本發(fā)明大體上涉及微機(jī)電(mems)傳感器裝置。更確切地說，本發(fā)明涉及具有集成多個(gè)刺激感測能力的mems傳感器裝置。

背景技術(shù)：

微機(jī)電系統(tǒng)(mems)裝置為具有嵌入式機(jī)械組件的半導(dǎo)體裝置。mems裝置包括(例如)壓力傳感器、加速度計(jì)、陀螺儀、麥克風(fēng)、數(shù)字鏡面顯示器、微射流裝置等。mems裝置用于多種產(chǎn)品中，例如汽車安全氣囊系統(tǒng)、汽車內(nèi)控制應(yīng)用程序、導(dǎo)航、顯示系統(tǒng)、噴墨盒等。

隨著mems傳感器裝置的使用繼續(xù)增加且多樣化，越來越強(qiáng)調(diào)高級(jí)硅mems傳感器裝置發(fā)展成能夠以增強(qiáng)了的敏感度感測不同的物理刺激，并且能夠?qū)⑦@些傳感器集成到同一微型化的封裝中。這些努力主要由汽車、醫(yī)學(xué)、商業(yè)和消費(fèi)品的現(xiàn)有和潛在大容量應(yīng)用驅(qū)動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種微機(jī)電系統(tǒng)(mems)傳感器裝置，包括：裝置結(jié)構(gòu)，其包括：襯底，其具有延伸穿過所述襯底的端口；可移動(dòng)元件，其被定位成在所述襯底的表面上方與所述襯底的所述表面間隔開，所述端口位于所述可移動(dòng)元件下面；與所述可移動(dòng)元件間隔開的第一傳感元件；以及跨越所述端口的第二傳感元件，其中所述端口將所述第二傳感元件暴露于來自外部環(huán)境的刺激。

附圖說明

附圖用來另外示出各種實(shí)施例并解釋根據(jù)本發(fā)明的所有各種原理和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中類似附圖標(biāo)記貫穿不同的視圖指代相同的或功能類似的元件，各圖不必按比例繪制，附圖與下文的詳細(xì)描述一起并入本說明書并且形成本說明書的部分。

圖1示出了根據(jù)實(shí)施例的具有集成多個(gè)刺激感測能力的微機(jī)電系統(tǒng)(mems)傳感器裝置的代表性截面?zhèn)纫晥D；

圖2示出了圖1的mems傳感器裝置的裝置結(jié)構(gòu)的俯視圖；

圖3示出了可在圖1的mems傳感器裝置內(nèi)實(shí)施的裝置結(jié)構(gòu)的俯視圖；

圖4示出了根據(jù)另一實(shí)施例的具有集成多個(gè)刺激感測能力的mems傳感器裝置的代表性截面?zhèn)纫晥D；

圖5示出了圖4的mems傳感器裝置的裝置結(jié)構(gòu)的俯視圖；

圖6示出了可在圖4的mems傳感器裝置內(nèi)實(shí)施的裝置結(jié)構(gòu)的俯視圖；

圖7示出了根據(jù)另一實(shí)施例的具有集成多個(gè)刺激感測能力的mems傳感器裝置的代表性截面?zhèn)纫晥D；以及

圖8示出了包括mems傳感器裝置的系統(tǒng)的框圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例需要具有多個(gè)刺激感測能力的微機(jī)電系統(tǒng)(mems)傳感器裝置，所述裝置尺寸緊湊、持久，并且利用現(xiàn)有制造技術(shù)可以具有成本效益地制出。具體來說，mems傳感器裝置具有至少兩個(gè)傳感器，其中的每一個(gè)感測不同的物理刺激。通過使用在這兩個(gè)傳感器之間共享的至少一個(gè)電極，在mems傳感器裝置中實(shí)現(xiàn)集成傳感能力。在實(shí)施例中，這兩個(gè)傳感器將可移動(dòng)元件(有時(shí)被稱作質(zhì)量塊)用作共享電極。更具體地說，可移動(dòng)元件和與可移動(dòng)元件間隔開的傳感元件形成慣性傳感器，所述慣性傳感器適用于感測當(dāng)可移動(dòng)元件相對(duì)于傳感元件移動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)刺激。另外，可移動(dòng)元件和另外的傳感元件形成壓力傳感器。壓力傳感器使用跨越mems傳感器裝置中的端口的隔膜，其中端口將隔膜暴露于外部環(huán)境。隔膜可響應(yīng)于外部壓力刺激而移動(dòng)，并且壓力傳感器感測當(dāng)另外的傳感元件連同隔膜一起相對(duì)于可移動(dòng)元件移動(dòng)時(shí)的壓力刺激。

提供本發(fā)明以通過能夠?qū)崿F(xiàn)的方式對(duì)在應(yīng)用時(shí)制作和使用根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的最佳模式進(jìn)行解釋。另外提供本發(fā)明以加強(qiáng)對(duì)本發(fā)明的創(chuàng)造性原理和優(yōu)點(diǎn)的理解和了解，而不是以任何方式限制本發(fā)明。本發(fā)明僅通過所附權(quán)利要求書限定，所附權(quán)利要求書包括在發(fā)布的本申請(qǐng)案和那些權(quán)利要求的所有等效物的未決期間進(jìn)行的任何修正。

參看圖1和2，圖1示出了根據(jù)實(shí)施例的具有集成多個(gè)刺激感測能力的mems傳感器裝置20的代表性截面?zhèn)纫晥D，以及圖2示出了mems傳感器裝置20(圖1)的裝置結(jié)構(gòu)22的俯視圖。使用各種底紋和/或陰影線以區(qū)分mems傳感器裝置的不同元件來說明圖1和2與之后的圖3到7，如下文將論述?？衫卯?dāng)前和未來的沉積、圖案化、蝕刻等微機(jī)械加工技術(shù)來產(chǎn)生結(jié)構(gòu)層內(nèi)的這些不同元件。另外應(yīng)當(dāng)理解，關(guān)系術(shù)語在本文中的使用(如果存在的話)，例如第一和第二、頂部和底部及其類似物，僅用于區(qū)分一個(gè)實(shí)體或動(dòng)作與另一個(gè)實(shí)體或動(dòng)作，而不必需要或意指在這種實(shí)體或動(dòng)作之間的任何實(shí)際這種關(guān)系或次序。

mems傳感器裝置20包括裝置結(jié)構(gòu)22和與裝置結(jié)構(gòu)22耦合的頂蓋結(jié)構(gòu)24。因此，將圖2示出為移除了頂蓋結(jié)構(gòu)24，以揭示裝置結(jié)構(gòu)22的特征。另外，圖1是大致地沿著圖2中示出的裝置結(jié)構(gòu)22的水平向中心線截取的mems傳感器裝置20的簡化橫截面圖。在實(shí)施例中，裝置結(jié)構(gòu)22包括襯底28和在本文中被稱作質(zhì)量塊30的可移動(dòng)元件，所述襯底28和所述可移動(dòng)元件被定位成在襯底28的第一表面32上方間隔開。端口34、36形成于位于質(zhì)量塊30下面的襯底28的第二側(cè)面38中。另外，第一傳感元件40、42形成于襯底28的第一表面32上，并且第二傳感元件44、46跨越端口34、36。

端口34、36在圖1的側(cè)視圖中是可見的。然而，在圖2中，質(zhì)量塊30遮擋了端口34、36。因此，在圖2中端口34、36由虛線方框表示。同樣地，第一傳感元件40、42和第二傳感元件44、46在圖1的側(cè)視圖中是可見的，但在圖2中被質(zhì)量塊30遮擋。同樣，在圖2中傳感元件40、42、44、46也由虛線方框表示。端口34、36和傳感元件40、42、44、46的位置、數(shù)量、形狀和相對(duì)尺寸僅為代表性的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，根據(jù)具體設(shè)計(jì)配置，這些元件可具有其它位置、數(shù)量、形狀和相對(duì)尺寸。

在一些實(shí)施例中，使用在裝置結(jié)構(gòu)22與頂蓋結(jié)構(gòu)24之間形成導(dǎo)電互連的導(dǎo)電接合層50將頂蓋結(jié)構(gòu)24耦合到裝置結(jié)構(gòu)22的頂部表面48。導(dǎo)電接合層50可為(例如)鋁-鍺(al-ge)接合層、金-錫(au-sn)接合層、銅-銅(cu-cu)接合層、銅-錫(cu-sn)接合層、鋁-硅(al-si)接合層等。接合層50可具有適當(dāng)?shù)暮穸?，以使得頂蓋結(jié)構(gòu)24的內(nèi)表面52從裝置結(jié)構(gòu)22的質(zhì)量塊30移離，并且不與質(zhì)量塊30接觸。因此，產(chǎn)生了全密封的空腔54，質(zhì)量塊30、第一傳感元件40、42和第二傳感元件44、46位于所述空腔54中。

頂蓋結(jié)構(gòu)24可為硅晶片材料?？商鎿Q的是，頂蓋結(jié)構(gòu)24可為包含與mems傳感器裝置20相關(guān)聯(lián)的電子裝置的專用集成電路(asic)。在一些配置中，頂蓋結(jié)構(gòu)24可另外具有空腔區(qū)(未示出)，其從頂蓋結(jié)構(gòu)24的內(nèi)表面52朝內(nèi)延伸以擴(kuò)大(即，深化)空腔54。

頂蓋結(jié)構(gòu)24可包括至少一個(gè)導(dǎo)電硅穿孔(tsv)60，其也稱為垂直電連接(示出兩個(gè))，tsv60從頂蓋結(jié)構(gòu)24的內(nèi)表面52延伸穿過頂蓋結(jié)構(gòu)24直到頂蓋結(jié)構(gòu)24的外表面62。導(dǎo)電通孔60可與導(dǎo)電接合層50電耦合。另外，導(dǎo)電通孔60可電耦合到形成于頂蓋結(jié)構(gòu)24的外表面62上的導(dǎo)電互連件64。導(dǎo)電互連件64表示任何數(shù)目的線接合墊或使線接合墊形成于頂蓋結(jié)構(gòu)24的外表面62上的導(dǎo)電跡線。因此，導(dǎo)電互連件64可位于頂蓋結(jié)構(gòu)24的外表面62上，作為從接合墊架上的裝置結(jié)構(gòu)22橫向移離(即，在裝置結(jié)構(gòu)22旁邊)的替代。

在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電互連件64可附接到其中mems傳感器裝置20被封裝在倒裝芯片配置中的電路板。相對(duì)于一些先前技術(shù)的mems傳感器裝置，此類垂直集成有效地減少了mems傳感器裝置20的覆蓋面積。在其它實(shí)施例中，襯底28的第二側(cè)面38可耦合到電路板，所述電路板具有延伸穿過其的開口。端口34、36可因此與電路板中的開口對(duì)準(zhǔn)。同樣，導(dǎo)電互連件64可經(jīng)由接合線電連接到另一裝置，例如微控制器(未示出)。為說明的簡單性起見，僅示出兩個(gè)導(dǎo)電通孔60。然而，應(yīng)理解，根據(jù)具體設(shè)計(jì)配置，mems傳感器裝置20可包括超過兩個(gè)導(dǎo)電通孔60。

質(zhì)量塊30和第一傳感元件40、42形成慣性傳感器56，例如加速度計(jì)、陀螺儀及其類似物，所述慣性傳感器56適用于感測當(dāng)質(zhì)量塊30相對(duì)于第一傳感元件40、42移動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)刺激。另外，質(zhì)量塊30和第二傳感元件44、46形成壓力傳感器58，所述壓力傳感器58適用于感測當(dāng)?shù)诙鞲性?4、46相對(duì)于質(zhì)量塊30移動(dòng)時(shí)來自外部環(huán)境的壓力刺激。因此，mems傳感器裝置20的慣性傳感器56和壓力傳感器58兩者處于單個(gè)空腔54中的相同位置。相對(duì)于具有單獨(dú)轉(zhuǎn)換器(例如，加速度計(jì)和壓力傳感器)的傳感器系統(tǒng)，此類集成傳感器配置可使管芯尺寸更小。

繼續(xù)同時(shí)參看圖1和2，在示例實(shí)施例中，慣性傳感器56呈現(xiàn)適用于感測z軸加速度(az)的加速度計(jì)的形式，在圖1中所述az由箭頭66表示，并且慣性傳感器56被構(gòu)造為“蹺蹺板”型傳感器。同樣，懸垂錨68形成于襯底28上，并定位在延伸穿過質(zhì)量塊30的開口70的近似中心處。扭力彈簧72、74將質(zhì)量塊30與懸垂錨68互連，以使得質(zhì)量塊30懸置在第一傳感元件40、42和第二傳感元件44、46上方，并與它們間隔開。扭力彈簧72、74使質(zhì)量塊30能夠圍繞旋轉(zhuǎn)軸76進(jìn)行樞軸或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

由于慣性傳感器56意圖作為蹺蹺板型加速度計(jì)來操作，所以旋轉(zhuǎn)軸76的一側(cè)上的質(zhì)量塊30的第一部分78形成有比旋轉(zhuǎn)軸76的另一側(cè)上的質(zhì)量塊30的第二部分80相對(duì)更大的質(zhì)量。在示例實(shí)施例中，可通過偏移旋轉(zhuǎn)軸76以使第一部分78長于第二部分80來產(chǎn)生第一部分78的較大質(zhì)量。盡管第一部分78和第二部分80之間的質(zhì)量差通過偏移旋轉(zhuǎn)軸76形成，但在替代實(shí)施例中，可通過借助于另外的材料層向第一部分78添加質(zhì)量、通過相對(duì)于第一部分78從第二部分80中移除質(zhì)量等來實(shí)現(xiàn)這個(gè)質(zhì)量差。質(zhì)量塊30適用于響應(yīng)于加速度66而圍繞旋轉(zhuǎn)軸76旋轉(zhuǎn)，并因此改變其相對(duì)于下面的傳感電極(即，第一傳感元件40、42)的位置。此位置改變產(chǎn)生電容集合，所述電容集合的差值(即，差分電容)指示加速度66的量值。因此，慣性傳感器56適用于感測當(dāng)質(zhì)量塊30相對(duì)于第一傳感元件40、42移動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)刺激，例如，z軸加速度66。

現(xiàn)在關(guān)于mems傳感器裝置20的壓力傳感器58，壓力傳感器58被配置成感測來自mems傳感器裝置20外部的環(huán)境84的壓力刺激(p)，其由箭頭82表示。同樣，端口34、36從第二表面38延伸穿過襯底28，以將第二傳感元件44、46暴露于外部環(huán)境。

在實(shí)施例中，第二傳感元件44包括插入在質(zhì)量塊30和端口34之間的隔膜86。同樣地，第二傳感元件46包括插入在質(zhì)量塊30和端口36之間的隔膜88。隔膜86、88可包括多個(gè)導(dǎo)電和介電材料層。因此，隔膜86、88通過虛線橢圓形劃界，以說明整個(gè)厚度和跨越端口34、36的各個(gè)材料層共同充當(dāng)隔膜86、88。

在例子中，導(dǎo)電多晶硅層85可形成于襯底28的第一表面32上。統(tǒng)稱為隔離層87的一個(gè)或多個(gè)介電材料層接著可形成于多晶硅層85上。隔離層87可包括(例如)形成于多晶硅層85上的氧化層(由指向右上方的細(xì)陰影線表示)，隨后是形成于氧化層上的氮化層(由指向右下方的細(xì)陰影線表示)。另一多晶硅層89可沉積于氧化層上，并且其后經(jīng)圖案化和蝕刻以形成第一傳感元件40、42和第二傳感元件44、46。多晶硅層89可另外經(jīng)圖案化和蝕刻以形成導(dǎo)電跡線及其類似物(未示出)，從而用于適當(dāng)?shù)爻休d來自傳感元件40、42、44、46的信號(hào)。因此，跨越端口34、36的多個(gè)材料層85、87、89產(chǎn)生隔膜86、88，其中最頂端的多晶硅層89充當(dāng)?shù)诙鞲性?4、46。

多個(gè)導(dǎo)電和介電材料層85、87、89具有適當(dāng)?shù)暮穸?，以使得隔?6、88可響應(yīng)于來自外部環(huán)境84的壓力刺激(p)82而移動(dòng)。也就是說，隔膜86、88連同第二傳感元件44、46一起經(jīng)由端口34、36而暴露于外部環(huán)境84。因此，第二傳感元件44、46連同隔膜86、88一起能夠響應(yīng)于來自外部環(huán)境84的壓力刺激82，沿著大體上垂直于裝置結(jié)構(gòu)22的平面的方向移動(dòng)。盡管示出了一個(gè)例子，但是其它實(shí)施例可具有更少或更多地上文所述的具體材料層85、87、89。此外，應(yīng)強(qiáng)調(diào)組成具有第二傳感電極44、46的隔膜86、88的材料層85、87、89并未按比例繪制。在物理配置中，隔膜86、88可比(例如)質(zhì)量塊30薄得多，以使得它們能夠響應(yīng)于壓力刺激82而有效地相對(duì)于質(zhì)量塊30偏斜。

壓力傳感器58將質(zhì)量塊30用作第二傳感元件44、46和空腔54內(nèi)壓力的參考元件，以形成可變電容器，所述可變電容器檢測由施加的壓力(即，壓力刺激82)產(chǎn)生的隔膜86、88的偏斜，所述隔膜86、88包含第二傳感元件44、46。同樣，壓力傳感器58感測當(dāng)?shù)诙鞲性?4、46相對(duì)于質(zhì)量塊30移動(dòng)時(shí)來自環(huán)境84的壓力刺激82。此位置改變產(chǎn)生電容集合，所述電容集合的總和指示壓力刺激82的量值。因此，壓力傳感器58適用于感測當(dāng)?shù)诙鞲性?4、46連同隔膜86、88一起相對(duì)于質(zhì)量塊30移動(dòng)時(shí)的壓力刺激82。

如上文所提及，第一傳感元件40、42形成于位于質(zhì)量塊30下面的襯底28的第一表面32上。在此配置中，第一傳感元件40、42與第二傳感元件44、46橫向間隔開，并與其電隔離。更具體地說，第一傳感元件40、42安置于旋轉(zhuǎn)軸76的相對(duì)側(cè)上，并且每一元件從旋轉(zhuǎn)軸76移離第一距離90。第二傳感元件44、46也安置于旋轉(zhuǎn)軸76的相對(duì)側(cè)上。第二傳感元件44、46中的每一個(gè)從旋轉(zhuǎn)軸76移離第二距離92，其中第二距離92小于第一距離90。

因此，相比于第一傳感元件40、42，第二傳感元件44、46與旋轉(zhuǎn)軸76更加接近。當(dāng)質(zhì)量塊30經(jīng)受加速度66時(shí)，第二傳感元件44、46(以及相稱地，端口34、36)更接近于旋轉(zhuǎn)軸76在第二傳感元件44、46和質(zhì)量塊30之間產(chǎn)生更小的空隙改變。第二傳感元件44、46和質(zhì)量塊30之間空隙尺寸的相對(duì)較小的改變有效地降低了在第二傳感元件44、46處檢測到加速度66的可能性。相反地，當(dāng)質(zhì)量塊30經(jīng)受加速度66時(shí)，第一傳感元件40、42與旋轉(zhuǎn)軸76之間更遠(yuǎn)的距離會(huì)在第一傳感元件40、42和質(zhì)量塊30之間產(chǎn)生更大的空隙改變，由此有效地實(shí)現(xiàn)第一傳感元件40、42對(duì)加速度66的檢測。在mems傳感器裝置20的集成配置中，可能會(huì)發(fā)生某種串?dāng)_，其中(例如)根據(jù)可變的空隙尺寸，在第二傳感元件44、46處檢測到z軸加速度66。通過首先在第二傳感元件44、46處測量加速度并接著計(jì)算壓力傳感器58的修正因子，可至少部分地補(bǔ)償這種非理想性。

圖3示出了可在mems傳感器裝置20(圖1)內(nèi)實(shí)施的裝置結(jié)構(gòu)94的俯視圖。裝置結(jié)構(gòu)94提供示例配置，所述配置包括四個(gè)端口96、98、100、102和四個(gè)傳感元件104、106、108、110(其可如上文結(jié)合圖1和2所論述的那樣構(gòu)造)，所述四個(gè)傳感元件104、106、108、110跨越它們相應(yīng)的端口96、98、100、102，并組成總共四個(gè)壓力傳感器元件112、114、116、118。此配置另外包括用于形成慣性傳感器的傳感元件120、122，如先前所描述。在此說明中，質(zhì)量塊124上覆于端口96、98、100、102和傳感元件104、106、108、110以及傳感元件120、122。因此，這些特征以虛線形式呈現(xiàn)，從而展現(xiàn)它們相對(duì)于質(zhì)量塊124的旋轉(zhuǎn)軸126的位置。

壓力傳感器元件112、114、116、118中的每一個(gè)適用于感測當(dāng)它們相應(yīng)的傳感元件104、106、108、110相對(duì)于質(zhì)量塊124移動(dòng)時(shí)的壓力刺激82(圖1)，以及提供指示壓力刺激82的量值的壓力信號(hào)，例如，電容輸出。來自四個(gè)壓力傳感器元件112、114、116、118的四個(gè)單獨(dú)的壓力信號(hào)可通過求和進(jìn)行組合以提供來自mems傳感器裝置的壓力輸出信號(hào)。因此，相對(duì)于圖1到2中示出的兩個(gè)端口設(shè)計(jì)，多個(gè)壓力傳感器元件112、114、116、118可有效增加集成mems傳感器裝置內(nèi)的壓力傳感器的敏感度。應(yīng)理解，集成mems傳感器裝置(例如，mems傳感器裝置20(圖1))可具有任何數(shù)目的端口、傳感元件和隔膜，以實(shí)現(xiàn)在具體設(shè)計(jì)規(guī)格內(nèi)并由充當(dāng)參考電極的可移動(dòng)元件(例如，質(zhì)量塊)的尺寸限制的敏感度。

現(xiàn)參看圖4到5，圖4示出了根據(jù)另一實(shí)施例的具有集成多個(gè)刺激感測能力的mems傳感器裝置130的代表性截面?zhèn)纫晥D，以及圖5示出了mems傳感器裝置130的裝置結(jié)構(gòu)132的俯視圖。mems傳感器裝置20(圖1到2)展現(xiàn)具有用于感測沿著z軸的加速度的蹺蹺板風(fēng)格的可移動(dòng)元件的集成傳感器裝置。根據(jù)圖4到5的實(shí)施例，mems傳感器裝置130具有可移動(dòng)元件，所述可移動(dòng)元件適用于響應(yīng)于x軸和/或y軸刺激而橫向移動(dòng)。

為此，mems傳感器裝置130包括裝置結(jié)構(gòu)132和與裝置結(jié)構(gòu)132耦合的頂蓋結(jié)構(gòu)134。在實(shí)施例中，裝置結(jié)構(gòu)132包括襯底136和在本文中被稱作質(zhì)量塊138的可移動(dòng)元件，所述襯底136和所述可移動(dòng)元件被定位成在襯底136的第一表面140上方間隔開。端口142形成于位于質(zhì)量塊138下面的襯底136的第二側(cè)面144中。另外，第一傳感元件146、148、150、152形成于襯底136的第一表面140上。多個(gè)導(dǎo)電和介電材料層85、87、89跨越端口142以形成隔膜154，其中最頂端的多晶硅層89充當(dāng)電極，即，第二傳感元件155。

質(zhì)量塊138適用于響應(yīng)于x軸和/或y軸刺激而橫向移動(dòng)。也就是說，質(zhì)量塊138被配置成在基本上平行于襯底136的第一表面140的平面中移動(dòng)。因此，開口156、158延伸穿過質(zhì)量塊138，其中第一傳感元件146、148作為質(zhì)量塊138形成于同一結(jié)構(gòu)層中并駐留在開口156中，并且第一傳感元件150、152作為質(zhì)量塊138形成于同一結(jié)構(gòu)層中并駐留在開口158中。相反地，第二傳感元件155從第一傳感元件146、148、150、152橫向移離，并位于不含開口156、158的質(zhì)量塊138的區(qū)160下面。

如mems傳感器裝置130的代表圖中所示，在圖4和5兩個(gè)圖中，第一傳感元件146、148、150、152由于它們?cè)陂_口156、158內(nèi)的位置而都是可見的。然而，盡管端口142和第二傳感元件155在圖4的側(cè)視圖中是可見的，但在圖5中它們被質(zhì)量塊138遮擋。因此，在圖5中端口142和第二傳感元件155由虛線方框表示。

頂蓋結(jié)構(gòu)134使用接合層164與裝置結(jié)構(gòu)132耦合。接合層164可具有適當(dāng)?shù)暮穸?，以使得頂蓋結(jié)構(gòu)134的內(nèi)表面166從質(zhì)量塊138和裝置結(jié)構(gòu)132的第一傳感元件146、148、150、152移離，并且不與它們接觸。因此，產(chǎn)生了全密封的空腔168，質(zhì)量塊138、第一傳感元件146、148、150、152和第二傳感元件155位于所述空腔168中。頂蓋結(jié)構(gòu)134可為硅晶片材料，或可替換的是，可為包含與mems傳感器裝置130相關(guān)聯(lián)的電子裝置的asic。另外，頂蓋結(jié)構(gòu)134可包括硅通孔和上文結(jié)合頂蓋結(jié)構(gòu)24(圖1)所論述的其它結(jié)構(gòu)。為簡潔起見，將不在本文中重復(fù)這些結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。

類似于mems傳感器裝置20，mems傳感器裝置130包括單個(gè)空腔168，在所述空腔168中，慣性傳感器170和壓力傳感器172處于相同位置。質(zhì)量塊138和第一傳感元件146、148、150、152形成慣性傳感器170，例如加速度計(jì)、陀螺儀及其類似物，所述慣性傳感器170適用于感測當(dāng)質(zhì)量塊138相對(duì)于第一傳感元件146、148、150、152移動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)刺激。另外，質(zhì)量塊138和第二傳感元件155形成壓力傳感器172，所述壓力傳感器172適用于感測當(dāng)?shù)诙鞲性?55連同隔膜154一起相對(duì)于質(zhì)量塊138移動(dòng)時(shí)來自外部環(huán)境84的壓力刺激82。在mems傳感器裝置130的集成配置中，可能會(huì)發(fā)生某種串?dāng)_，其中(例如)z軸加速度可使質(zhì)量塊138移動(dòng)得更接近于下面的第二傳感元件155，由此有效地增加壓力傳感器172的敏感度。再次，通過優(yōu)化彈簧元件184、186和/或通過計(jì)算壓力傳感器172的修正因子，可至少部分地補(bǔ)償這種非理想性。

在所說明的實(shí)施例中，慣性傳感器170呈現(xiàn)適用于感測x軸加速度(ax)的加速度計(jì)的形式，在圖4和5中所述ax由箭頭174表示。同樣，懸垂錨176、178形成于襯底136的第一表面140上，其中懸垂錨176定位在開口180中，而懸垂錨178定位在延伸穿過質(zhì)量塊138的開口182中。懸垂錨176、178在圖4中是不可見的。然而，懸垂錨176、178在圖5中是可見的，并由標(biāo)記有“x”的方框表示，通過這些方框來表示它們附接到下面的結(jié)構(gòu)。

平移彈簧元件184、186將質(zhì)量塊138與懸垂錨176、178互連，以使得質(zhì)量塊138懸置在下面的多晶硅層89上方，并與其間隔開。平移彈簧元件184、186使質(zhì)量塊138能夠響應(yīng)于x軸加速度174，沿著x方向進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)。為說明的簡單性起見，平移彈簧元件184、186以代表性形式示出，并順應(yīng)于x方向。然而，可替換的是，平移彈簧元件184、186順應(yīng)于y方向或同時(shí)順應(yīng)于x方向和y方向兩者。此外，平移彈簧元件184、186、第一端口142、傳感元件146、148、150、152、155的形狀、相對(duì)尺寸、位置和數(shù)量僅為代表性的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，根據(jù)具體設(shè)計(jì)配置，這些元件可具有其它形狀、相對(duì)尺寸、位置和數(shù)量。無論如何，相對(duì)于具有單獨(dú)轉(zhuǎn)換器(例如，橫向加速度計(jì)和壓力傳感器)的傳感器系統(tǒng)，其中慣性傳感器170和壓力傳感器172共享相同電極(即，質(zhì)量塊138)的集成傳感器配置可使管芯尺寸更小。

圖6示出了可在mems傳感器裝置130(圖4)內(nèi)實(shí)施的裝置結(jié)構(gòu)188的俯視圖。裝置結(jié)構(gòu)188提供示例配置，所述配置包括統(tǒng)稱為附圖標(biāo)記190的多個(gè)第一傳感元件，所述多個(gè)第一傳感元件駐留在延伸穿過質(zhì)量塊194的開口192中。另外，裝置結(jié)構(gòu)188提供示例配置，所述配置包括四個(gè)端口196、198、200、202和四個(gè)傳感元件204、206、208、210(其可如上文結(jié)合圖1和2所論述的那樣構(gòu)造)，所述四個(gè)傳感元件204、206、208、210跨越它們相應(yīng)的端口196、198、200、202，并組成總共四個(gè)壓力傳感器元件212、214、216、218。端口196、198、200、202和第二傳感元件204、206、208、210位于不含開口192的質(zhì)量塊194的區(qū)220下面。因此，由于這些特征不可見，所以它們用虛線呈現(xiàn)。

類似于圖3的配置，壓力傳感器元件212、214、216、218中的每一個(gè)適用于感測當(dāng)它們相應(yīng)的傳感元件204、206、208、210相對(duì)于質(zhì)量塊194移動(dòng)時(shí)的壓力刺激82(圖1)，以及提供指示壓力刺激82的量值的壓力信號(hào)，例如，電容輸出。來自四個(gè)壓力傳感器元件212、214、216、218的四個(gè)單獨(dú)的壓力信號(hào)可通過求和進(jìn)行組合以提供來自mems傳感器裝置的壓力輸出信號(hào)。因此，相對(duì)于圖4到5中示出的單個(gè)端口設(shè)計(jì)，多個(gè)壓力傳感器元件212、214、216、218可有效增加集成mems傳感器裝置內(nèi)的壓力傳感器的敏感度。此外，多個(gè)第一傳感元件190產(chǎn)生裝置結(jié)構(gòu)188的慣性傳感器能力所需的敏感度。

圖7示出了根據(jù)另一實(shí)施例的具有集成多個(gè)刺激感測能力的mems傳感器裝置222的代表性截面?zhèn)纫晥D。mems傳感器裝置222包括裝置結(jié)構(gòu)224和與裝置結(jié)構(gòu)224耦合的頂蓋結(jié)構(gòu)226，從而形成全密封的空腔228，質(zhì)量塊230位于所述空腔228中。在實(shí)施例中，質(zhì)量塊230被定位成在襯底232上方與襯底232間隔開。

端口234、236形成于位于質(zhì)量塊230下面的襯底232中，并且具有對(duì)應(yīng)的隔膜238、240的第二傳感元件237、239跨越端口234、236。質(zhì)量塊230和第二傳感元件237、239形成壓力傳感器242，所述壓力傳感器242適用于感測當(dāng)?shù)诙鞲性?37、239連同隔膜238、240一起相對(duì)于質(zhì)量塊230移動(dòng)時(shí)來自外部環(huán)境84的壓力刺激82。然而，與先前實(shí)施例相反，mems傳感器裝置222另外包括形成于頂蓋結(jié)構(gòu)226的內(nèi)表面248上的第一傳感元件244、246。質(zhì)量塊230和第一傳感元件244、246形成慣性傳感器250，所述慣性傳感器250適用于感測當(dāng)質(zhì)量塊230相對(duì)于第一傳感元件244、246移動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)刺激。相對(duì)于圖1到6的mems傳感器裝置，這種集成傳感器配置可使管芯尺寸緊湊得多，因?yàn)榈谝粋鞲性?44、246從第二傳感元件237、239垂直地移離，而不是形成于相同的材料層中并從第二傳感元件橫向移離，如結(jié)合圖1到6的實(shí)施例所論述。

圖8示出了包括mems傳感器裝置的系統(tǒng)252的框圖。在本例子中，系統(tǒng)252包括結(jié)合圖1到2詳細(xì)論述地mems傳感器裝置20。因此，圖8以及隨后的對(duì)圖8的論述應(yīng)同時(shí)參看圖1到2。再次，mems傳感器裝置20包括具有慣性傳感器56(例如，加速度計(jì))和壓力傳感器58的裝置結(jié)構(gòu)22。本例子另外示出了一種配置，在所述配置中，頂蓋結(jié)構(gòu)24可為通過(例如)硅通孔60(圖1)而與裝置結(jié)構(gòu)電通信的專用集成電路(asic)254。

asic254被配置成從慣性傳感器56接收第一模擬輸出信號(hào)256，標(biāo)記為aout(c)，其中第一模擬輸出信號(hào)256通過質(zhì)量塊30(圖1)相對(duì)于第一傳感元件40、42(圖1)的移動(dòng)產(chǎn)生。asic254另外被配置成第二傳感元件44、46(圖1)連同隔膜86、88(圖1)一起相對(duì)于質(zhì)量塊30的移動(dòng)中接收第二模擬輸出信號(hào)258，標(biāo)記為pout(c)。在一些實(shí)施例中，第一和第二模擬輸出信號(hào)256、258可為可變電容，并且asic254可包括電容-電壓轉(zhuǎn)換器電路260，所述電容-電壓轉(zhuǎn)換器電路260用于將第一電容輸出信號(hào)256轉(zhuǎn)換成第一模擬電壓信號(hào)262，標(biāo)記為aout(a)，并用于將第二電容輸出信號(hào)258轉(zhuǎn)換成第二模擬電壓信號(hào)264，標(biāo)記為pout(a)。

asic254可另外包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換器電路266，所述模/數(shù)轉(zhuǎn)換器電路266用于將第一和第二模擬電壓信號(hào)262、264轉(zhuǎn)換成第一和第二數(shù)字輸出信號(hào)268、270。也就是說，asic254另外被配置成從第一模擬電壓信號(hào)262中產(chǎn)生第一數(shù)字輸出信號(hào)268，標(biāo)記為aout(d)，以及從第二模擬電壓信號(hào)264中產(chǎn)生第二數(shù)字輸出信號(hào)270，標(biāo)記為pout(d)。第一和第二數(shù)字輸出信號(hào)268、270可從mems傳感器裝置20輸出，并被傳送到微控制器272，以進(jìn)行另外處理和/或發(fā)射到形成系統(tǒng)252的部分的另一組件(未示出)。

具有電容-電壓轉(zhuǎn)換器電路260和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器電路266的asic254的模擬前端配置產(chǎn)生輸出，即，第一和第二數(shù)字輸出信號(hào)268、270，它們是在發(fā)射期間通常具有比模擬信號(hào)更少的可靠性問題的純數(shù)字信號(hào)。此外，mems傳感器裝置20的集成傳感能力(其中，所附接的asic254具有前端處理能力)減少了信號(hào)互連(例如，線接合)，由此進(jìn)一步減少了裝置的可靠性問題。

綜上所述，已描述具有多個(gè)刺激感測能力的mems傳感器裝置和產(chǎn)生這類mems傳感器裝置的方法的實(shí)施例。mems傳感器裝置的實(shí)施例包括裝置結(jié)構(gòu)。裝置結(jié)構(gòu)包括：襯底，其具有延伸穿過所述襯底的端口；可移動(dòng)元件，其被定位成在襯底的表面上方與所述襯底的表面間隔開；位于可移動(dòng)元件下面的端口；與可移動(dòng)元件間隔開的第一傳感元件；以及跨越端口的第二傳感元件，其中端口將第二傳感元件暴露于來自外部環(huán)境的刺激。

產(chǎn)生mems傳感器裝置的方法的實(shí)施例包括形成具有襯底、可移動(dòng)元件、第一傳感元件和第二傳感元件的裝置結(jié)構(gòu)，可移動(dòng)元件被定位成在襯底的第一表面上方與所述襯底的第一表面間隔開，第一傳感元件與可移動(dòng)元件間隔開，以及第二傳感元件形成于位于可移動(dòng)元件下面的襯底的第一表面上。方法另外包括在襯底的第二表面中形成端口，端口延伸穿過襯底以將第二傳感元件暴露于來自外部環(huán)境的刺激，并將頂蓋結(jié)構(gòu)與襯底的第一表面耦合以在襯底和頂蓋結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生空腔，可移動(dòng)元件位于所述空腔中，其中第二傳感元件跨越端口以隔離空腔與外部環(huán)境。

因此，本文中所描述的實(shí)施例包括mems傳感器裝置和產(chǎn)生具有多個(gè)刺激感測能力的mems傳感器裝置的方法。具體來說，mems傳感器裝置具有至少兩個(gè)傳感器，其中的每一個(gè)感測不同的物理刺激。通過使用在這兩個(gè)傳感器之間共享的至少一個(gè)電極，在mems傳感器裝置中實(shí)現(xiàn)集成傳感能力。這兩個(gè)傳感器將可移動(dòng)元件(即，質(zhì)量塊)用作共享電極。也就是說，可移動(dòng)元件和與可移動(dòng)元件間隔開的傳感元件形成慣性傳感器，所述慣性傳感器適用于感測當(dāng)可移動(dòng)元件相對(duì)于傳感元件移動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)刺激。另外，可移動(dòng)元件和另外的傳感元件形成壓力傳感器。壓力傳感器使用跨越mems傳感器裝置中的端口的隔膜，其中端口將隔膜暴露于外部環(huán)境。隔膜可響應(yīng)于外部壓力刺激而移動(dòng)，并且壓力傳感器感測當(dāng)另外的傳感元件連同隔膜一起相對(duì)于可移動(dòng)元件移動(dòng)時(shí)的壓力刺激。使用現(xiàn)有的mems制造工藝可制造mems傳感器裝置，從而實(shí)現(xiàn)以下設(shè)計(jì)目標(biāo)：尺寸緊湊、耐用、可靠性增強(qiáng)以及制造具有成本效益。

本發(fā)明意圖解釋如何設(shè)計(jì)和使用根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例，而非限制本發(fā)明的真實(shí)、既定和公平的范疇和其精神。以上描述并不意圖是窮盡性的或?qū)⒈景l(fā)明限于所公開的確切形式。鑒于以上教示，許多修改或變化是可能的。選擇和描述實(shí)施例是為了提供對(duì)本發(fā)明的原理和本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用的最佳說明，并且使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠在各種實(shí)施例中并利用適合于所預(yù)期具體用途的各種修改來利用本發(fā)明。當(dāng)根據(jù)清楚地、合法地并且公正地賦予的權(quán)利的寬度來解釋時(shí)，所有這樣的修改和變化及其所有等效物均處于如由所附權(quán)利要求書確定的以及在本專利申請(qǐng)未決期間可以修正的本發(fā)明的范疇內(nèi)。