微機(jī)械結(jié)構(gòu)、尤其是傳感器裝置和對(duì)應(yīng)的運(yùn)行方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微機(jī)械結(jié)構(gòu)、尤其是傳感器裝置和一種對(duì)應(yīng)的運(yùn)行方法。所述微機(jī)械結(jié)構(gòu)、尤其是傳感器裝置包括至少一個(gè)微機(jī)械的功能層(100,101)；設(shè)置在所述至少一個(gè)微機(jī)械的功能層(100,101)下方的、具有至少一個(gè)可配置的電路裝置(PS)的CMOS襯底區(qū)域(700")；設(shè)置在所述至少一個(gè)微機(jī)械的功能層(100,101)和所述CMOS襯底區(qū)域(700")之間并且電連接到所述微機(jī)械的功能層(100,101)和所述電路裝置(PS)上的一個(gè)或多個(gè)接觸元件(30,30',30")的裝置。所述可配置的電路裝置(PS)被設(shè)計(jì)為，使得所述一個(gè)或多個(gè)接觸元件(30、30',30")可選擇性地與CMOS襯底區(qū)域(700")中的電連接線路(L1,L2,L3)連接。
【專利說明】微機(jī)械結(jié)構(gòu)、尤其是傳感器裝置和對(duì)應(yīng)的運(yùn)行方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微機(jī)械結(jié)構(gòu)、尤其是一種微機(jī)械的傳感器裝置和一種對(duì)應(yīng)的運(yùn)行方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微機(jī)械的(或MEMS)結(jié)構(gòu)、尤其是傳感器裝置——例如慣性傳感器——現(xiàn)今或者作為自身芯片上的離散傳感器或者作為集成傳感器與所屬的分析電路一起制造。在集成傳感器的情況下，或者有垂直集成——其中傳感器設(shè)置在分析電路上方，或者有水平集成——其中傳感器設(shè)置在分析電路旁。
[0003]由DE 11 2006 000 131 T5公開了一種微機(jī)械結(jié)構(gòu)用于構(gòu)造集成的空間光調(diào)制器，其中該微機(jī)械結(jié)構(gòu)被直接構(gòu)建在CMOS分析電路上。電極和其布線在制造工藝中被確定，其中MEMS部件中的電極借助覆鍍通孔與CMOS晶片中的電路部件連接。
[0004]由于在制造工藝中電極配置的確定，不能很靈活地將該制造工藝朝著每個(gè)芯片的個(gè)性或其運(yùn)行情況優(yōu)化。每個(gè)芯片的個(gè)性由工藝公差——例如晶片中心和其邊緣區(qū)域之間的層厚差異一以及局部工藝公差一例如芯片內(nèi)相鄰結(jié)構(gòu)的不同寬度一產(chǎn)生。除了這種幾何形狀因素之外，也還有其他的影響因素，例如表面電荷。運(yùn)行狀況例如可以通過溫度影響或老化而改變，這同樣僅僅通過電壓匹配來部分地得到補(bǔ)償。
[0005]在已知的制造工藝中不能夠在事后改變電極的位置、幾何形狀和任務(wù)。只能將所施加的電壓與工藝公差匹配。由此可能存在不必要的、代表一個(gè)死區(qū)的電極，或者電極可能對(duì)于所提供的電壓電平過小或過大，或者電極可能位于非最佳的位置上。
[0006]圖2a、b是示例性的微機(jī)械結(jié)構(gòu)、尤其是傳感器裝置的示意性圖示，而且圖2a是俯視圖，圖2b是沿著圖2a中的線A-A’的垂直橫截面。
[0007]在圖2a、b中，參考標(biāo)記I表示以加速度傳感器的形式的微機(jī)械結(jié)構(gòu)。微機(jī)械結(jié)構(gòu)I在例如由多晶硅制成的微機(jī)械的功能平面100內(nèi)具有可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7，所述可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件通過功能平面100中的彈簧元件2、接觸平面300中的電接觸元件3錨定在例如由氧化物制成的絕緣層600上的印制導(dǎo)線平面500中的印制導(dǎo)線5上，并且此外又錨定在襯底700——例如晶片襯底上。通過印制導(dǎo)線5和接觸電極/電極3，電勢可以施加在可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7上。
[0008]功能平面100中的不可運(yùn)動(dòng)的、同樣通過接觸平面300中的電接觸元件3錨定在襯底700上的印制導(dǎo)線平面500中的印制導(dǎo)線5上的MEMS定子元件4作為通過梳狀結(jié)構(gòu)K與可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7電容式耦合的反電極位于可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7對(duì)面。通過印制導(dǎo)線5和接觸元件3，電勢可以施加在MEMS定子元件7上。
[0009]在可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7的間隙Z內(nèi)的功能平面100中的其他不可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7a通過接觸元件3a與印制導(dǎo)線5連接并且如上面所述錨定在襯底700上。通過印制導(dǎo)線5和接觸元件3a，電勢可以施加在不可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7a上。
[0010]通過如此構(gòu)成的、例如嵌入未示出的犧牲層中的接觸元件3和3a與導(dǎo)向同樣未示出的電勢連接端的印制導(dǎo)線5，不可改變地定義電極連接。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)一種根據(jù)權(quán)利要求1的微機(jī)械結(jié)構(gòu)、尤其是傳感器裝置和根據(jù)權(quán)利要求9的對(duì)應(yīng)的運(yùn)行方法。
[0012]優(yōu)選的改進(jìn)方案是從屬權(quán)利要求的主題。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明所基于的思想在于，實(shí)現(xiàn)一種具有多個(gè)可以被構(gòu)造為電極的接觸元件的微機(jī)械結(jié)構(gòu)、尤其是傳感器裝置，所述接觸元件例如是小尺寸的手指電極或電柱，和/或例如通過襯底電極和覆蓋電極包圍所述微機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中這些電極的全部或部分可以單獨(dú)與CMOS襯底區(qū)域接觸并且通過對(duì)電路裝置、例如門陣列的事后的編程才可以在CMOS晶片中可變地配置這些電極的最終布線，如在FPGA中那樣。
[0014]通過電極的對(duì)于各個(gè)芯片如此定制的布線，最佳地使用芯片面。不需要的補(bǔ)償電極可以被刪去或被用于其他功能。由此能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步的微型化并且由此帶來在保持效率的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)成本節(jié)省。
[0015]此外，可以根據(jù)本發(fā)明的運(yùn)行方法將電極配置與相應(yīng)運(yùn)行狀態(tài)匹配，即補(bǔ)償例如溫度和/或老化影響或類似的。
[0016]與已知的電極配置相反，可以以小的電壓電平運(yùn)轉(zhuǎn)并且替代地可以匹配所接入的電極的數(shù)目。由此能夠不太復(fù)雜地設(shè)計(jì)產(chǎn)生控制電壓或調(diào)節(jié)電壓的電路部件。
[0017]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，設(shè)置第一微機(jī)械的功能層，所述第一微機(jī)械的功能層具有可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件和(例如可與其電容式耦合的)MEMS定子元件，其中所述接觸元件或電極連接到可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件和MEMS定子元件上。因此能夠靈活地在電勢方面調(diào)整電容式振動(dòng)裝置。
[0018]在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，第一微機(jī)械的功能層具有一個(gè)或多個(gè)不可運(yùn)動(dòng)的第一 MEMS元件，其中所述可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件具有一個(gè)或多個(gè)間隙，在所述間隙內(nèi)設(shè)置所述一個(gè)或多個(gè)不可運(yùn)動(dòng)的第一 MEMS元件并且其中所述一個(gè)或多個(gè)不可運(yùn)動(dòng)的第一 MEMS元件分別連接到接觸元件上。因此可以節(jié)省空間地實(shí)現(xiàn)其他可靈活地在電勢方面被調(diào)整的電極。
[0019]在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，設(shè)置第二微機(jī)械的功能層，所述第二微機(jī)械的功能層設(shè)置在第一微機(jī)械的功能層下方，其中所述第二微機(jī)械的功能層具有一個(gè)或多個(gè)不可運(yùn)動(dòng)的第二 MEMS元件并且其中所述一個(gè)或多個(gè)不可運(yùn)動(dòng)的第二 MEMS元件分別連接到接觸元件上。因此能夠節(jié)省空間地實(shí)現(xiàn)其他電極平面。
[0020]在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述一個(gè)或多個(gè)不可運(yùn)動(dòng)的第二 MEMS元件與可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件有間隔地設(shè)置在所述可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件下方。這實(shí)現(xiàn)靈活地在電勢方面調(diào)整電容式振動(dòng)裝置的另一可能性。
[0021]在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，在CMOS襯底區(qū)域和所述至少一個(gè)微機(jī)械的功能層之間設(shè)置襯底覆鍍通孔區(qū)域，在所述覆鍍通孔區(qū)域上方設(shè)置第一導(dǎo)電連接區(qū)域，接觸元件連接到所述第一導(dǎo)電連接區(qū)域上，其中第二導(dǎo)電連接區(qū)域被引導(dǎo)通過襯底覆鍍通孔區(qū)域，所述第二導(dǎo)電連接區(qū)域連接到所述電路裝置上以及第一導(dǎo)電連接區(qū)域上。因此能夠建立微機(jī)械的功能層和CMOS襯底區(qū)域之間的魯棒的電連接。[0022]在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述電路裝置具有可通過控制連接端編程的門陣列。因此能夠例如通過總線連接端實(shí)現(xiàn)簡單和快速的編程。
[0023]在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述微機(jī)械結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為加速度傳感器。恰恰在這類傳感器中期待精確靈活的電勢調(diào)整。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]隨后根據(jù)附圖的示意性圖中說明的實(shí)施例詳細(xì)解釋本發(fā)明。
[0025]圖1a-C示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的微機(jī)械結(jié)構(gòu)、尤其是傳感器裝置的示意性圖示，而且圖1a示出俯視圖，圖1b示出沿著圖1a中的線A-A’的垂直橫截面并且圖1c示出沿著圖1a的線B-B’的垂直橫截面；以及
圖2a、b示出示例性的微機(jī)械結(jié)構(gòu)、尤其是傳感器裝置的示意性圖示，而且圖2a示出俯視圖并且圖2b示出沿著圖2a中的線A-A’的垂直橫截面。
【具體實(shí)施方式】
[0026]圖1a-C是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的微機(jī)械結(jié)構(gòu)、尤其是傳感器裝置的示意性圖示，而且圖1a示出俯視圖，圖1b示出沿著圖1a中的線A-A’的垂直橫截面并且圖1c示出沿著圖1a中的線B-B’的垂直橫截面。
[0027]在圖1a-C中，參考標(biāo)記I’表示以加速度傳感器的形式的微機(jī)械結(jié)構(gòu)。微機(jī)械結(jié)構(gòu)I’具有例如由多晶硅制成的微機(jī)械的功能平面100內(nèi)的可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7’，所述可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7’通過功能平面100中的彈簧元件2’和接觸平面300中的可以被構(gòu)造為電極30的可重新配置的電接觸元件30錨定在襯底700’、700〃上。在此，該襯底包括下面的CMOS襯底區(qū)域700〃和上面的襯底覆鍍通孔區(qū)域700’。
[0028]通過可重新配置的接觸元件30，可變的電勢可以施加在可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7’上。
[0029]功能平面100中的不可運(yùn)動(dòng)的、同樣通過接觸平面300中的電接觸元件30錨定在襯底700’、700〃上的MEMS定子元件4’作為通過梳狀結(jié)構(gòu)K’與可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7’電容式耦合的反電極位于可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7’對(duì)面。MEMS定子元件4’同樣通過接觸平面300中的可重新配置的電接觸元件30錨定在襯底700’、700〃上。
[0030]通過可重新配置的接觸元件30，可變的電勢可以施加在MEMS定子元件4’上。[0031 ] 在可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7’的間隙Z’內(nèi)的功能平面100中的其他不可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7a’通過類似的可重新配置的接觸元件30’或電極30〃錨定在襯底700’、700〃上。
[0032]通過可重新配置的接觸元件30’，可變的電勢可以施加在可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7’的間隙Z內(nèi)的其他不可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7a’上。
[0033]在可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7’下方的位于更深的功能平面101中的其他不可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7a〃通過位于更深的接觸平面300a中的類似的可重新配置的接觸元件30〃或電極30"錨定在襯底700，、700"上。
[0034]其他不可運(yùn)動(dòng)的元件也能夠直接在平面500’中實(shí)現(xiàn)，即在刪去平面101和300a的情況下。
[0035]通過可重新配置的接觸元件30"，可變的電勢可以施加在可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7’下方的位于更深的功能平面101中的其他不可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7a〃上。[0036]以下參考附圖lb、c詳細(xì)解釋可重新配置的接觸元件30、30’、30〃或可重新配置的電極 30、30’、30"。
[0037]如由圖1b可看出的，可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7’和MEMS定子元件4’通過可重新配置的接觸元件30并且通過位于所述可重新配置的接觸元件下方的導(dǎo)電區(qū)域500’、500〃與CMOS襯底區(qū)域700"中的電路裝置PS連接。
[0038]如由圖1c可看出的，在可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7’的間隙Z’內(nèi)的功能平面100中的其他不可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7a’通過類似的可重新配置的接觸元件30’并且通過位于所述可重新配置的接觸元件30’下方的導(dǎo)電區(qū)域500’、500〃與CMOS襯底區(qū)域700〃中的電路裝置PS連接。
[0039]如同樣由圖1c中可看出的，在可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7’下方的位于更深的功能平面101中的其他不可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件7a〃通過類似的可重新配置的接觸元件30〃并且通過位于所述可重新配置的接觸元件30〃下方的第一和第二導(dǎo)電區(qū)域500’、500〃與CMOS襯底區(qū)域700"中的電路裝置PS連接。
[0040]可重新配置的接觸元件30、30’、30〃尤其被引導(dǎo)到第一導(dǎo)電連接區(qū)域500’上，所述第一導(dǎo)電連接區(qū)域施加在絕緣層600——例如氧化物上，所述絕緣層位于襯底覆鍍通孔區(qū)域700，上。
[0041 ] 平面的第一導(dǎo)電連接區(qū)域500’通過塞子狀的第二導(dǎo)電連接區(qū)域500〃連接到設(shè)置在CMOS襯底區(qū)域700〃中的電路裝置PS上，所述第二導(dǎo)電連接區(qū)域被引導(dǎo)通過絕緣層600和襯底覆鍍通孔區(qū)域700’。
[0042]電路裝置PS使得能夠通過控制連接端S—例如總線連接端一將可重新配置的接觸元件30、30’、30〃選擇性地連接到內(nèi)部的CMOS印制導(dǎo)線L1、L2、L3上，并且因此可被自由配置或可被自由連接到預(yù)先給定的電勢上。
[0043]因此，通過可自由配置的接觸元件30、30’、50，可以將微機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同元件4’、7’、7a’、7a〃可自由配置地連接到預(yù)先給定的電勢上。
[0044]盡管先前已經(jīng)根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例完整地描述了本發(fā)明，但本發(fā)明并不限制于此，而是可以通過多種方式被修改。
[0045]本發(fā)明尤其不限制于示例性說明的傳感器。
【權(quán)利要求】
1.微機(jī)械結(jié)構(gòu)、尤其是傳感器裝置，具有: 至少一個(gè)微機(jī)械的功能層(100，101)； 設(shè)置在所述至少一個(gè)微機(jī)械的功能層(100，101)下方的、具有至少一個(gè)可配置的電路裝置(PS)的CMOS襯底區(qū)域(700")； 設(shè)置在所述至少一個(gè)微機(jī)械的功能層(100，101)和所述CMOS襯底區(qū)域(700〃)之間并且電連接到所述微機(jī)械的功能層(100，101)和所述電路裝置(PS)上的一個(gè)或多個(gè)接觸元件(30，30，，30")的裝置， 其中，所述可配置的電路裝置(PS)被設(shè)計(jì)為，使得所述一個(gè)或多個(gè)接觸元件(30, 30’，30")可選擇性地與所述CMOS襯底區(qū)域(700〃)中的電連接線路(LI，L2, L3)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械結(jié)構(gòu)、尤其是傳感器裝置，其中設(shè)置所述第一微機(jī)械的功能層(100)，所述第一微機(jī)械的功能層具有可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件(7’)和MEMS定子元件(4’)，并且其中接觸元件(30)連接到所述可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件(7’)和/或所述MEMS定子元件(4’)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微機(jī)械結(jié)構(gòu)、尤其是傳感器裝置，其中所述第一微機(jī)械的功能層(100)具有一個(gè)或多個(gè)不可運(yùn)動(dòng)的第一 MEMS元件(7a’)，其中所述可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件(7’)具有一個(gè)或多個(gè)間隙(Z)，在所述一個(gè)或多個(gè)間隙內(nèi)設(shè)置所述一個(gè)或多個(gè)不可運(yùn)動(dòng)的第一 MEMS元件(7a’)并且其中所述一個(gè)或多個(gè)不可運(yùn)動(dòng)的第一 MEMS元件(7a’)分別連接到接觸元件(30’)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3之一所述的微機(jī)械結(jié)構(gòu)、尤其是傳感器裝置，其中設(shè)置第二微機(jī)械的功能層(101)，所述第二微機(jī)械的功能層設(shè)置在所述第一微機(jī)械的功能層(100)下方，其中所述第二微機(jī)械的功能層(101)具有一個(gè)或多個(gè)不可運(yùn)動(dòng)的第二 MEMS元件(7a’)并且其中所述一個(gè)或多個(gè)不可運(yùn)動(dòng)的第二 MEMS元件(7a〃)分別連接到接觸元件(30〃)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，尤其是傳感器裝置，其中所述一個(gè)或多個(gè)不可運(yùn)動(dòng)的第二MEMS元件(7a〃)與可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件(7’)有間隔地設(shè)置在所述可運(yùn)動(dòng)的MEMS元件(7’)下方。
6.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的微機(jī)械結(jié)構(gòu)、尤其是傳感器裝置，其中在所述CMOS襯底區(qū)域(700〃)和所述至少一個(gè)微機(jī)械的功能層(100，101)之間設(shè)置襯底覆鍍通孔區(qū)域(700’)，在所述覆鍍通孔區(qū)域上方設(shè)置第一導(dǎo)電連接區(qū)域(500’)，所述接觸元件(30，30’，30〃)連接到所述第一導(dǎo)電連接區(qū)域上，以及其中第二導(dǎo)電連接區(qū)域(700〃)被引導(dǎo)通過所述襯底覆鍍通孔區(qū)域(700’)，所述第二導(dǎo)電連接區(qū)域連接到所述電路裝置(PS)上以及所述第一導(dǎo)電連接區(qū)域(500’)上。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，尤其是傳感器裝置，其中所述電路裝置(PS)具有可通過控制連接端(S)編程的門陣列。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的微機(jī)械結(jié)構(gòu)、尤其是傳感器裝置，其被構(gòu)造為加速度傳感器或轉(zhuǎn)速傳感器。
9.用于運(yùn)行根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的微機(jī)械結(jié)構(gòu)、尤其是傳感器裝置的運(yùn)行方法，其中重新編程電路裝置(PS)，以便抵消老化效應(yīng)和/或環(huán)境效應(yīng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的運(yùn)行方法，其中所述環(huán)境效應(yīng)是溫度效應(yīng)。
【文檔編號(hào)】G01P15/08GK103539061SQ201310297234
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月17日
【發(fā)明者】J.克拉森, M.哈塔斯, L.特布杰, D.C.邁澤爾 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司