專利名稱：彈性梁及包括其的mems傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于MEMS傳感器的彈性梁，以及設有這種彈性梁的MEMS傳感器。
背景技術：
目前，業(yè)界在MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)器件中使用的機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械性能的質量塊和彈性梁，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節(jié)的普遍問題是，MEMS中可動結構的粘連(sticktion)和閉鎖(latching)現(xiàn)象。尤其成問題的是在濕法制程(wet process)中使用釋放的可動結構。在一種粘連的例子中，由于濕法制程中的液體蒸發(fā)，當相鄰結構之間的液體由于蒸發(fā)而體積減少時，相鄰結構之間的毛細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，從而導致粘連現(xiàn)象。即使可動結構在濕法制程結束后沒有出現(xiàn)粘連，殘留在表面的物質和其他現(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。當可動結構存在兩個大且連續(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梁可由許多較小的面積的梳齒結構組成，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，但這種技術的效力有限，尤其是在面對濕法制程中出現(xiàn)的粘連現(xiàn)象時。如圖1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1，其具有錨點 2、由質量塊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計來克服現(xiàn)有MEMS傳感器中所使用的彈性梁結構的缺陷。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是，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。本實用新型旨在提供一種用于MEMS傳感器的彈性梁，其采用的結構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。[0010]本實用新型還提供一種包含新型彈性梁的MEMS傳感器，其具有理想的機械性能和較低的成本。為了解決上述技術問題，本實用新型所提出的技術方案是一種用于MEMS傳感器的彈性梁，其包括錨點、質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，其設置在錨點和質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和質量塊施加的力所界定的端部之間實現(xiàn)緩沖。樞軸元件的凈效應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。進一步的，在不同實施方式中，其中彈性梁包括兩個以上數(shù)量的樞軸元件。進一步的，在不同實施方式中，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。進一步的，在不同實施方式中，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。進一步的，在不同實施方式中，其中兩個以上數(shù)量的樞軸元件呈多排矩陣式排列。進一步的，在不同實施方式中，其中樞軸元件兩側的梁彎曲部分具有相同長度。進一步的，在不同實施方式中，其中樞軸元件兩側的梁彎曲部分相對樞軸元件呈旋轉對稱分布。進一步的，在不同實施方式中，其中梁彎曲部分之間設置間隙。進一步的，本實用新型的又一個方面，還提供了一種MEMS傳感器，其包括本實用新型涉及的彈性梁。 進一步的，在不同實施方式中，其中MEMS傳感器進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極板。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果是本實用新型涉及的彈性梁設計，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，本實用新型涉及的彈性梁設計在保持幾乎相同的彈性常數(shù)的基礎上，還無需增加或者改變指定的芯片面積的形狀。本實用新型涉及的包含新型彈性梁的MEMS傳感器，其具有理想的機械性能和較低的成本。

圖1為現(xiàn)有技術涉及的MEMS折疊式U形彈性梁的俯視圖；圖2為本實用新型涉及的彈性梁的一個實施例的俯視圖；圖3為本實用新型涉及的彈性梁的又一個實施例的俯視圖；圖4為多個折疊彈性梁的幾何有限元(FEM)分析圖，其中包括本實用新型涉及的彈性梁；圖5為本實用新型涉及的加速度傳感器的一個實施例的俯視圖；和圖6為本實用新型涉及的加速度傳感器的又一個實施例的俯視圖。
具體實施方式

以下結合附圖詳細說明本實用新型的具體實施方式
。本實用新型涉及的一種彈性梁設計，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1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 = Et!W7413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1是彎曲部分的長度。以下將結合具體實施例對此原理進行進一步的說明。如圖2所示，本實用新型涉及的一種彈性梁11，其包括有錨點12，質量塊施加的力 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設置在錨點12和質量塊施加的力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，本實用新型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力只在一半面積的相對面上產(chǎn)生。這種設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。進一步的，本實用新型涉及的彈性梁，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)需要設置多個樞軸元件。例如，在一個實施例中，請參閱圖3所示，一種彈性梁21，其包括有錨點22，施加的力23，相對短的梁彎曲部分M，彈性梁彎曲部分之間的間隙 25，以及多個樞軸元件沈。進一步的，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。進一步的， 樞軸元件兩側的梁彎曲部分相對樞軸元件呈旋轉對稱分布。本實用新型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為本實用新型涉及的彈性梁。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。而本實用新型涉及的彈性梁31具有獨特的彎曲部分，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。進一步的，本實用新型還涉及一種設有本實用新型涉及的彈性梁的MEMS傳感器， 其進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極板。請參閱圖5所示，其中一個實施例，一種MEMS傳感器40，其包括本實用新型涉及的彈性梁42、外圍的支撐架43、電容移動極板44和差動電容感應極板45，46，其中質量塊錨點 (proof mass anchors)41 位于中央位置。請參閱圖6所示，另一個實施例，一種MEMS傳感器50，其包括本實用新型涉及的彈性梁52、位于中央的支撐架53，電容移動極板M，和差動電容感應極板55和56，其中質量塊錨點51位于外圍。本實用新型涉及的彈性梁設計，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，本實用新型涉及的彈性梁的設計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。以上所述僅為本實用新型的較佳實施方式，本實用新型的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據(jù)本實用新型揭示內容所作的等效修飾或變化， 皆應納入權利要求書中記載的保護范圍內。
權利要求1.一種用于MEMS傳感器的彈性梁，其包括錨點、質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，其設置在錨點和質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.如權利要求1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.如權利要求1所述的彈性梁，其特征在于所述樞軸元件兩側的梁彎曲部分具有相同長度。
7.如權利要求1所述的彈性梁，其特征在于所述樞軸元件兩側的梁彎曲部分相對樞軸元件呈旋轉對稱分布。
8.如權利要求1所述的彈性梁，其特征在于所述梁彎曲部分之間設置間隙。
9.一種MEMS傳感器，其特征在于其包括如權利要求1 8中任意一項所述的用于 MEMS傳感器的彈性梁。
10.如權利要求9所述的MEMS傳感器，其特征在于其進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極板。
專利摘要本實用新型涉及一種用于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、質量塊施加的力、梁彎曲部分以及設置在錨點和質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。本實用新型涉及的彈性梁，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，本實用新型涉及的彈性梁在保持了幾乎相同的彈性常數(shù)的基礎上，還無需增加指定的芯片面積或者改變指定的芯片形狀。本實用新型涉及的包含新型彈性梁的MEMS傳感器，其具有理想的機械性能和較低的成本。
文檔編號B81B3/00GK202099044SQ201120202390
公開日2012年1月4日 申請日期2011年6月15日 優(yōu)先權日2011年6月15日
發(fā)明者王林, 艾瑞克·霍伊納茨基, 蔣樂躍, 蔡永耀 申請人:美新半導體(無錫)有限公司