具有垂直于基底平面沿逆相方向移動的檢測質(zhì)量塊的mems加速計的制作方法
【專利說明】具有垂直于基底平面沿逆相方向移動的檢測質(zhì)量塊的 MEMS加速計 相關(guān)申請的交叉引用
[0001] 本申請根據(jù)美國法典第35卷第119條第（e)款要求于2013年12月23日提 交的、題目為"具有垂直于基底平面沿逆相方向移動的檢測質(zhì)量塊的MEMS加速計（MEMS ACCELEROMETER WITH PROOF MASSES MOVING IN ANTI-PHASE DIRECTION NORMAL TO THE PLANE OF THE SUBSTRATE)"的美國臨時專利申請?zhí)?1/920, 246的權(quán)益，該申請的內(nèi)容通過 引用以其全部內(nèi)容結(jié)合在此。 發(fā)明領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明總體上涉及慣性傳感器并且更具體地涉及MEMS加速計。 背景
[0003] 慣性傳感器例如加速計被廣泛用于運動感測應(yīng)用。常規(guī)地，加速計是由一個懸掛 的檢測質(zhì)量塊以及用于測量該檢測質(zhì)量塊相對于參考系的位移的一個器件組成?？偸切枰?在用于商業(yè)應(yīng)用的加速計的性能和可靠性方面提供改進。典型地，性能是由該傳感器的機 械和電敏感性所決定的并且可靠性是由（除了許多其他參數(shù)之外）為了在該結(jié)構(gòu)的移動部 件與其他固定或移動部件偶然發(fā)生接觸的情況下松開這些移動部件所需要的破出力所決 定的。
[0004] 因此需要一種提供此類慣性傳感器的系統(tǒng)和方法。該方法和系統(tǒng)應(yīng)是容易實施 的、成本有效且可適應(yīng)現(xiàn)有環(huán)境的。本發(fā)明解決了以上提出的問題。 概述
[0005] 披露了一種傳感器。在第一方面，該傳感器包括一個基底和至少兩個檢測質(zhì)量塊。 該傳感器還包括在該至少兩個檢測質(zhì)量塊與該基底之間的一個柔性聯(lián)接器。該至少兩個聯(lián) 接的檢測質(zhì)量塊響應(yīng)于加速度而垂直于基底平面沿逆相方向進行移動。
[0006] 在第二方面，組合式加速計與磁力計包括一個基底和至少兩個檢測質(zhì)量塊。該組 合式加速計與磁力計還包括在這兩個檢測質(zhì)量塊與該基底之間的一個柔性聯(lián)接器。這些檢 測質(zhì)量塊響應(yīng)于加速度垂直于基底平面沿逆相方向進行移動。該組合式加速計與磁力計還 包括一種磁性材料，該磁性材料致使該組合式加速計與磁力計響應(yīng)于一個磁場繞第一軸線 進行旋轉(zhuǎn)?？梢苑珠_地感測加速度和磁場，因為它們具有兩種不同的感測模式，分別是這些 檢測質(zhì)量塊的逆相移動以及繞這些檢測質(zhì)量塊的第一軸線的傾斜。例如，該組合式加速計 與磁力計的多個輸出可以是通過使得換能器構(gòu)型變換來感測區(qū)分加速度和磁場所賦予的 輸出來測量的。 附圖簡要說明
[0007] 圖1示出了響應(yīng)于Z方向上的線性加速度的一個加速計。
[0008] 圖2示出了根據(jù)一個實施例的一個單一錨桿加速計。
[0009] 圖3示出了根據(jù)一個實施例的一個單一杠桿單一錨桿加速計。
[0010] 圖4示出了根據(jù)一個實施例的一個替代的單一杠桿加速計。
[0011] 圖5a示出了根據(jù)一個實施例的傳感器的構(gòu)型，該構(gòu)型是一個電容性惠思通電橋。
[0012] 圖5b示出了根據(jù)一個實施例的用于在如圖所示的惠思通電橋構(gòu)型中感測加速度 的一個構(gòu)型。
[0013] 圖5c示出了根據(jù)一個實施例的用于在如所示的惠思通電橋構(gòu)型中感測磁場的一 個構(gòu)型。
[0014] 圖6示出了根據(jù)一個實施例的一個加速計，其中是在旋轉(zhuǎn)杠桿上而不是檢測質(zhì)量 塊上進行電容讀出。
[0015] 圖7示出了根據(jù)一個實施例的包括這些去傾斜板片的加速計。
[0016] 圖8示出了根據(jù)一個實施例的組合式加速計與磁力計傳感器。
[0017] 圖9至圖12示出了傳感器的多個實施例，該傳感器包括作為其一部分的一個蓋 子。 詳細(xì)說明
[0018] 本發(fā)明總體上涉及慣性傳感器并且更具體地涉及MEMS加速計。下面的說明是為 了使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明而提出的，并且是在專利申請及專利申請 的要求的背景下提供的。對優(yōu)選的實施例的不同修改和在此描述的類似原理及特征對已經(jīng) 本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是顯而易見。因此，本發(fā)明不旨在受限于所示出的實施例而是旨在符 合與本文如下的描述的原理和特征相一致的最廣泛的范圍。
[0019] 在這些所描述的實施例中，微電子機械系統(tǒng)（MEMS)是指通過使用類似半導(dǎo)體的 工藝而制成的并且展現(xiàn)出例如能夠移動或變形等機械特性的一類結(jié)構(gòu)或器件。MEMS器件通 常但不總是與電信號進行交互。MEMS器件包括但不限于陀螺儀、加速計、磁力計、壓力傳感 器、話筒以及射頻部件。包含MEMS結(jié)構(gòu)的硅晶片被稱為MEMS晶片。
[0020] 在所描述的實施例中，MEMS器件可以指代作為微電子機械系統(tǒng)來實施的一個半導(dǎo) 體裝置。MEMS結(jié)構(gòu)可以指代任何可以是較大的MEMS器件的一部分的特征。具有機械活性 的MEMS結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層被稱為器件層。工程化絕緣體上硅（ESOI)晶片可以指代在硅器件 層或基底下方具有多個空腔的一種SOI晶片。操作晶片典型地指代用作載體的一個較厚基 底，該載體用于絕緣體上硅晶片中的較薄硅器件基底?？梢詫⒉僮骰缀筒僮骶M行互 換。
[0021] 在所描述的實施例中，空腔可以指代基底晶片中的一個開口或凹陷并且包殼可以 指代一個完全封閉的空間。柱可以是MEMS器件的空腔中用于進行機械支撐的豎直結(jié)構(gòu)。支 座是提供電接觸的一個豎直結(jié)構(gòu)。
[0022] 在所描述的實施例中，MEMS器件內(nèi)在受力時進行移動的一個剛性結(jié)構(gòu)可以稱為 板。雖然剛性板對于所描述的實施例是優(yōu)選的，但是半剛性板或可變形薄膜可以代替剛性 板。板可以包括硅、含硅材料（例如，多晶硅、氧化硅、氮化硅）、金屬以及用于半導(dǎo)體工藝中 的材料（例如，氮化鋁、鍺）。背板可以是包括至少一個電極的實心板或穿孔板。該電極可 以包括適于半導(dǎo)體工藝的導(dǎo)電材料（例如，多晶硅、硅、鋁、銅、鎳、鈦、鉻、金）。這些電極可 以在一個或多個表面上具有絕緣膜。
[0023] 圖1示出了響應(yīng)于Z方向上的線性加速度的一個加速計100的頂視圖和側(cè)視圖。 加速計100包括兩個檢測質(zhì)量塊PMl 102B和PM2 102A，這兩個檢測質(zhì)量塊通過在垂直于 基底106平面的逆相方向上進行移動而對Z方向上的線性加速度作出響應(yīng)。該逆相移動 是受到這兩個檢測質(zhì)量塊PMl 102B和PM2 102A與基底106之間的柔性聯(lián)接器所約束的。 該柔性聯(lián)接器包括兩個分開的錨桿Al IlOA和A2 110B、兩個中央扭轉(zhuǎn)彈簧B