電容式微機械加速度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及獨立權(quán)利要求1的前序中定義的電容式微機械加速度傳感器。
[0002]本發(fā)明涉及電容式MEMS，微機電系統(tǒng)加速度傳感器。
[0003]公開版本US 7，430，909提供了一種三軸加速度傳感器。在該三軸加速度傳感器的實施例中，提供了微機電(MEMS)加速度傳感器，包括襯底、第一傳感器及第二傳感器。第一傳感器被配置為測量沿著與襯底平面平行的第一軸的加速度。第二傳感器被配置為沿著與襯底平面垂直的軸測量加速度。第二傳感器包括第一梁、第二梁及單獨支承結(jié)構(gòu)。該單獨支承結(jié)構(gòu)相對于襯底支承第一梁和第二梁，其中第一梁和第二梁限定第一傳感器。
[0004]發(fā)明目的
[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種電容式微機械三軸加速度傳感器，該傳感器對于外部壓力及振動具有機械魯棒性，并且具有小的尺寸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的電容式微機械加速度傳感器的特征在于獨立權(quán)利要求1的定義。
[0007]電容式微機械加速度傳感器的優(yōu)選實施例在從屬權(quán)利要求中定義。
[0008]在電容式微機械加速度傳感器中，用于將第一傳感器的轉(zhuǎn)子電極可移動地錨定到襯底上的第一彈簧結(jié)構(gòu)以及用于將第一傳感器的轉(zhuǎn)子電極可移動地錨定到襯底上的第二彈簧結(jié)構(gòu)被放置得彼此盡量遠離。結(jié)果，電容式微機械加速度傳感器對于外部振動具有較強的魯棒性，并且在測量模式和第一寄生模式之間的頻率差被最大化。另外，第一彈簧結(jié)構(gòu)和第二彈簧結(jié)構(gòu)被放置盡量遠離第一傳感器的信號生成轉(zhuǎn)子電極，以將測量模式扭轉(zhuǎn)運動中的轉(zhuǎn)動慣量(moment of inertia)最大化。這樣導(dǎo)致了如下結(jié)果:需要較少的質(zhì)量來獲得第一傳感器的轉(zhuǎn)子電極相對于第一傳感器的定子電極的足夠偏轉(zhuǎn)，并且電容式微機械加速度傳感器對于加速度更加敏感。
[0009]在電容式微機械加速度傳感器中，第一傳感器的轉(zhuǎn)子電極的所有質(zhì)量是信號生成非對稱質(zhì)量。這意味著，第一傳感器的轉(zhuǎn)子電極的質(zhì)量沒有被定位在彈簧軸的另一側(cè)。這種構(gòu)造導(dǎo)致了較小的傳感器區(qū)域，并導(dǎo)致了較便宜的電容式微機械加速度傳感器。
[0010]在電容式微機械加速度傳感器的優(yōu)選實施例中，所有錨(即，轉(zhuǎn)子錨，用于將第一傳感器的轉(zhuǎn)子電極可移動地錨定到襯底；以及定子錨，用于將第一傳感器的定子電極剛性地錨定到襯底)被基本定位在一個且相同的位置上，或者基本上彼此鄰近。這些錨定使得機械力以相同的方式移動第一傳感器的轉(zhuǎn)子電極和第一傳感器的定子電極。當(dāng)轉(zhuǎn)子電極和定子電極之間的相關(guān)位置沒有變化時，傳感器輸出也不發(fā)生變化。因此，來自轉(zhuǎn)子電極和定子電極的共同運動的誤差被最小化。
[0011]在電容式微機械加速度傳感器的優(yōu)選實施例中，用于將轉(zhuǎn)子電極可移動地錨定到襯底的轉(zhuǎn)子錨以及用于將定子電極剛性地錨定到襯底的定子錨被放置成靠近信號生成轉(zhuǎn)子電極和定子電極。這導(dǎo)致較小的誤差信號，因為由對錨的機械力所產(chǎn)生的誤差信號是與轉(zhuǎn)子電極和定子電極的運動成比例的。轉(zhuǎn)子電極和定子電極的運動分別與錨距離轉(zhuǎn)子電極和定子電極的距離成比例。
[0012]在電容式微機械加速度傳感器的優(yōu)選實施例中，第一梳結(jié)構(gòu)被分為第一梳結(jié)構(gòu)部分和第二梳結(jié)構(gòu)部分。在該實施例中，第二梳結(jié)構(gòu)關(guān)于加速度傳感器的中心軸對稱地布置在加速度傳感器的中心軸上。在此實施例中，第一梳結(jié)構(gòu)部分被布置在第二梳結(jié)構(gòu)和第一梁之間。在此實施例中，第二梳結(jié)構(gòu)部分被布置在第二梳結(jié)構(gòu)和第二梁之間。因為第一梳結(jié)構(gòu)被分為第一梳結(jié)構(gòu)部分和第二梳結(jié)構(gòu)部分，且因為第二梳結(jié)構(gòu)關(guān)于加速度傳感器的中心軸對稱地布置在加速度傳感器的中心軸上，且因為第一梳結(jié)構(gòu)部分被布置在第二梳結(jié)構(gòu)和第一梁之間，且因為第二梳結(jié)構(gòu)部分被布置在第二梳結(jié)構(gòu)和第二梁之間，所以結(jié)果是:電容式微機械加速度傳感器具有關(guān)于加速度傳感器中心軸的質(zhì)量平衡轉(zhuǎn)子電極。因為轉(zhuǎn)子電極的質(zhì)量的中心在加速度傳感器的中心軸上，所以傳感器對于外部振動較不敏感。此外，因為轉(zhuǎn)子電極的質(zhì)量分布的大多數(shù)靠近加速度傳感器的中心軸，所以相比于測量模式，轉(zhuǎn)動慣量在其它模式中被最小化。
【附圖說明】
[0013]在下文中，通過參考以下附圖，更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中，
[0014]圖1是根據(jù)第一實施例的電容式微機械加速度傳感器的俯視圖，
[0015]圖2示出了轉(zhuǎn)子電極支承結(jié)構(gòu)、圖1所示的電容式微機械加速度傳感器的第一傳感器的第一和第二定子電極和轉(zhuǎn)子電極、以及還有第一傳感器的轉(zhuǎn)子電極如何被支承在圖1所示的電容式微機械加速度傳感器中的轉(zhuǎn)子電極支承結(jié)構(gòu)上，
[0016]圖3示出了轉(zhuǎn)子電極支承結(jié)構(gòu)、圖1所示的電容式微機械加速度傳感器的第一傳感器的第一和第二定子電極和轉(zhuǎn)子電極、以及還有第一傳感器的轉(zhuǎn)子電極如何被支承在圖1所示的電容式微機械加速度傳感器中的轉(zhuǎn)子電極支承結(jié)構(gòu)上，
[0017]圖4是根據(jù)第二實施例的電容式微機械加速度傳感器的俯視圖，其中第一梳結(jié)構(gòu)的第一轉(zhuǎn)子梳齒(comb finger)具有不同于第一梳結(jié)構(gòu)的第一定子梳齒的高度，以及其中，第二梳結(jié)構(gòu)的第二轉(zhuǎn)子梳齒具有不同于第二梳結(jié)構(gòu)的第二定子梳齒的高度，
[0018]圖5示出了沿著圖4中的線V-V切割的圖4所示的電容式微機械加速度傳感器，
[0019]圖6示出了轉(zhuǎn)子電極支承結(jié)構(gòu)、圖4中的第一傳感器的第一和第二梳結(jié)構(gòu)、以及還有第一梳結(jié)構(gòu)的第一轉(zhuǎn)子梳齒和第一傳感器的第二梳結(jié)構(gòu)的第二轉(zhuǎn)子梳齒如何被支承在圖4所示的電容式微機械加速度傳感器中的轉(zhuǎn)子電極支承結(jié)構(gòu)上，
[0020]圖7示出了圖4所示的第一傳感器的第一和第二梳結(jié)構(gòu)，
[0021]圖8示出了圖5所示的結(jié)構(gòu)的替選配置，
[0022]圖9示出了圖6所示的結(jié)構(gòu)的替選配置，
[0023]圖10示出了圖4-6所示的第二實施例的替選配置，其中在替選配置中，第一梳結(jié)構(gòu)的第一轉(zhuǎn)子梳齒和第一梳結(jié)構(gòu)的第一定子梳齒具有相同的高度，但是它們被定位在距離襯底平面的不同距離處；以及在替選配置中，第二梳結(jié)構(gòu)的第二轉(zhuǎn)子梳齒和第二梳結(jié)構(gòu)的第二定子梳齒具有相同的高度，但是它們被定位在距離襯底平面的不同距離處，
[0024]圖11示出了沿著圖10中的線T-T切割的圖10所示的電容式微機械加速度傳感器，
[0025]圖12示出了轉(zhuǎn)子電極支承結(jié)構(gòu)、圖10中的第一傳感器的第一和第二梳結(jié)構(gòu)、以及還有第一傳感器的第一梳結(jié)構(gòu)的第一轉(zhuǎn)子梳齒和第二梳結(jié)構(gòu)的第二轉(zhuǎn)子梳齒如何被支承在圖10所示的電容式微機械加速度傳感器中的轉(zhuǎn)子電極支承結(jié)構(gòu)上，
[0026]圖13是根據(jù)第三實施例的電容式微機械加速度傳感器的俯視圖，
[0027]圖14是根據(jù)第四實施例的電容式微機械加速度傳感器的俯視圖，其中第一傳感器的第一梳結(jié)構(gòu)被分為第一梳結(jié)構(gòu)部分和第二梳結(jié)構(gòu)部分，
[0028]圖15示出了圖14所示的第四實施例的替選配置，
[0029]圖16示出了沿著圖14中的線S-S切割的圖14所示的電容式微機械加速度傳感器，
[0030]圖17示出了轉(zhuǎn)子電極支承結(jié)構(gòu)、圖14中的第一傳感器的第二梳結(jié)構(gòu)以及第一和第二轉(zhuǎn)子梳結(jié)構(gòu)部分、以及還有第一梳結(jié)構(gòu)部分的第一轉(zhuǎn)子梳齒結(jié)構(gòu)部分和第二梳結(jié)構(gòu)部分的第二轉(zhuǎn)子梳齒結(jié)構(gòu)部分和第一傳感器的第二梳結(jié)構(gòu)的第二轉(zhuǎn)子梳齒如何被支承在圖14所示的電容式微機械加速度傳感器中的轉(zhuǎn)子電極支承結(jié)構(gòu)上，
[0031]圖18是根據(jù)第五實施例的電容式微機械加速度傳感器的俯視圖，以及
[0032]圖19示出了圖18所示的第五實施例的替選配置。
【具體實施方式】
[0033]附圖不出了電容式微機械加速度傳感器的一些實施方式的例子。該電容式微機械加速度傳感器可以至少部分地由硅襯底制造。
[0034]電容式微機械加速度傳感器包括襯底I。
[0035]電容式微機械加速度傳感器包括第一傳感器2，該第一傳感器2用于測量沿著與襯底I的平面3垂直的z軸的加速度。
[0036]此外，電容式微機械加速度傳感器包括第二傳感器4和第三傳感器5，其用于測量在與襯底I的平面3平行的方向上的加速度。例如，電容式微機械加速度傳感器可以包括第二傳感器4和第三傳感器5，其中第二傳感器4用于測量沿著與襯底I的平面3平行的X軸的加速度，第三傳感器5用于測量沿著與襯底I的平面3平行且與X軸垂直的y軸的加速度。第二傳感器4和第三傳感器5中的每個傳感器可以測量沿著X軸、y軸，或沿著X軸和y軸二者的加速度。
[0037]電容式微機械加速度傳感器的功能在本領(lǐng)域是已知的，例如從公開版本U S7，430, 909可知，在此通過引用的方式將其并入。
[0038]第一傳感器2包括轉(zhuǎn)子電極6和定子電極7。
[0039]定子電極7可以在定子錨定點51 ;29，30處被錨定到襯底I。
[0040]第一傳感器2包括具有第一端9和第二端11的第一梁8，其中第一端9通過第一彈簧結(jié)構(gòu)10在第一連接點47處連接到轉(zhuǎn)子電極支承結(jié)構(gòu)19，該轉(zhuǎn)子電極支承結(jié)構(gòu)19被錨定到襯底I ;該第二端11在第二連接點48處連接到第一傳感器2的轉(zhuǎn)子電極6。
[0041]第一傳感器2包括具有第一端13和第二端15的第二梁12，其中第一端13通過第二彈簧結(jié)構(gòu)14在第三連接點49處連接到轉(zhuǎn)子電極支承結(jié)構(gòu)19，該轉(zhuǎn)子電極支承結(jié)構(gòu)19被錨定到襯底1，該第二端15在第四連接點50處連接到第一傳感器2的轉(zhuǎn)子電極6。
[0042]第一梁8和第二梁12與加速度傳感器的中心軸A平行。中心軸A平行于襯底I的平面3，且垂直于第一連接點47和第二連接點49之間的線；優(yōu)選地，中心軸A距離第一連接點47和第二連接點49的距離是相等的。
[0043]以下述方式，轉(zhuǎn)子電極支承結(jié)構(gòu)19可以在轉(zhuǎn)子錨定點16處被剛性地錨定到襯底I，其中該轉(zhuǎn)子銷定點16位于與加速度傳感器的中心軸A垂直的第一虛線B上:(i)轉(zhuǎn)子電極6被定位成接觸第一連接點47并與第一連接點47相關(guān)，該第一連接點47在與加速度傳感器的中心軸A垂直的第二虛線G后面；以及(ii)在平行于加速度傳感器中心軸A的方向上測量第一連接點47和第一虛線B之間的距離H以及第一連接點47和第二虛線G之間的距離E時，距離H是距離E的50 %以上，優(yōu)選地在66 %以上。
[0044]以下述方式，轉(zhuǎn)子電極支承結(jié)構(gòu)19可以在轉(zhuǎn)子錨定點16處被剛性地錨定襯