用于mems設(shè)備的懸浮無源元件的制作方法
【專利摘要】一種以減少或消除應(yīng)變從基板至結(jié)構(gòu)，或者應(yīng)變至電極和主體的傳遞以使得變換器為耐應(yīng)變的傳遞方式，來機(jī)械錨定懸浮電極的MEMS結(jié)構(gòu)的技術(shù)將MEMS設(shè)備從應(yīng)變源解耦。該技術(shù)包括使用嵌入至傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)材料中的電絕緣材料以用于機(jī)械地耦合和電絕緣。一種裝置包括MEMS設(shè)備，該MEMS設(shè)備包括第一電極和第二電極以及從MEMS設(shè)備的基板懸浮的主體。主體和第一電極形成第一靜電變換器。主體和第二電極形成第二靜電變換器。所述裝置包括機(jī)械地耦合至主體并與主體電隔離的懸浮無源元件。
【專利說明】用于MEMS設(shè)備的懸淳無源元件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS)。
【背景技術(shù)】
[0002] 通常，微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS)為非常小的機(jī)械設(shè)備。典型MEMS設(shè)備包括可以被用 于不同應(yīng)用中的傳感器和驅(qū)動(dòng)器，例如，諧振器（例如，振蕩器）、溫度傳感器、壓力傳感器、 或慣性傳感器（例如，加速度或角速度傳感器）。機(jī)械設(shè)備通常具有某些形式的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的 能量并且使用類似于微電子產(chǎn)業(yè)中使用的那些制造技術(shù)（如使用光刻、沉積、和刻蝕過程） 以微尺度被形成。
[0003] 通常，MEMS變換器在不同形式之間轉(zhuǎn)換能量，例如，靜電和機(jī)械形式。MEMS變換器 可以被用作將運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能的傳感器（加速計(jì)、壓力傳感器等）和將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng) 的驅(qū)動(dòng)器（梳驅(qū)動(dòng)、微鏡設(shè)備、諧振器）。使用電容變換器的MEMS設(shè)備容易制造并且產(chǎn)生低 噪音和低工號(hào)傳感器和/或驅(qū)動(dòng)器。
[0004] 電容感應(yīng)是基于檢測電容器電容的改變的。如果在電容器兩端施加已知電壓（例 如MEMS設(shè)備電容器兩端施加固定的DC電勢差），響應(yīng)于電容器的一個(gè)板相對于電容器的 另一個(gè)板的運(yùn)動(dòng)，由于電容變化引起的電流改變將呈現(xiàn)。類似地，電容驅(qū)動(dòng)是基于MEMS電 容變換器的兩個(gè)板之間的靜電力變化的。例如，DC工作點(diǎn)可以通過將DC偏置電壓施加至 電容器兩端并施加引起該電容器的板上力的改變的AC電壓而被建立。MEMS設(shè)備的變換器 是基于生成靜電力的變換間隙兩端的電壓的，或相反地，變換基于由于在變換器輸出端生 成電荷變化的位移而引起的間隙變化。變換間隙可以根據(jù)環(huán)境因素（例如，溫度、應(yīng)變和老 化）而變化，因而關(guān)于時(shí)間改變電容。這些相同環(huán)境因素還可以影響與MEMS設(shè)備相關(guān)聯(lián)的 彈簧系數(shù)（即，彈簧剛度），其典型地被塑造為質(zhì)量-彈簧-阻尼器系統(tǒng)。通常，電極電容的 改變通過靜電牽引（pulling)影響等效彈簧剛度，該等效彈簧剛度影響MEMS設(shè)備的諧振頻 率。以需要高精度應(yīng)用（例如，具有需要在+/_百萬分之（ppm) 10的諧振頻率規(guī)格的諧振 器）為目標(biāo)的MEMS設(shè)備由于環(huán)境因素對諧振頻率的影響可不以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)規(guī)格。
[0005] MEMS設(shè)備可以被配置為在定時(shí)設(shè)備中使用的諧振器。該諧振器可以具有各種物理 形狀，例如，梁或板。MEMS設(shè)備可以具有通過錨附著至基板從該基板懸浮的部分（例如，懸 浮質(zhì)量（mass)、體、或諧振器）。示例性懸浮質(zhì)量可以為以下特征但不限于此：梁、板、懸臂、 或音叉。在特定實(shí)施方式中，MEMS設(shè)備包括兩側(cè)有一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)電極和一個(gè)或多個(gè)感應(yīng) 電極的諧振特征（例如，懸浮質(zhì)量）。
[0006] 參考圖1，傳統(tǒng)MEMS設(shè)備（例如，MEMS設(shè)備100)包括經(jīng)由錨104耦合至基板102 的諧振器105。在運(yùn)行期間，電極110靜電驅(qū)動(dòng)諧振器105動(dòng)態(tài)地偏轉(zhuǎn)，當(dāng)通過減小諧振器 105和電極110之間的間隙而在諧振器105和電極110之間存在壓差時(shí)，這增加了諧振器 105和電極110之間的電容。由于電極110和諧振器105具有相同的高度和厚度，并且位于 相同平面上，當(dāng)被驅(qū)動(dòng)時(shí)，諧振器105在電極110和第二電極111之間的距離上橫向變形， 艮P，平行于基板的平面。電極110基本與基板102平行。隨著諧振器105和電極111之間的 電容響應(yīng)于由電極110驅(qū)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)而變化時(shí)，電極111檢測諧振器105的諧振頻率。MEMS 設(shè)備100通常被稱為"面內(nèi)"或"橫向"模式諧振器，因?yàn)橹C振器105被驅(qū)動(dòng)以以下模式諧 振：諧振器105橫向移動(dòng)（在方向109上）并與電極110保持垂直對齊。
[0007] 參考圖2,在示例性MEMS應(yīng)用中，在振蕩器配置中MEMS設(shè)備100被耦合至放大器 210。感應(yīng)電極220基于來自MEMS設(shè)備100的震動(dòng)諧振器的能量傳遞來提供信號(hào)，因而將 機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。通常，在電路不同點(diǎn)處引入的偏置信號(hào)確定了電路的工作點(diǎn)并且可以 被預(yù)定，增加至AC信號(hào)的固定DC電壓或電流。MEMS設(shè)備100的諧振器接收DC偏置電壓， Vmass，該偏置電壓通過精密電壓參考或偏壓發(fā)生器206的電壓調(diào)節(jié)器來生成。然而，在其它 實(shí)施方式中，偏置信號(hào)可以在電極或振蕩電路的其它節(jié)點(diǎn)處被引入。大反饋電阻器（RF)在 工作的線性區(qū)域中偏置放大器210,因而使得放大器210工作為高增益反向放大器。MEMS 諧振器通過將放大器210的輸出反饋至MEMS設(shè)備100的驅(qū)動(dòng)電極來支持MEMS設(shè)備100的 振動(dòng)。放大器210從感應(yīng)電極202接收小信號(hào)電壓并在驅(qū)動(dòng)電極204上生成使得MEMS設(shè) 備100的諧振器繼續(xù)振蕩的電壓。結(jié)合電容C 1和C2的MEMS設(shè)備100形成π型網(wǎng)絡(luò)帶通 濾波器，該濾波器在MEMS設(shè)備100的諧振頻率處提供從驅(qū)動(dòng)電極204至感應(yīng)電極的180度 相移和電壓增益。
[0008] 根據(jù)某些MEMS應(yīng)用（例如，低功率時(shí)鐘源），可能需要低功率、高Q(即，品質(zhì)因 數(shù)）、穩(wěn)態(tài)、和精確的振蕩器。然而，功率、精度和穩(wěn)定性規(guī)格可能難以使用圖1的傳統(tǒng)MEMS 設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。因此。例如降低或消除影響MEMS設(shè)備輸出頻率的精度和穩(wěn)定性的因素的MEMS 設(shè)備的改進(jìn)的MEMS設(shè)備都是需要的。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009] -種技術(shù)通過形成具有懸浮電極的MEMS結(jié)構(gòu)來將微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS)設(shè)備從 應(yīng)變源解耦，所述懸浮電極以一模式機(jī)械地錨定，該模式降低或消除從基板至所述結(jié)構(gòu)中 的應(yīng)變傳遞或?qū)?yīng)變傳遞至電極和主體以使得變換器為耐應(yīng)變的。所述技術(shù)包括使用嵌入 至導(dǎo)電結(jié)構(gòu)材料中的電氣絕緣材料以用于機(jī)械地耦合和電隔離。
[0010] 在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方式中，一種裝置包括MEMS設(shè)備，該MEMS設(shè)備包括第一 電極和第二電極，以及第一電極和第二電極及從MEMS設(shè)備的基板懸浮的主體。主體和第一 電極形成第一靜電變換器。主體和第二電極形成第二靜電變換器。所述裝置包括機(jī)械地耦 合至主體并與主體電隔離的懸浮無源元件。懸浮無源元件可以為懸浮電阻器，該懸浮電阻 器包括附著至電絕緣材料部分的蛇紋結(jié)構(gòu)材料。所述裝置可以包括電路，該電路包括懸浮 電阻器并被配置成檢測MEMS設(shè)備的溫度變化。所述裝置可以包括電路，該電路包括懸浮電 阻器并被配置成調(diào)節(jié)MEMS設(shè)備的溫度。懸浮無源元件可以電耦合至主體的中心梁。懸浮 無源元件可以為機(jī)械地耦合至主體并與該主體電隔離的懸浮感應(yīng)器。懸浮感應(yīng)器可以包括 附著至電絕緣材料部分的平面螺旋結(jié)構(gòu)材料部分。
[0011] 在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方式中，制造一種裝置的方法，包括形成MEMS設(shè)備，該 MEMS設(shè)備包括第一電極和第二電極及從MEMS設(shè)備的基板懸浮的主體。主體和第一電極形 成第一靜電變換器。主體和第二電極形成第二靜電變換器。該制造方法包括形成機(jī)械地耦 合至主體并與主體電隔離的懸浮無源元件。懸浮無源元件可以為懸浮電阻器，該懸浮電阻 器包括附著至電絕緣材料部分的蛇形結(jié)構(gòu)材料部分。形成MEMS設(shè)備可以包括形成嵌入至 結(jié)構(gòu)層的電絕緣體材料。形成懸浮無源元件可以包括釋放結(jié)構(gòu)層。該方法可以包括形成電 路部分，該電路部分被配置成使用懸浮無源元件檢測MEMS設(shè)備的溫度變化。所述方法包括 形成電路部分，該電路部分被配置成使用懸浮無源元件調(diào)節(jié)MEMS設(shè)備的溫度。懸浮無源元 件可以為懸浮感應(yīng)器，該感應(yīng)器機(jī)械地耦合至主體并與該主體電隔離。懸浮無源元件可以 機(jī)械地耦合至主體的中心梁。懸浮無源元件可以由具有低電阻率的結(jié)構(gòu)材料形成。懸浮感 應(yīng)器可以包括附著至電絕緣材料部分的平面螺旋結(jié)構(gòu)材料部分。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012] 通過參考附圖本發(fā)明可以更好的被理解，并且其多個(gè)目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)被呈現(xiàn)給 本領(lǐng)域技術(shù)人員。
[0013] 圖1不出包括面內(nèi)諧振器的傳統(tǒng)MEMS設(shè)備；
[0014] 圖2示出被配置為振蕩器的MEMS設(shè)備的電路圖；
[0015] 圖3示出根據(jù)本發(fā)明的至少一種實(shí)施方式在釋放結(jié)構(gòu)層來形成懸浮部分之前 MEMS結(jié)構(gòu)的示例性橫截面圖；
[0016] 圖4A示出塑造典型MEMS變換器的圖示；
[0017] 圖4B示出根據(jù)本發(fā)明至少一種實(shí)施方式的塑造具有懸浮電極和懸浮諧振器的 MEMS變換器；
[0018] 圖4C示出根據(jù)本發(fā)明至少一種實(shí)施方式塑造具有懸浮電極和在耦合的電極配置 中的懸浮諧振器的MEMS變換器；
[0019] 圖5示出根據(jù)本發(fā)明至少一種實(shí)施方式的具有懸浮電極和在耦合的電極配置中 的懸浮諧振器的MEMS變換器的平面圖；
[0020] 圖6A-6D不出根據(jù)本發(fā)明至少一種實(shí)施方式的具有懸浮電極和在f禹合的電極配 置中的懸浮諧振器的圖5的MEMS變換器的各種特征；
[0021] 圖6E示出在根據(jù)本發(fā)明至少一種實(shí)施方式的具有懸浮電極和在耦合的電極配置 中的懸浮諧振器的圖5的MEMS變換器應(yīng)力消除后的靜態(tài)偏轉(zhuǎn)；
[0022] 圖7A示出不具有懸浮電極的動(dòng)態(tài)振型的高頻MEMS變換器；
[0023] 圖7B示出不具有圖7A的懸浮電極的高頻MEMS變換器的平面圖；
[0024] 圖8A和8B示出根據(jù)本發(fā)明至少一種實(shí)施方式的具有懸浮電極的高頻MEMS變換 器的平面圖；
[0025] 圖9示出根據(jù)本發(fā)明至少一種實(shí)施方式的被耦合的電極設(shè)備；
[0026] 圖IOA和IOB示出根據(jù)本發(fā)明至少一種實(shí)施方式的懸浮電阻器設(shè)備；
[0027] 圖IOC示出根據(jù)本發(fā)明至少一種實(shí)施方式的具有側(cè)電極的電阻器設(shè)備和MEMS變 換器；
[0028] 圖11示出根據(jù)本發(fā)明至少一種實(shí)施方式的包括被配置成集成加熱器的懸浮無源 元件的電路；
[0029] 圖12示出根據(jù)本發(fā)明至少一種實(shí)施方式的包括懸浮無源元件和溫度感應(yīng)電路的 電路；
[0030] 圖13示出根據(jù)本發(fā)明至少一種實(shí)施方式的懸浮螺旋感應(yīng)器。
[0031] 不同附圖中相同參考符號(hào)的使用表示類似或相同項(xiàng)。 【具體實(shí)施方式】
【權(quán)利要求】
1. 一種裝置，該裝置包括： 微電子機(jī)械系統(tǒng)MEMS設(shè)備，該MEMS設(shè)備包括： 第一電極和第二電極；及 從所述MEMS設(shè)備的基板懸浮的主體，該主體和所述第一電極形成第一靜電變換器，并 且所述主體和所述第二電極形成第二靜電變換器；以及 懸浮無源元件，機(jī)械地耦合至所述主體并與所述主體電隔離。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述懸浮無源元件為懸浮電阻器，該懸浮電阻器 包括附著至電絕緣材料部分的蛇形結(jié)構(gòu)材料部分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置還包括： 包括所述懸浮電阻器的電路，該電路被配置成檢測所述MEMS設(shè)備的溫度變化。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，該裝置還包括： 包括懸浮電阻器的電路，該電路被配置成調(diào)節(jié)所述MEMS設(shè)備的溫度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述懸浮無源元件被機(jī)械地耦合至所述主體的中 心梁。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述懸浮無源元件為懸浮感應(yīng)器，該懸浮感應(yīng)器 機(jī)械地耦合至所述主體并與所述主體電隔離。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述懸浮感應(yīng)器包括附著至電絕緣材料部分的平 面螺旋結(jié)構(gòu)材料部分。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，該裝置還包括： 溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，電氣地且機(jī)械地耦合至所述主體，其中所述溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)包括： 從所述基板懸浮的第一梁，該第一梁由具有第一楊氏模量溫度系數(shù)的第一材料形成； 從所述基板懸浮的第二梁，該第二梁由具有第二楊氏模量溫度系數(shù)的第二材料形成； 從所述基板懸浮的路由彈簧，該路由彈簧被耦合至所述第一梁和所述第二梁，所述路 由彈簧由所述第二材料形成并本質(zhì)上具有的柔度比所述第一梁的柔度或所述第二梁的柔 度大。
9. 一種制造裝置的方法，該方法包括： 形成微電子機(jī)械系統(tǒng)MEMS設(shè)備，該微電子機(jī)械系統(tǒng)設(shè)備包括： 第一電極和第二電極；及 從所述MEMS設(shè)備的基板懸浮的主體，該主體和所述第一電極形成第一靜電變換器，并 且所述主體和所述第二電極形成第二靜電變換器；以及 形成懸浮無源元件，該懸浮無源元件機(jī)械地耦合至所述主體并與所述主體電隔離。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述懸浮無源元件為懸浮電阻器，該懸浮電阻器 包括附著至電絕緣材料部分的蛇形結(jié)構(gòu)材料部分。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法， 其中形成所述MEMS設(shè)備包括使用所述基板形成結(jié)構(gòu)層；以及 其中形成所述懸浮無源元件包括形成嵌入至所述結(jié)構(gòu)層中的電絕緣體材料。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的制造裝置的方法，其中形成所述懸浮無源元件包括釋放所 述結(jié)構(gòu)層。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，該方法還包括： 形成電路部分，該電路部分被配置成使用所述懸浮無源元件檢測所述MEMS設(shè)備的溫 度變化。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，該方法還包括： 形成電路部分，該電路部分被配置成使用所述懸浮無源元件調(diào)節(jié)所述MEMS設(shè)備的溫 度。
15. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述懸浮無源元件為懸浮感應(yīng)器，該懸浮感應(yīng)器 被機(jī)械地耦合至所述主體并與所述主體電隔離。
16. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述懸浮無源元件被機(jī)械地耦合至所述主體的 中心梁。
17. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述懸浮無源元件由具有低電阻率的結(jié)構(gòu)元件 形成。
18. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述懸浮感應(yīng)器包括附著至電絕緣材料部分的 平面螺旋結(jié)構(gòu)材料部分。
19. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中形成所述MEMS設(shè)備還包括： 形成溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，該溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)電氣地且機(jī)械地耦合至所述主體，其中所述溫度 補(bǔ)償結(jié)構(gòu)包括： 從所述基板懸浮的第一梁，該第一梁由具有第一楊氏模量溫度系數(shù)的第一材料形成； 從所述基板懸浮的第二梁，該第二梁由具有第二楊氏模量溫度系數(shù)的第二材料形成； 從所述基板懸浮的路由彈簧，該路由彈簧被耦合至所述第一梁和所述第二梁，所述路 由彈簧由所述第二材料形成并本質(zhì)上具有的柔度比所述第一梁的柔度或所述第二梁的柔 度大。
【文檔編號(hào)】B81B7/02GK104229721SQ201410247128
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月5日
【發(fā)明者】艾曼紐爾·P·奎芙, 丹尼爾·N·小庫瑞 申請人:硅谷實(shí)驗(yàn)室公司