專利名稱：微機械加工的集成單片三軸加速度計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器，更具體而言涉及單片集成MEMS傳感器。
背景技術(shù)：
由于其集成具有感測元件、預(yù)期的多廠商可達性(multivendoraccessibility)以及短設(shè)計周期時間的高性能片上(on-chip)信號調(diào)節(jié)電路的能力，通過互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)兼容的制造過程而制造的微機械加工的裝置是吸引人的。目前，大多數(shù)CMOS兼容的微機械加工過程是基于多晶硅(polysilicon)或多晶的硅/鍺(polycrystalline silicon/germanium)表面微機械加工過程的，其使用二氧化硅作為犧牲材料，并且典型地包含由于釋放微機械結(jié)構(gòu)的濕刻蝕步驟。即使HF蒸汽可被用于釋放，在釋放期間對集成電路的保護和粘附問題仍保持為主要的顧慮。
對于每個限制靜電激勵器和電容性傳感器的設(shè)計靈活性的連續(xù)微結(jié)構(gòu)，單個多晶硅微結(jié)構(gòu)上的接線被約束到一個電極。而且，多晶硅過程中的相對大的寄生電容使電容性傳感器設(shè)計的性能降級。例如，MUMP的多晶硅過程中具有30μm重疊的50-指梳狀驅(qū)動具有大約28fF的感測電容。寄生電容是單獨由于指的13fF，來自互連的14aF/μm和對于標(biāo)準(zhǔn)的78μm乘78μm的正方形接合墊的1.1pF。到外部電子器件的接合線或焊料凸塊連接貢獻了附加的寄生電容。
小型三軸加速度計常常是汽車、導(dǎo)航系統(tǒng)中所需要的，并且是一些醫(yī)療應(yīng)用所需要的，如用于半身不遂(hemiplegic)病人。存在兩種類型的微機械加工過程，即表面微機械加工和體微機械加工(bulk micromachining)。大多數(shù)現(xiàn)有微機械加工的加速度計是單軸或雙軸的，并且是使用表面微機械加工過程來制造的。
一般而言，體微機械加工產(chǎn)生大的檢驗質(zhì)量(proof mass)并且適合于制作具有電容性平行板或壓阻性梁(piezoresistive beam)的z軸加速度計。然而，典型的是沒有CMOS電路集成在傳感器芯片上。另一方面，表面微機械加工可與CMOS過程兼容并且適合于制造具有電容性交叉梳指(combfinger)的橫軸加速度計。通過組裝并正交取向兩個或三個分離的加速度計，可獲得三軸加速度感測系統(tǒng)，但封裝尺寸和成本二者都是高的。
一些3軸加速度計已有報導(dǎo)。其中體微機械加工的3軸加速度計通常具有大質(zhì)量，但需要晶片接合、濕刻蝕和兩側(cè)對準(zhǔn)。表面微機械加工的三軸加速度計可具有集成接口電路，但具有小質(zhì)量。
Lemkin等披露了一種表面微機械加工的3軸加速度計[Lemkin等，“A3-Axis Force Balanced Accelerometer Using a Single Proof-Mass”，Transducer‘97，1997 International Conference on Solid-State Sensors and Actutors，Chicago，1997年6月16-19日，第1185-1188頁]。Lemkin的加速度計使用單晶硅作為基板材料，但傳感器微結(jié)構(gòu)由薄膜多晶硅制成。Lemkin所披露的x和y軸感測元件是梳指，而z軸感測電容被形成為基板上的地多晶硅層(ground polysilicon layer)和檢驗質(zhì)量之間的平行板對。這樣，分離的固定電容器被用于實現(xiàn)用于z軸感測的差動電容性橋。值得注意的是，固有的大寄生電容大大減小可獲得的信噪比。薄膜材料的殘余應(yīng)力亦限制檢驗質(zhì)量的大小，這限制了Lemkin的加速度計的可獲得的分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
單片集成3軸加速度計傳感器“芯片”包括單晶基板，該基板包括至少一個單晶膜層部分。與單晶基板的標(biāo)稱厚度相比，膜層是薄的?；陔娙菪愿袦y的單個傳感器微結(jié)構(gòu)是使用膜層形成的，并且感測三個正交的方向(x、y和z)的每個上的加速度。在一個實施例中，包括傳感器微結(jié)構(gòu)的所有部件都利用膜層。
如以上所使用的，術(shù)語“集成的”有兩重意思。第一，3軸加速度傳感器集成在單個芯片上。第二，所述傳感器，以及一個優(yōu)選實施例中的諸如信號調(diào)節(jié)電子器件的電路，亦集成在所述芯片上。盡管稱為加速度傳感器，所述傳感器更廣義地是運動傳感器或振動傳感器。所述芯片亦可用作傾斜傳感器。
至少一個接口電子電路優(yōu)選地提供在芯片上以便于處理傳感器數(shù)據(jù)。傳感器微結(jié)構(gòu)優(yōu)選地利用梳指組(comb finger set)，至少一個梳指組用于感測三個正交軸之一上的運動。接口電路可包括前置放大器、解調(diào)器、低通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器和/或數(shù)字信號處理器(DSP)。單晶基板可被用于提供至少一個電極。單晶膜層優(yōu)選地小于100μm厚，如60μm、50μm或40μm。
所述加速度計可包括單個檢驗質(zhì)量，并且所述電子電路可設(shè)置在檢驗質(zhì)量之上。用于x-感測和y-感測兩者的梳指組可提供全差動電容性橋。相應(yīng)梳指組優(yōu)選地相互電隔離并且與芯片的其它部分電隔離。
所述加速度計可包括剛性框架，用于將x-y感測從z-感測去耦。在一個實施例中，用于z-感測的結(jié)構(gòu)可設(shè)置在所述剛性框架內(nèi)，其中所述框架連同所述z-感測結(jié)構(gòu)是用于x-y感測的有效檢驗質(zhì)量。用于x-y感測的結(jié)構(gòu)可設(shè)置在所述框架內(nèi)，其中所述框架加上x-y感測結(jié)構(gòu)是用于z-感測的有效檢驗質(zhì)量。
加速度計芯片可包括使用由CMOS層和單晶基板形成的側(cè)壁電容器的差動z軸電容性感測。單晶基板可包括硅，而電子電路包括CMOS電路。收發(fā)器和集成天線亦可提供在芯片上以允許加速度計芯片和位于遠程的系統(tǒng)之間的通信。


基于對以下詳述連同附圖的回顧，將實現(xiàn)對本發(fā)明及其特征和其有利之處的較全面的理解，在附圖中圖1(A)-1(C)示出使用DRIE CMOS-MEMS過程獲得的根據(jù)本發(fā)明一個實施例的中間結(jié)構(gòu)的橫截面，而圖1(D)示出最終單片集成單晶硅(SCS)3軸加速度計結(jié)構(gòu)的橫截面。
圖2(A)示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的橫軸梳指傳感器的設(shè)計。
圖2(B)示出根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的豎軸梳指傳感器的設(shè)計。
圖2(C)示出根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的橫軸梳指傳感器的設(shè)計，其中SCS層用作有源電極(active eletrode)。
圖2(D)示出根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的豎軸梳指傳感器的設(shè)計，其中SCS層用作有源電極。
圖3(A)和(B)示出根據(jù)本發(fā)明實施例的在側(cè)壁邊緣具有電極以減小寄生電容的梳指的設(shè)計，分別具有一個和兩個電極。
圖3(C)示出圖3(A)的單電極側(cè)壁梳指的設(shè)計，其根據(jù)本發(fā)明一個實施例被修改成包括膜層的初始下切(undercut)以進一步減小寄生電容。
圖3(D)示出圖3(B)的二電極側(cè)壁梳指的設(shè)計，其根據(jù)本發(fā)明一個實施例被修改成包括膜層的初始下切以進一步減小寄生電容。
圖4(A)示出根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的z軸彈簧設(shè)計。
圖4(B)示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的包括中心板的x-y彈簧的頂視圖。
圖4(C)示出圖4(B)所示的x-y彈簧的分支的側(cè)視圖。
圖5(A)示出根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的示例性集成3軸加速度計的拓撲。
圖5(B)示出中心z軸加速度計的另一種設(shè)計的拓撲，其中該z軸加速度計包括SCS扭轉(zhuǎn)梁和未平衡的檢驗質(zhì)量。
圖6(A)示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于x-y加速度計的NODAS模型，其中板表示質(zhì)量的檢驗。
圖6(B)示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于三軸加速度計的NODAS仿真得到的AC響應(yīng)。
圖7(A)是所釋放的三軸加速度計的顯微圖；圖7(B)是來自加速度計的x-y彈簧的顯微圖，而圖7(C)是來自加速度計的y感測梳指的顯微圖，全部都依照本發(fā)明的實施例。
圖8是一SEM，示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的多個梳指。
具體實施例方式
單片集成3軸加速度計“芯片”包括單晶基板，該基板包括至少一個單晶膜層部分。傳感器微結(jié)構(gòu)使用電容性感測來感測三個正交方向的每個上的加速度，并且是使用單晶膜層形成的。至少一個電子電路優(yōu)選地亦形成在芯片上。所述單晶基板優(yōu)選為硅基的，但可以是與集成電路處理兼容的任何單晶基板材料，如Si/Ge或GaAs。在描述單晶硅基板時，這樣的基板或其部分在此稱為單晶硅(SCS)。
提供在芯片上的電子電路可包括前置放大器、解調(diào)器、低通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器和DSP。收發(fā)器和集成的片上天線亦可被集成用于需要根據(jù)本發(fā)明的多個系統(tǒng)之間或根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和位于遠程的系統(tǒng)之間的通信的應(yīng)用。這樣，本發(fā)明可將SCS基傳感器微結(jié)構(gòu)與CMOS電子器件集成在單個芯片上。先前工作已將電子器件與由多晶硅或其它多晶薄膜材料制成的傳感器微結(jié)構(gòu)集成。
包括傳感器系統(tǒng)的單晶基微結(jié)構(gòu)優(yōu)選地全部使用SCS膜層來制成，除了z軸感測的一個披露的實施例，其包括z軸順從的彈簧。因此，檢驗質(zhì)量由SCS制成，并且可有利地比如Lemkin的多晶硅基微結(jié)構(gòu)大得多。薄膜多晶硅過程中的固有殘余應(yīng)力限制多晶硅檢驗質(zhì)量的面積和厚度以避免由檢驗質(zhì)量的卷曲或翹曲導(dǎo)致的裝置降級或故障。因此，本發(fā)明所提供的較大檢驗質(zhì)量產(chǎn)生了對應(yīng)的較大慣性，其導(dǎo)致高得多的靈敏度并使能較高的分辨率。另外，使用SCS基微結(jié)構(gòu)提供了優(yōu)于其它情況下類似多晶硅微結(jié)構(gòu)的改善的魯棒性和溫度性能。
在優(yōu)選的3軸加速度計實施例中，分離的梳指組被提供用于x、y和z軸加速度感測。本發(fā)明亦披露了一種用于加速度感測的新型且改進的梳指設(shè)計。在一個優(yōu)選實施例中，梳指具有在單晶硅(SCS)膜層頂部上的金屬/電介質(zhì)復(fù)合薄膜層(“CMOS層”)。SCS層優(yōu)選地具有與梳指的接合處(或固定件(anchor)))相鄰的切口(cut)，從而導(dǎo)致在每個梳指下的SCS層與該SCS的其余部分電隔離，并且結(jié)果使梳指彼此電隔離。在一個實施例中，SCS層被用作有源電極。
由于SCS膜層(例如60μm厚)比設(shè)置在其上的CMOS層(＜5μm)厚得多，所得到的梳指有大得多的感測電容。另外，所述微結(jié)構(gòu)的寄生電容很小，這是因為在基于SCS膜的結(jié)構(gòu)下沒有硅基板。因此，信噪比基本上得以改善。
接口和傳感器信號調(diào)節(jié)電路可設(shè)置在檢驗質(zhì)量的頂部上。將接口和信號調(diào)節(jié)電路設(shè)置在檢驗質(zhì)量上可顯著減小芯片尺寸，其可減小單片傳感器的成本。所述裝置可通過后CMOS微機械加工過程來制造，其僅利用干刻蝕，并且沒有額外的掩模，材料沉積或晶片接合。1μg/Hz1/2的噪聲基底(noisefloor)通常可以以2mm乘2mm的裝置來提供。更低的噪聲底層亦可以以較大的檢驗質(zhì)量大小和低噪接口電路來實現(xiàn)。
單片單晶基傳感器可使用深反應(yīng)性離子刻蝕(DRIE)CMOS-MEMS過程來形成，所述過程可遵循標(biāo)準(zhǔn)的CMOS處理來實施，在此期間接口和信號調(diào)節(jié)電路亦可形成在芯片上。DRIE過程被描述于Xie等的論文中，題為“Post-CMOS Processing for High Aspect-Ratio Integrated SiliconMicrostructures”，Journal of Microelectromechanical Syetems，Vol.11，No.2，2002年4月，以及Fedder等的美國專利No.6,458,615中，題為“Method ofFabricating Micromachined Structures and Devices formed Therefrom”，兩者在此均全部引入本申請作為參考。然而，本發(fā)明決不局限于使用DRIECMOS-MEMS過程來形成。
使用DRIE CMOS-MEMS過程的根據(jù)本發(fā)明的示例性過程流程連同中間結(jié)構(gòu)和所得到的示例性加速度計裝置分別在圖1(A)-1(C)和圖1(D)中示出。CMOS晶片從其背側(cè)被刻蝕，如圖1(A)所示在標(biāo)記為微結(jié)構(gòu)區(qū)160的區(qū)域中留下10到100μm厚的單晶硅(SCS)膜層110。微結(jié)構(gòu)區(qū)160是將形成包括傳感器微結(jié)構(gòu)的傳感器的地方。具有一個或多個CMOS裝置125，如信號調(diào)節(jié)電子器件的標(biāo)記CMOS區(qū)120的區(qū)域中的Si厚度保持晶片起始材料的Si厚度，典型地至少大約500μm。三個金屬層在圖1(A)中示出，即150、140和130，通過電絕緣層，如二氧化硅135而彼此分離并且與其它導(dǎo)電區(qū)分離。
CMOS區(qū)125可包括接口電路，如前置放大器、解調(diào)器、低通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器和DSP，其可通信地連接到(例如金屬跡線)在微結(jié)構(gòu)區(qū)180中提供的傳感器。在一個優(yōu)選實施例中，CMOS區(qū)125亦包括收發(fā)器和集成的片上天線，從而允許從加速度計到一個或多個遠距離地點的傳感器數(shù)據(jù)的無線傳輸。
任選的多晶硅基區(qū)域170被示出包括在微結(jié)構(gòu)區(qū)160內(nèi)。區(qū)域170包括金屬層130和多晶硅層155。多晶硅層155典型地僅大約0.2μm厚，比典型的氧化物層(1μm)和典型的金屬層(0.5μm)薄。
接下來使用區(qū)域125和160中的頂部金屬層作為刻蝕掩模從前側(cè)執(zhí)行各向異性電介質(zhì)刻蝕，并且得到圖1(B)所示的結(jié)構(gòu)。然后，與其它過程相對照，各向異性而不是各向同性硅刻蝕被用于刻蝕SCS膜110的部分并釋放微結(jié)構(gòu)155和170以產(chǎn)生圖1(C)所示的結(jié)構(gòu)。厚且硬的單晶層110保持在整個微結(jié)構(gòu)之下，從而得到相對平坦的釋放結(jié)構(gòu)，特別是當(dāng)與多層薄膜CMOS-MEMS結(jié)構(gòu)相比時。
如在此所使用的，應(yīng)用于微結(jié)構(gòu)的術(shù)語“釋放”或術(shù)語“使自由”指的是可在一個、兩個或甚至三個方向上移動的微結(jié)構(gòu)部分。如以上所述的釋放是通過首先在犧牲層，如硅層的頂部上形成微結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。在去除犧牲層之后，微結(jié)構(gòu)可自由移動。盡管未示出，所述微結(jié)構(gòu)在一個或多個固定點被固定于基板。
任選的各向同性定時Si刻蝕步驟可被用于下切包括區(qū)域160中的結(jié)構(gòu)的硅，從而產(chǎn)生z-順從的結(jié)構(gòu)。如圖1(D)所示，包括多晶硅層155的結(jié)構(gòu)175使Si被總體下切(去除)。硅下切是小的(＜1μm)以使CMOS區(qū)120中的硅將保持，如在圖1(D)中所示的微結(jié)構(gòu)185之下的SCS膜110那樣。該步驟既提供了z-順從的結(jié)構(gòu)并且也實現(xiàn)了包括微結(jié)構(gòu)的相應(yīng)感測部件之間的SCS膜110的電隔離。
根據(jù)本發(fā)明的各種梳的設(shè)計可被用于實現(xiàn)同一芯片上的至少三個梳組以提供兩個橫軸(x，y)以及豎直(z軸)上的基于電容的加速度感測，由此提供完整的全三軸感測。橫軸和z軸電容性梳指感測的原理首先在圖2(A)和2(B)中分別示出的橫截面視圖中說明。SCS層可以僅僅是圖2(A)和2(B)中所示的機械支持層，或者是圖2(C)和2(D)中所示支持和有源電極層二者。僅作為機械支持的SCS層在該實施例中，包括每個指的SCS膜層212與設(shè)置在膜層212頂部上的金屬/電介質(zhì)堆疊213電隔離。如果定子205和轉(zhuǎn)子210上的相應(yīng)金屬層206、207和208被分別電連接，如圖2(A)所示，則CMOS梳狀驅(qū)動起到類似于常規(guī)橫軸多晶硅梳狀驅(qū)動的作用。如果定子上的全部三個金屬層206-208被電連接，而轉(zhuǎn)子210上的金屬層206和208被單獨連接，如圖2(B)所示，兩個側(cè)壁電容器C1和C2將基于轉(zhuǎn)子210的豎直(z軸)運動在相反的方向上改變值。由于高的接線靈活性，全差動電容性橋可容易地形成。由于針對圖1(D)示出和描述的單晶硅下切，圖2(A)和(B)中所示的全部梳指具有“T”形橫截面。
作為有源電極的SCS膜層(圖2(C)和2(D))在該實施例中，包括每個指的SCS膜層242可電連接于頂部金屬/電介質(zhì)堆疊243，如圖2(C)所示，用于橫軸加速度感測。這類似于圖2(A)和2(B)中所示的情況，其中SCS膜層212僅提供機械支持。對于z軸加速度感測，定子指上的SCS膜層252被示出電連接于相應(yīng)的頂部金屬/電介質(zhì)堆疊253上，而轉(zhuǎn)子指262上的SCS層被示出與頂部金屬/電介質(zhì)堆疊263電隔離。類似于圖2(B)，包括電容器C1和C2的差動電容器對由圖2(C)和2(D)所示的設(shè)計來提供。
圖3(A)和3(B)示出梳指的橫截面視圖，其中單個電極315和兩個分離的電極317和318分別設(shè)置在側(cè)壁邊緣以減小對SCS梁320的寄生電容重疊。寄生效應(yīng)可通過使SCS梁320變窄來進一步減小。SCS梁320的寬度由針對圖1(D)所述的硅下切步驟來控制。SCS梁320不應(yīng)制作得過窄(～2μm)，因為機械魯棒性可變得受損害。初始硅下切可被用于進一步減小重疊寄生電容，如在圖3(C)所示的單電極實施例中和在圖3(D)中所示的雙電極實施例中所示的。該初始硅下切應(yīng)在圖1(B)和圖1(C)中所示的步驟之間執(zhí)行。
與常規(guī)加速度計一樣，梳指的運動由彈簧來控制。z軸順從的彈簧410在圖1(A)中示出，其可通過連接具有短桁架(truss)的多個梁并且使用在頂部具有金屬-2或金屬-3的梁來實現(xiàn)。在頂部具有金屬-1的梁在z方向上甚至更順從，但它們具有大的平面外卷曲。窄梁被用在彈簧中以保證硅的完整下切，從而形成z-順從的薄膜結(jié)構(gòu)。具有短桁架的多個梁可增加橫向方向上的硬度以減小交叉-軸靈敏度。
x/y軸彈簧可通過繞中心板425對稱設(shè)置四個子彈簧430來獲得，如圖4(B)所示。彈簧是使用固定件428來緊固的。所示的每個子彈簧由串聯(lián)的矩形閉合的梁組成，其在x和y兩方向上都是撓性的并且被固定于單個點。該x/y軸彈簧設(shè)計的優(yōu)點是x和y方向上的彈簧常數(shù)相等。圖4(C)示出一個x/y彈簧分支430的側(cè)視圖。圖5(B)中所示并且在以下描述的用于z軸加速度計的扭轉(zhuǎn)彈簧是使用具有矩形橫截面的長SCS梁來構(gòu)造的。
根據(jù)本發(fā)明一個實施例的示例性3軸加速度計的拓撲500在圖5(A)示出。用于x軸感測的梳指510形成八個電容器，即四個Ci＝Ci1+Ci2，其中i＝1，2。由于對稱性，Ci對一階的y軸加速度不敏感，這是因為C1和C2形成差動電容性分壓器(differential capacitive divider)，C3和C4也是這樣。這樣，使用四個Ci而獲得全差動電容性橋。由于在用于x-y彈簧545的彈簧梁下有SCS膜，彈簧在z方向上比在x或y方向上硬得多(大約兩個數(shù)量級)，這顯著減小了z軸交叉靈敏度。相同的基本原理適用于y軸感測梳指520所提供的y軸加速度感測。彈簧545由固定件565來固定。
圖5(A)中所示的3軸加速度計上的z軸加速度感測是通過在包括z感測梳指540的結(jié)構(gòu)的中心嵌入z軸加速度計530來獲得的。如圖5(A)所示，z軸加速度計530設(shè)置在剛性框架560內(nèi)。框架560連同加速度計530所提供的z感測結(jié)構(gòu)是用于x-y感測的有效檢驗質(zhì)量。盡管未在圖5(A)中示出，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，用于x-y感測的結(jié)構(gòu)可設(shè)置在所述框架中。在該設(shè)置中，所述框架加上x-y感測結(jié)構(gòu)是用于z感測的有效檢驗質(zhì)量。
z軸加速度計530的懸置優(yōu)選地處于圖4(A)所示的撓曲的形式，其在z方向上是撓性的。同樣，交叉-軸加速度貢獻受到差動電容性拓撲的抑制。應(yīng)指出，z軸加速度計530中的差動電容器優(yōu)選地豎直堆疊(如圖2(B)所示)并且被分成組。
圖5(B)示出中心z軸加速度計的可替換實施例。該z軸加速度計設(shè)計包括SCS扭轉(zhuǎn)梁(彈簧)580、未平衡的檢驗質(zhì)量585和z感測梳指590。在該設(shè)置中，z軸加速度將產(chǎn)生扭矩以使未平衡的檢驗質(zhì)量585傾斜。該傾斜與z軸加速度成比例并且可由圖2(B)所示的相同z軸感測梳指檢測到。該z軸加速度計可直接取代圖5(A)所示的z軸加速度計530而無需改變其它。該實施例的優(yōu)點在于，整個3軸加速度計結(jié)構(gòu)利用了SCS膜，其導(dǎo)致較為魯棒且優(yōu)良的溫度性能。一個缺陷是感測電容對所述傾斜的非線性度。該非線性度可通過采用閉環(huán)控制的力平衡來克服。
本發(fā)明的示例性應(yīng)用如以上所指出的，在本發(fā)明之前，通常需要三個分離的常規(guī)單軸加速度計來監(jiān)視運動，這是因為加速度是矢量量。盡管單軸加速度計典型的是小的，但組裝三個單軸加速度計顯著地增加了封裝尺寸和成本。因此，在此披露的集成3軸加速度計更好地適合于許多加速度計有關(guān)的應(yīng)用，特別是需要小尺寸、低功率、低成本和高分辨率的這樣的應(yīng)用。
在一些應(yīng)用中，單點加速度檢測可能不夠。例如，如果給定應(yīng)用需要同時知道個體的頭、臂和腿的運動，則小尺寸是甚至更加重要的。單片3軸加速度計的緊湊尺寸和低成本由此使根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)對于各種各樣的應(yīng)用具有吸引力。
在一個應(yīng)用中，可通過在頭盔中放置單片3軸加速度計來實時監(jiān)視對足球運動員頭部的沖擊。在如以上指出的優(yōu)選實施例中，基于所述單片3軸加速度計的系統(tǒng)包括無線發(fā)射器和片上信號處理，如在同一單片芯片上，用于將加速度數(shù)據(jù)發(fā)送給一個或多個位于遠程的監(jiān)視站。這樣，當(dāng)所測加速度被感測為處于某個預(yù)定閾值以上時，可向足球運動員警告可能的頭部傷害。所獲得的數(shù)據(jù)亦可幫助教練訓(xùn)練并且?guī)椭^盔制造商制作更好的頭盔來避免頭部傷害。盡管三(3)個常規(guī)加速度計通?？捎糜谠撎囟☉?yīng)用，如以上所指出的，組裝三(3)個單軸加速度計極大地增加了成本和尺寸。
盡管三(3)個常規(guī)加速度計的總尺寸可能適合于足球運動員的頭盔，它對于其它應(yīng)用可能是過大的，如用于嬰兒和老年人的活動監(jiān)視。由于其小尺寸、低功率和無線通信能力，根據(jù)本發(fā)明的基于無線單片3軸加速度計的系統(tǒng)適于佩戴。所記錄的運動數(shù)據(jù)可通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到位于遠程的位置，如基站，或者直接發(fā)送給醫(yī)生辦公室。根據(jù)本發(fā)明的基于單片3軸加速度計的系統(tǒng)的應(yīng)用可包括以下1.用于病人復(fù)原的運動監(jiān)視。
2.用于運動員、嬰兒和老年人的身體活動監(jiān)視。
3.用于識別受傷的大動物的痛源的運動監(jiān)視。
在以上示例性的應(yīng)用中，傳感器必須是可佩戴的。因此，傳感器必須是小的，低功率的和無線的。如以上所指出的，這些所需特征的每個都由根據(jù)本發(fā)明的傳感器來提供。
同一概念可適用于市政基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)視和保護。用于市政基礎(chǔ)設(shè)施，如橋和建筑物的振動監(jiān)視可檢測潛在的機械故障。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可設(shè)置在摩天大樓中。當(dāng)極端事件，如地震、颶風(fēng)或恐怖襲擊發(fā)生時，傳感器網(wǎng)絡(luò)可提供摩天大樓的不同位置處的損壞信息，其可引導(dǎo)建筑物內(nèi)的人逃跑并幫助定位和營救被截留的幸存者。無線傳感器亦可設(shè)置在戰(zhàn)場或森林中以監(jiān)視敵人的活動。石油勘探是另一種潛在的應(yīng)用，其中油源可通過測量現(xiàn)場的沖擊波傳播來識別。在該應(yīng)用中，具有高靈敏度和低功率的振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是很有效且不貴的解決方案。
消費者電子器件和汽車亦是本發(fā)明的應(yīng)用。例如，CD保持器的振動控制，用于碰撞保護的氣囊，以及圖像穩(wěn)定化亦需要小尺寸、低功率和低成本的振動傳感器。
三軸加速度計可與陀螺儀組合用于空間和軍事應(yīng)用的導(dǎo)航控制。便攜式導(dǎo)航單元對于戰(zhàn)場中的戰(zhàn)士精確定位自身是極其有用的，即使是在GPS信號阻塞或不可用時。
實例通過以下實例來進一步說明本發(fā)明。所述實例僅被提供用于說明的目的，而決不應(yīng)理解為對本發(fā)明范圍和內(nèi)容的限制。
實例1結(jié)構(gòu)仿真根據(jù)本發(fā)明一個實施例的單片集成三軸加速度計的結(jié)構(gòu)仿真是使用Nodal Design of Actuators and Sensors(NODAS)軟件來進行的。NODAS是一種用于行為?；姆旨墕卧獛欤⑶沂褂昧薓EMS的節(jié)點仿真[Q.Jing和G.K.Fedder，“A hierarchical circuit-level design methodology formicroelectromechanical systems”，IEEE Transactions on Circuits and SystemsII，Vol.46(1999)，第1309-1315頁]。NODAS由通常內(nèi)建于懸置MEMS設(shè)計中的元件的符號和模型組成，如固定件、梁、板和間隙。如圖2(A)和2(B)所示，DRIE梁的橫截面不是矩形的。DRIE梁具有在硅層頂部上的較寬CMOS層。該不規(guī)則橫截面已被考慮和采用在MODAS庫的DRIE梁模型中。
圖6(A)示出用于x-y加速度計的NODAS模型，包括x/y彈簧610和檢驗質(zhì)量620。板表示檢驗質(zhì)量620。每個x-y彈簧610由一組梁組成。注意，與圖5(A)所示的結(jié)構(gòu)相比，圖6所示的模型被旋轉(zhuǎn)45度。
所獲得的仿真結(jié)果在圖6(B)中繪出。以下的表1列出所仿真的3軸加速度計的設(shè)計參數(shù)。x/y彈簧610的對稱性產(chǎn)生x和y兩軸的相同第一諧振(4.8kHz)。扭轉(zhuǎn)力亦相對于y軸而施加，其產(chǎn)生6.3kHz的扭轉(zhuǎn)模式。由于厚硅層，x/y彈簧的z硬度大得多。沿z軸的15.9kHz諧振從所述仿真獲得。類似的NODAS模型被用于嵌入式z軸加速度計，其中發(fā)現(xiàn)z軸諧振處于4.2kHz。
表1.示例性3軸加速度計的設(shè)計參數(shù)

實例2制造結(jié)果根據(jù)本發(fā)明一個實施例的經(jīng)釋放的示例性單片集成三軸加速度計700在圖7(A)中示出，其包括x感測加速度計710、y軸加速度計720和z軸加速度計730，全部設(shè)置在同一芯片上。x軸加速度計710和y軸加速度計720相同并且被正交地取向，而z加速度計730嵌入在加速度計700的中心。所示的整個微結(jié)構(gòu)的尺寸大約是1mm乘1mm。SCS膜層是大約60μm厚。z彈簧梁740下的硅被完全下切以使z順從最大。x/y彈簧梁750下的硅僅被部分下切以維持整個結(jié)構(gòu)的平坦度。具有小間隙的梳指上的硅下切由于已知的微加載效應(yīng)而顯著減小。
圖7(B)示出x/y彈簧750的顯微圖，而圖7(C)示出y軸加速度計720及其關(guān)聯(lián)的y感測梳指725的顯微圖。圖8示出了一SEM，其示出一側(cè)剝離的示例性梳指800。
應(yīng)理解，盡管已結(jié)合其特定優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，以上描述以及所伴隨的實例旨在說明而不是限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明范圍內(nèi)的其它方面、優(yōu)點和修改對于本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種單片集成3軸加速度計芯片，包括單晶基板，所述單晶基板包括至少一個單晶膜層部分，以及單個傳感器微結(jié)構(gòu)，使用所述膜層形成，所述傳感器微結(jié)構(gòu)電容性地感測全部三個正交軸上的加速度。
2.權(quán)利要求1的加速度計，進一步包括至少一個電子電路，其被形成在所述芯片上，所述電子電路可通信地連接到所述加速度計。
3.權(quán)利要求1的加速度計，其中所述電子電路包括從由以下組成的組中選擇的至少一個前置放大器、解調(diào)器、低通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器和DSP。
4.權(quán)利要求1的加速度計，其中包括所述傳感器微結(jié)構(gòu)的所有部件利用所述膜層。
5.權(quán)利要求1的加速度計，其中所述傳感器微結(jié)構(gòu)包括多個梳指組，所述多個梳指組包括至少一個用于所述三個正交軸的每個上的運動感測的梳指組。
6.權(quán)利要求5的加速度計，其中所述多個梳指組提供用于x感測和y感測兩者的全差動電容性橋。
7.權(quán)利要求1的加速度計，其中所述多個梳指組包括設(shè)置在所述膜層上的金屬/電介質(zhì)復(fù)合薄膜層堆疊。
8.權(quán)利要求7的加速度計，其中所述梳指組的相應(yīng)梳指組之下的所述膜層彼此電隔離。
9.權(quán)利要求1的加速度計，其中所述加速度計包括剛性框架，其設(shè)置在用于x-y感測的結(jié)構(gòu)和用于z感測的結(jié)構(gòu)之間，用于將x-y感測從z-感測去耦。
10.權(quán)利要求9的加速度計，其中用于z-感測的所述結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述剛性框架內(nèi)，其中所述框架連同所述z-感測結(jié)構(gòu)是用于x-y感測的所述結(jié)構(gòu)的有效檢驗質(zhì)量。
11.權(quán)利要求9的加速度計，其中用于x-y感測的所述結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述框架內(nèi)，其中所述框架加上所述x-y感測結(jié)構(gòu)是用于所述z-感測結(jié)構(gòu)的有效檢驗質(zhì)量。
12.權(quán)利要求1的加速度計，其中所述加速度計包括用于所述三個正交軸的至少一個上的差動電容性感測的結(jié)構(gòu)。
13.權(quán)利要求1的加速度計，其中所述加速度計包括用于全部三個所述正交軸上的差動電容性感測的結(jié)構(gòu)。
14.權(quán)利要求12的加速度計，其中所述用于差動電容性感測的結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在兩個定子之間的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子和所述定子由設(shè)置在所述膜層上的金屬/電介質(zhì)堆疊形成。
15.權(quán)利要求14的加速度計，其中所述金屬/電介質(zhì)堆疊部分中的所述金屬與所述膜層電隔離。
16.權(quán)利要求14的加速度計，其中所述金屬/電介質(zhì)堆疊中的所述金屬電連接到所述膜層，所述膜層包括用于差動電容性感測的所述結(jié)構(gòu)的電極。
17.權(quán)利要求14的加速度計，其中所述金屬/電介質(zhì)堆疊中的所述金屬設(shè)置在所述金屬/電介質(zhì)堆疊的側(cè)壁中。
18.權(quán)利要求14的加速度計，其中所述膜層的橫截面面積小于所述金屬/電介質(zhì)堆疊的橫截面面積。
19.權(quán)利要求18的加速度計，其中接近于與所述金屬/電介質(zhì)堆疊的接口的所述膜層的橫截面面積小于所述膜層的標(biāo)稱橫截面面積。
20.權(quán)利要求1的加速度計，其中所述膜層小于100μm厚。
全文摘要
一種單片集成三軸加速度計芯片，包括單晶基板，該基板包括至少一個單晶膜層部分。由單晶膜形成的單個傳感器微結(jié)構(gòu)感測全部三個正交方向的每個上的加速度。至少一個電子電路亦可設(shè)置在該芯片上，如用于驅(qū)動、檢測、控制和信號處理的電路。
文檔編號G01P15/125GK101069099SQ200480005010
公開日2007年11月7日 申請日期2004年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月24日
發(fā)明者謝會開, 加里·K·費德, 潘志宇, 威廉·弗雷 申請人:佛羅里達大學(xué)