列。進(jìn)一步的，在不同實(shí)施方式中，其中兩個以上數(shù)量的樞軸元件呈多排矩陣式排列。進(jìn)一步的，在不同實(shí)施方式中，其中樞軸元件兩側(cè)的梁彎曲部分具有相同長度。進(jìn)一步的，在不同實(shí)施方式中，其中樞軸元件兩側(cè)的梁彎曲部分相對樞軸元件呈旋轉(zhuǎn)對稱分布。進(jìn)一步的，在不同實(shí)施方式中，其中梁彎曲部分之間設(shè)置間隙。進(jìn)一步的，本發(fā)明的又一個方面，還提供了一種MEMS傳感器，其包括本發(fā)明涉及的彈性梁。 進(jìn)一步的，在不同實(shí)施方式中，其中MEMS傳感器進(jìn)一步包括與所述彈性梁連接的支撐架、與所述支撐架連接的電容移動極板，和與所述電容移動極板配合形成差分電容的差動電容感應(yīng)極板。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明涉及的彈性梁設(shè)計(jì)，有效地減少了梁彎曲部分的長度，減少相對面的面積，同時還降低粘連發(fā)生的可能性。此外，本發(fā)明涉及的彈性梁設(shè)計(jì)在保持幾乎相同的彈性常數(shù)的基礎(chǔ)上，還無需增加或者改變指定的芯片面積的形狀。本發(fā)明涉及的包含新型彈性梁的MEMS傳感器，其具有理想的機(jī)械性能和較低的成本。


圖I為現(xiàn)有技術(shù)涉及的MEMS折疊式U形彈性梁的俯視圖；圖2為本發(fā)明涉及的彈性梁的一個實(shí)施例的俯視圖；圖3為本發(fā)明涉及的彈性梁的又一個實(shí)施例的俯視圖；圖4為多個折疊彈性梁的幾何有限元(FEM)分析圖，其中包括本發(fā)明涉及的彈性梁；圖5為本發(fā)明涉及的加速度傳感器的一個實(shí)施例的俯視圖；和圖6為本發(fā)明涉及的加速度傳感器的又一個實(shí)施例的俯視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。本發(fā)明涉及的一種彈性梁設(shè)計(jì)，其可以有效地減少梁彎曲部分的長度，減少相對面的面積，同時還能降低粘連和閉鎖發(fā)生的可能性，并且保持幾乎相同的彈性梁常數(shù)而無需增加指定的芯片面積或者改變指定的芯片形狀。例如，在折疊彈性梁中，彎曲長度I的減小通常需要折疊梁數(shù)量的增加，以保持相同的彈性梁常數(shù)，如梁的彈性系數(shù)方程k = Ehw3/413所示，其中E為材料的楊氏模量，h是彎曲部分的高度，w是彎曲部分的寬度，而I是彎曲部分的長度。以下將結(jié)合具體實(shí)施例對此原理進(jìn)行進(jìn)一步的說明。如圖2所示，本發(fā)明涉及的一種彈性梁11，其包括有錨點(diǎn)12，質(zhì)量塊施加的力13，相對短的梁彎曲部分14，彈性梁彎曲部分之間的間隙15，以及樞軸元件16。樞軸元件16設(shè) 置在錨點(diǎn)12和質(zhì)量塊施加的力13所界定的端部之間，且樞軸元件16連接梁彎曲部分14。根據(jù)以上揭示的彈性系數(shù)方程，本發(fā)明通過在半長的折疊彎曲部分14之間插入樞軸元件16來減少折疊彈性梁的長度。同時樞軸元件16打破了通常的對稱性限制，并且使得彈性梁在錨點(diǎn)12和施加的力13所界定的端部之間存在緩沖。這種放寬限制的凈效是獲得了幾乎相同的彈性系數(shù)，雖然使用相同的晶圓面積，但只使用具有一半長度的彎曲部分14，因此濕法制程中的毛細(xì)力只在一半面積的相對面上產(chǎn)生。這種設(shè)置在彈性梁中間的樞軸元件的原理，可延伸到將一般彈性梁的長度減至二分之一、三分之一甚至四分之一等等，其中如圖3所示的實(shí)施例中的彈性梁11，其為將正常彈性梁長度減至三分之一。進(jìn)一步的，本發(fā)明涉及的彈性梁，其所包括的樞軸元件的數(shù)量是沒有限制的，具體可以根據(jù)需要設(shè)置多個樞軸元件。例如，在一個實(shí)施例中，請參閱圖3所示，一種彈性梁21，其包括有錨點(diǎn)22，施加的力23，相對短的梁彎曲部分24，彈性梁彎曲部分之間的間隙25，以及多個樞軸元件26。進(jìn)一步的，對于彈性梁中的兩個以上數(shù)量的樞軸元件之間的排布方式，可根據(jù)實(shí)際需要而定，也并無限制。例如，這些樞軸元件之間可以是單排沿梁彎曲部分的縱長方向排列，也可以是單排沿梁彎曲部分的橫向方向排列，或是呈多排矩陣式排列等等。進(jìn)一步的，樞軸元件兩側(cè)的梁彎曲部分相對樞軸元件呈旋轉(zhuǎn)對稱分布。本發(fā)明涉及的彈性梁的良好效果，還可以從多種不同折疊彈性梁的對比中獲知。請參閱圖4所示，其圖示了多種折疊彈性梁30、31、32、33幾何有限元(FEM)分析，其中折疊彈性梁31為本發(fā)明涉及的彈性梁。從圖示的各種折疊彈性梁的幾何有限元(FEM)分析得知，圖4中所示的所有彈性梁具有相同的彈性常數(shù)。其中彈性梁30是一個簡單的折疊式彈性梁，其具有與給定效率的MEMS芯片布圖一致的寬度。而本發(fā)明涉及的彈性梁31具有獨(dú)特的彎曲部分，該彎曲部分的長度是彈性梁30的一半，卻具有與彈性梁30相同的芯片面積和波形系數(shù)。折疊式彈性梁32含有長度為彈性梁30 —半的彎曲部分，但其需要更多的折疊，約4倍的芯片面積，并具有更低效率的波形系數(shù)。雙折疊的彈性梁33具有完全對稱的彎曲部分，該彎曲部分的長度是彈性梁30的一半，但是彎曲部分之間的半個間隙34和寬闊的表面具有與彈性梁30相同的相對面積，并將在表面之間產(chǎn)生近似的毛細(xì)力。此外，雙折疊的彈性梁33需要更多折疊，并需要約12倍的芯片面積。進(jìn)一步的，本發(fā)明還涉及一種設(shè)有本發(fā)明涉及的彈性梁的MEMS傳感器，其進(jìn)一步包括與彈性梁連接的支撐架、與所述支撐架連接的電容移動極板，和與所述電容移動極板配合形成差分電容的差動電容感應(yīng)極板。請參閱圖5所示，其中一個實(shí)施例，一種MEMS傳感器40，其包括本發(fā)明涉及的彈性梁42、外圍的支撐架43、電容移動極板44和差動電容感應(yīng)極板45，46，其中質(zhì)量塊錨點(diǎn)(proofmass anchors)41 位于中央位置。請參閱圖6所示,另一個實(shí)施例,一種MEMS傳感器50,其包括本發(fā)明涉及的彈性梁52、位于中央的支撐架53，電容移動極板54，和差動電容感應(yīng)極板55和56，其中質(zhì)量塊錨點(diǎn)51位于外圍。本發(fā)明涉及的彈性梁設(shè)計(jì)，有效地使梁的彎曲部分的長度減半，減少相對面的面 積，還降低粘連和閉鎖發(fā)生的可能性。此外，本發(fā)明涉及的彈性梁的設(shè)計(jì)保持了幾乎相同的彈性常數(shù)，而無需增加指定的芯片面積或者改變指定的芯片形狀。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以上述實(shí)施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于MEMS傳感器的彈性梁，其包括錨點(diǎn)、質(zhì)量塊施加的力和梁彎曲部分，其特征在于所述彈性梁還包括至少一個樞軸元件，其設(shè)置在錨點(diǎn)和質(zhì)量塊施加的力所界定的端部之間,所述樞軸元件連接梁彎曲部分。
2.如權(quán)利要求I所述的彈性梁，其特征在于其包括兩個以上數(shù)量的樞軸元件。
3.如權(quán)利要求2所述的彈性梁，其特征在于所述兩個以上數(shù)量的樞軸元件沿梁彎曲部分的縱長方向排列。
4.如權(quán)利要求2所述的彈性梁，其特征在于所述兩個以上數(shù)量的樞軸元件沿梁彎曲部分的橫向方向排列。
5.如權(quán)利要求2所述的彈性梁，其特征在于所述兩個以上數(shù)量的樞軸元件呈多排矩陣式排列。
6.如權(quán)利要求I所述的彈性梁，其特征在于所述樞軸元件兩側(cè)的梁彎曲部分具有相同長度。
7.如權(quán)利要求I所述的彈性梁，其特征在于所述樞軸元件兩側(cè)的梁彎曲部分相對樞軸元件呈旋轉(zhuǎn)對稱分布。
8.如權(quán)利要求I所述的彈性梁，其特征在于所述梁彎曲部分之間設(shè)置間隙。
9.一種MEMS傳感器,其特征在于其包括如權(quán)利要求I 8中任意一項(xiàng)所述的用于MEMS傳感器的彈性梁。
10.如權(quán)利要求9所述的MEMS傳感器，其特征在于其進(jìn)一步包括與所述彈性梁連接的支撐架、與所述支撐架連接的電容移動極板，和與所述電容移動極板配合形成差分電容的差動電容感應(yīng)極板。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于MEMS傳感器的彈性梁和包括其的MEMS傳感器，其中彈性梁包括錨點(diǎn)、質(zhì)量塊施加的力、梁彎曲部分以及設(shè)置在錨點(diǎn)和質(zhì)量塊施加的力所界定的端部之間的樞軸元件，所述樞軸元件連接梁彎曲部分。本發(fā)明涉及的彈性梁，有效地減少了梁彎曲部分的長度，減少相對面的面積，同時還降低粘連和閉鎖發(fā)生的可能性。此外，本發(fā)明涉及的彈性梁在保持了幾乎相同的彈性常數(shù)的基礎(chǔ)上，還無需增加指定的芯片面積或者改變指定的芯片形狀。本發(fā)明涉及的包含新型彈性梁的MEMS傳感器，其具有理想的機(jī)械性能和較低的成本。
文檔編號B81B3/00GK102826499SQ20111016149
公開日2012年12月19日 申請日期2011年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月15日
發(fā)明者王林, 艾瑞克·霍伊納茨基, 蔡永耀, 蔣樂躍 申請人:美新半導(dǎo)體(無錫)有限公司