Mems設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開(kāi)涉及具有由于由諸如正交分量之類的擾動(dòng)力所致的的誤差補(bǔ)償?shù)奈C(jī)電 設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 如已知的，MEMS(微機(jī)電系統(tǒng)）由于它們的小尺寸、與消費(fèi)者應(yīng)用兼容的成本、以 及它們與日倶增的可靠性而以日益廣泛的方式被用在不同的應(yīng)用中。特別是，利用這一技 術(shù)，制造了諸如微集成的陀螺儀和機(jī)電振蕩器之類的慣性傳感器。
[0003] 這一類型的MEMS通常基于微機(jī)電結(jié)構(gòu)，該微機(jī)電結(jié)構(gòu)包括支撐體以及通過(guò)彈簧 或"曲部（flexure)"親合到支撐體的至少一個(gè)可移動(dòng)質(zhì)量塊（mobilemass)。彈簧被配置 用于使得可移動(dòng)質(zhì)量塊能夠根據(jù)一個(gè)或多個(gè)自由度相對(duì)于支撐體振蕩?？梢苿?dòng)質(zhì)量塊電容 耦合到支撐體上的多個(gè)固定電極，從而形成電容可變的電容器?？梢苿?dòng)質(zhì)量塊相對(duì)于支撐 體上的固定電極的移動(dòng)（例如在外力的作用下）修改電容器的電容；從而，檢測(cè)可移動(dòng)質(zhì)量 塊相對(duì)于支撐體的位移以及外力是可能的。代之，當(dāng)供應(yīng)適合的偏置電壓（例如通過(guò)驅(qū)動(dòng) 電極的分立集）時(shí)，可移動(dòng)質(zhì)量塊可經(jīng)受使其移動(dòng)的靜電力。
[0004] 為了獲得微機(jī)電振蕩器，通常利用MEMS結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)，其是二階低通類型的， 并且具有共振頻率。
[0005] 特別是，MEMS陀螺儀具有復(fù)雜的機(jī)電結(jié)構(gòu)，其通常包括相對(duì)于支撐體可移動(dòng)的至 少兩個(gè)質(zhì)量塊，該至少兩個(gè)質(zhì)量塊彼此耦合以便于具有若干自由度（這依賴于系統(tǒng)的架 構(gòu)）。在大多數(shù)情況下，每個(gè)可移動(dòng)質(zhì)量塊具有一個(gè)或兩個(gè)自由度?？梢苿?dòng)質(zhì)量塊電容通過(guò) 固定的和可移動(dòng)的感測(cè)和驅(qū)動(dòng)電極而耦合到支撐體。
[0006] 在具有兩個(gè)可移動(dòng)質(zhì)量塊的實(shí)現(xiàn)方式中，第一可移動(dòng)質(zhì)量塊專用于驅(qū)動(dòng)并且保持 以共振頻率、受控振蕩振幅振蕩。第二可移動(dòng)質(zhì)量塊通過(guò)振蕩（平移或旋轉(zhuǎn)）運(yùn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)， 并且在微結(jié)構(gòu)關(guān)于陀螺儀軸以角速度旋轉(zhuǎn)的情況下，第二可移動(dòng)質(zhì)量塊受到與角速度本身 成比例的科里奧利力（Coriolisforce)。在實(shí)踐中，第二（被驅(qū)動(dòng)的）可移動(dòng)質(zhì)量塊充當(dāng) 加速度計(jì)，其使得能夠檢測(cè)科里奧利力和檢測(cè)角速度。在另一實(shí)現(xiàn)方式中，單個(gè)懸掛質(zhì)量塊 耦合到支撐體，以相對(duì)于支撐體可移動(dòng)，其中具有兩個(gè)獨(dú)立的自由度，并且精確地具有一個(gè) 驅(qū)動(dòng)自由度和一個(gè)感測(cè)自由度。感測(cè)自由度可以包括可移動(dòng)質(zhì)量塊在平面中的移動(dòng)（"平 面中移動(dòng)"）或與平面垂直的移動(dòng)（"平面外移動(dòng)"）。驅(qū)動(dòng)設(shè)備使懸掛質(zhì)量塊保持根據(jù)兩 個(gè)自由度之一的受控振蕩。響應(yīng)于支撐體關(guān)于感測(cè)軸的旋轉(zhuǎn)（由于科里奧利力），懸掛質(zhì)量 炔基于另一自由度移動(dòng)。
[0007] 如已經(jīng)提到的，為了使得MEMS陀螺儀能夠正常操作，施加使懸掛質(zhì)量塊保持以共 振頻率振蕩的驅(qū)動(dòng)力。然后，讀數(shù)設(shè)備檢測(cè)懸掛質(zhì)量塊的位移。這些位移表示科里奧利力 和角速度，并且可以使用與第二（被驅(qū)動(dòng)的）質(zhì)量塊和固定電極之間的電容變化相關(guān)的電 讀數(shù)信號(hào)來(lái)檢測(cè)。
[0008] 然而，MEMS陀螺儀具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并經(jīng)常具有在懸掛質(zhì)量塊和支撐體之間的非 理想機(jī)電相互作用。因此，有用信號(hào)分量與寄生（spurious)分量混合，寄生分量對(duì)角速度 的測(cè)量沒(méi)有貢獻(xiàn)。寄生分量可以依賴于各種起因。例如，制造缺陷和過(guò)程擴(kuò)展（process spread)可能是不可避免的噪聲源，其影響是不可預(yù)見(jiàn)的。
[0009] 常見(jiàn)的缺陷依賴于如下事實(shí)，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的振蕩方向不完全匹配設(shè)計(jì)階段中期望 的自由度。這一缺陷通常是由于懸掛質(zhì)量塊和支撐體之間的彈性連接中的缺陷，并且造成 沿著角速度的檢測(cè)自由度指向的力的開(kāi)始（onset)。這一力轉(zhuǎn)而生成誤差（稱為"正交誤 差"），這是由于未知振幅、以與載體相同的頻率、并且具有90°相移的信號(hào)分量。
[0010] 在一些情況下，正交分量如此大，以致它們不可以簡(jiǎn)單地忽略，而不引入顯著誤 差。通常，在制造過(guò)程結(jié)束時(shí)，使用校準(zhǔn)因子以便將誤差降低在可接受的邊限內(nèi)。然而，在許 多情況下，問(wèn)題并未完全解決，因?yàn)檎徽袷幍恼穹梢栽谠O(shè)備的壽命期間變化。特別是， 支撐體可能經(jīng)受由于機(jī)械應(yīng)力或溫度變化所致的變形。轉(zhuǎn)而，支撐體的變形可能會(huì)造成質(zhì) 量塊的移動(dòng)并且因此正交分量的不可預(yù)見(jiàn)的變化，正交分量不再有效地被補(bǔ)償。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0011] 本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例可以降低如上面提到的MEMS設(shè)備中正交振蕩的發(fā)生 率。
[0012] 根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例，提供微機(jī)電設(shè)備。在實(shí)踐中，設(shè)備使用動(dòng)態(tài)吸收器，動(dòng) 態(tài)吸收器能夠補(bǔ)償其可以對(duì)懸掛質(zhì)量塊造成不期望位移的諸如慣性系統(tǒng)的正交分量之類 的不期望力。為了這一目的，動(dòng)態(tài)吸收器包括調(diào)諧阻尼質(zhì)量塊，調(diào)諧阻尼質(zhì)量塊固定到懸掛 質(zhì)量塊或懸掛質(zhì)量塊系統(tǒng)，并且被配置為具有調(diào)諧到待補(bǔ)償?shù)牟黄谕Φ淖匀活l率。以這 種方式，阻尼質(zhì)量塊降低懸掛質(zhì)量塊的動(dòng)態(tài)響應(yīng)并且使其穩(wěn)定。
[0013] 微機(jī)電設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例使用兩個(gè)質(zhì)量塊，其中一個(gè)相對(duì)于支撐體可移動(dòng)并且彈 性連接到支撐體。這一可移動(dòng)質(zhì)量塊耦合到基板，以便于具有分別專用于驅(qū)動(dòng)和移動(dòng)感測(cè) (此處在平面外，作為科里奧利力的結(jié)果）的兩個(gè)自由度。另一質(zhì)量塊作為動(dòng)態(tài)吸收器。
[0014] 根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種MEMS設(shè)備，其特征在于包括：基板；第一 彈性元件；以及可移動(dòng)質(zhì)量塊系統(tǒng)，該可移動(dòng)質(zhì)量塊系統(tǒng)包括：懸掛質(zhì)量塊，所述懸掛質(zhì)量 塊通過(guò)所述第一彈性元件彈性耦合到所述基板并且受到沿振動(dòng)方向的擾動(dòng)力；和動(dòng)態(tài)吸收 器，所述動(dòng)態(tài)吸收器彈性耦合到所述懸掛質(zhì)量塊并且被配置為減少所述懸掛質(zhì)量塊由于所 述擾動(dòng)力所致的移動(dòng)。
[0015] 可選地，在實(shí)施例中，該MEMS設(shè)備，其特征在于所述擾動(dòng)力是在所述振動(dòng)方向上 以所述動(dòng)態(tài)吸收器的自然振蕩頻率作用于所述懸掛質(zhì)量塊上的正交力。
[0016] 可選地，在實(shí)施例中，該MEMS設(shè)備，其特征在于所述動(dòng)態(tài)吸收器包括通過(guò)第二彈 性元件耦合到所述懸掛質(zhì)量塊的阻尼質(zhì)量塊，所述第一彈性元件和所述第二彈性元件被配 置為使得所述懸掛質(zhì)量塊和所述阻尼質(zhì)量塊能夠在所述振動(dòng)方向上移動(dòng)。
[0017] 可選地，在實(shí)施例中，該MEMS設(shè)備，其特征在于所述阻尼質(zhì)量塊被所述懸掛質(zhì)量 塊圍繞。
[0018] 可選地，在實(shí)施例中，該MEMS設(shè)備，其特征在于所述阻尼質(zhì)量塊和所述懸掛質(zhì)量 塊形成在半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)層中。
[0019] 可選地，在實(shí)施例中，該MEMS設(shè)備，其特征在于所述結(jié)構(gòu)層懸掛在所述基板之上， 其中所述基板是半導(dǎo)體材料的。
[0020] 可選地，在實(shí)施例中，該MEMS設(shè)備，其特征在于所述MEMS設(shè)備形成慣性傳感器。
[0021] 可選地，在實(shí)施例中，該MEMS設(shè)備，其特征在于包括第三彈性元件和通過(guò)所述第 三彈性元件耦合到所述懸掛質(zhì)量塊的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，所述驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)被配置為生成在與所述振動(dòng) 方向不同的驅(qū)動(dòng)方向上以所述自然振蕩頻率的驅(qū)動(dòng)移動(dòng)。
[0022] 可選地，在實(shí)施例中，該MEMS設(shè)備，其特征在于所述慣性傳感器是陀螺儀。
[0023] 可選地，在實(shí)施例中，該MEMS設(shè)備，其特征在于：所述陀螺儀是雙軸陀螺儀，所述 懸掛質(zhì)量塊包括關(guān)于第一驅(qū)動(dòng)軸和第二驅(qū)動(dòng)軸對(duì)稱地布置的第一對(duì)感測(cè)質(zhì)量塊和第二對(duì) 感測(cè)質(zhì)量塊；所述感測(cè)質(zhì)量塊關(guān)于中心軸來(lái)布置并且彈性耦合到中心錨固區(qū)域；所述第一 驅(qū)動(dòng)軸和所述第二驅(qū)動(dòng)軸彼此垂直，第一對(duì)的所述感測(cè)質(zhì)量塊相對(duì)于所述第二驅(qū)動(dòng)軸對(duì)稱 并且與所述第一驅(qū)動(dòng)軸平行地被致動(dòng)，第二對(duì)的所述感測(cè)質(zhì)量塊相對(duì)于所述第一驅(qū)動(dòng)軸對(duì) 稱并且與所述第二驅(qū)動(dòng)軸平行地被致動(dòng)；并且每個(gè)感測(cè)質(zhì)量塊圍繞并且彈性耦合到相應(yīng)的 阻尼質(zhì)量塊。
[0024] 可選地，在實(shí)施例中，該MEMS設(shè)備，其特征在于包括：第四彈性元件和第五彈性元 件；彈性耦合到所述基板的第一驅(qū)動(dòng)框架和第二驅(qū)動(dòng)框架，所述第一驅(qū)動(dòng)框架和所述第二 驅(qū)動(dòng)框架通過(guò)所述第四彈性元件彈性耦合到所述第一對(duì)感測(cè)質(zhì)量