CN102046514A - 具有补偿封装应力的应力消除的电容传感器 - Google Patents

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Abstract

一种微型机电***(MEMS)电容式传感器(52)包括可绕其末端(80、84)之间的旋转轴(68)偏移进行枢转的活动元件(56)。静态导电层(58)与活动元件(56)间隔开并包括电极元件(62、64)。活动元件(56)包括表现出长度(78)的旋转轴(68)与一个末端(80)之间的区段(74)。活动元件(56)还包括表现出比区段(74)的长度(78)小的长度(82)的旋转轴(68)与另一末端(84)之间的区段(76)。区段(74)包括通过活动元件(56)从末端(80)朝着旋转轴(68)延伸的槽缝(88)。槽缝(88)提供补偿封装应力以改善传感器性能的区段(74)中的应力消除。

Description

具有补偿封装应力的应力消除的电容传感器
技术领域
本发明总体上涉及微型机电***(MEMS)传感器。更具体而言，本发明涉及MEMS差动电容式加速度计。
背景技术
加速度计是通常被用于测量加速力的传感器。这些力可以是静态的，类似于重力的恒力，或者其可以是动态的，由移动或振动加速度计引起。加速度计可以沿着一个、两个、或三个轴或方向感测加速度或其它现象。根据此信息，可以确定其中安装有加速度计的设备的移动或取向。加速度计被用于惯性制导***中、车辆中的安全气袋展开***中、用于多种设备的保护***中、以及许多其它科学和工程***中
由于其相对低的成本，电容传感MEMS加速度计设计对于在高重力环境中和小型化设备中的操作而言是非常期望的。电容式加速度计感测电容相对于加速度而言的变化，以改变加电电路的输出。加速度计的一常用形式是具有“跷跷板”或“秋千”配置的电容式换能器。这种一般使用的换能器类型使用在基底上的z轴加速度下旋转的活动元件或板。加速度计结构可以测量至少两个不同的电容以确定差动或相对电容。
参照图1和2，图1示出被构造为常规铰链连接或“跷跷板”式加速度计的现有技术电容传感MEMS传感器20的顶视图，并且图2示出MEMS传感器20的侧视图。MEMS传感器20包括静态基底22和与基底22间隔开的活动元件24，每个具有相对的平面。基底22具有沉积在基底表面28上以形成电容器电极或“板”的预定配置的许多导电电极元件26。在示例性方案中，电极元件26可以作为激励或感测电极进行操作以接收刺激信号。当反馈信号被叠加在感测信号上时，电极元件26另外可以作为反馈电极操作。
一般称为“检验质量”的活动元件24被一个或多个悬吊锚定装置或旋转屈曲30灵活地悬吊在基底22之上，用于使得活动元件24能够绕旋转轴32进行枢转或旋转而与电极元件26形成电容器34和36，标记为C1和C2。活动元件24响应于加速度而移动，因此改变其相对于静态感测电极元件26的位置。此位置变化得到一组电容器，其差、即差动电容指示沿方向37的加速度。
当意图用于作为跷跷板式加速度计的操作时，在旋转轴32的一侧的活动元件24的区段(section)38形成有比在旋转轴32的另一侧的活动元件24的区段40相对较大的质量。通常通过使旋转轴32偏移来产生部分38的较大质量。也就是说，旋转轴32与区段38的末端44之间的长度42大于旋转轴32与区段40的末端48之间的长度46。另外，电极元件26被相对于活动元件24的纵轴50和旋转轴32确定尺寸并对称地间隔开。
许多MEMS传感器应用要求较小的尺寸和低成本封装以满足迫切的成本目标。另外，MEMS传感器应用要求较低的温度偏移系数(TCO)规范。术语“偏移”指的是与其在MEMS传感器的非受激状态下的公称值的输出偏差。因此，TCO是热应力影响半导体器件(诸如MEMS传感器)的性能到什么程度的度量。高TCO指示相应的高热致应力，或者说对此类应力非常敏感的MEMS器件。MEMS传感器应用的封装常常使用具有不同热膨胀系数的材料。因此，在制造或操作期间常常产生不期望的高TCO。这些热应力、以及由于潮湿和组装过程而引起的应力可能导致底层基底22的变形，在本文中称为封装应力。
参照图3～4，图3示出沿着图1的剖面线3-3的MEMS传感器2-的横截面边视图，并且图4示出沿着图1中的剖面线4-4的MEMS传感器20的横截面边视图。图1所示的跷跷板配置所特有的问题是当MEMS传感器20的跷跷板配置经受由于封装应力而来自基底22的弯矩时，该应力促使区段40(即较轻区段)比区段38(即较重区段)更多地变形，导致偏移变化。如图3和4所示，封装应力可以导致明显比活动元件24的区段38的变形大的活动元件24的区段40的变形。由于封装应力而引起的此非对称弯曲可能导致感测电容34和36之间的不期望的高偏移差(即，不良TCO性能)，由此不利地影响电容式加速度计20输出。
因此，所需要的是低成本、紧凑、单模(single die)的跷跷板式MEMS传感器，其可以沿着一个或多个轴进行感测且对于热致封装应力梯度不那么敏感。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照详细说明书和权利要求书可以得到对本发明的更透彻理解，在附图中，相同的附图标记自始至终指示类似的项目，并且：
图1示出现有技术电容传感微型机电***(MEMS)传感器；
图2示出图1的MEMS传感器的侧视图；
图3示出沿着图1中的剖面线3-3的MEMS传感器的横截面边视图；
图4示出沿着图1中的剖面线4-4的MEMS传感器的横截面边视图；
图5示出依照本本发明的实施例的微型机电***(MEMS)传感器的顶视图；
图6示出沿着图5中的剖面线6-6的MEMS传感器的横截面边视图；
图7示出沿着图5中的剖面线7-7的MEMS传感器的横截面边视图；以及
图8示出可以在其中安装MEMS传感器的设备。
具体实施方式
图5示出依照本发明的实施例的微型机电***(MEMS)传感器52的顶视图。传感器52可以是例如电容传感加速度计或另外的MEMS传感器件。MEMS传感器52被构造为铰链连接或“跷跷板”式加速度计。MEMS传感器52包括基底54和与基底54间隔开的活动元件56，每个具有相对的平面。静态导电层58被沉积在基底54的表面60上。静态导电层58采取至少两个电隔离电极或板的形式，包括例如电极元件62和电极元件64(其中两者都以幻影形式示出)。电极元件62和64可以作为激励或传感电极进行操作以接收刺激信号。当反馈信号被叠加在传感信号上时，电极元件62和64可以另外作为反馈电极操作。
活动元件56被悬吊在基底54之上并通过一对悬吊锚定装置66或旋转屈曲(rotational flexures)枢轴地耦合到基底54，以便使得活动元件56能够绕旋转轴68进行枢转或旋转而与各自电极元件62和64在活动元件56之间形成电容器(参见例如图2)。为了图示的简化起见，在图5中仅示出两个电极元件62和64。然而，在替换实施例中，MEMS传感器52可以包括不同数量和/或不同构型的电极元件。另外，应理解的是可以利用许多屈曲、铰链、及其它旋转机制来使得活动元件56能够绕旋转轴68进行枢轴运动。
活动元件56表现出与旋转轴68正交的对称轴70。对称轴是几何图形中的线，其将图划分成两个部分，使得一个部分在沿着对称轴折叠时与另一部分重叠。因此，MEMS传感器52在对称轴70的任一侧表现出其部件的等效尺寸和放置。在一个实施例中，每个悬吊锚定装置66在对称轴70的相对侧偏移相等距离72。
在旋转轴68的一侧的活动元件56的区段74形成有比在旋转轴68的另一侧的活动元件56的区段76相对较大的质量。通过使旋转轴68偏移来产生区段74的较大质量。也就是说，旋转轴68与区段74的末端80之间的长度78大于旋转轴68与区段76的末端84之间的长度82。电极元件62面向活动元件56的区段74且电极元件64面向活动元件56的区段76。另外，电极元件62和64被相对于活动元件56的纵向对称轴70和旋转轴68确定尺寸并对称地间隔开。也就是说，电极元件62和64中的每一个在旋转轴68的相对侧偏移相等的距离86，并且电极元件62和64中的每一个在对称轴70的任一侧延伸相等的距离。
活动元件56响应于沿方向37(图2)的加速度而移动，因此改变其相对于静态电极元件62和64的位置。因此，电极元件62和64适合于检测沿着与电极元件62和64的平面垂直的轴的活动元件的移动。此位置变化产生一组电容器，其差、即差动电容指示沿方向37的加速度。本文所使用的术语“静态”指的是相对于活动元件56固定的导电层58及电极元件62和64。也就是说，虽然活动元件56可以绕旋转轴68在悬吊锚定装置66上旋转或枢转，但导电层58(包括电极元件62和64)不相对于活动元件56进行枢转、旋转、或移动。图1示出MEMS传感器52的一种可能配置。然而，应理解的是MEMS传感器52可以采取许多两层和/或三层的形式。
区段74包括延伸通过活动元件56的槽缝(slot)88。在实施例中，每个槽缝88从区段74的末端80朝着旋转轴68延伸。每个槽缝88表现成称为长度90的维度和称为宽度92的另一维度。另外，槽缝88均匀地分布在纵向对称轴70的相对侧。也就是说，在对称轴70的任一侧布置有相等数量的槽缝88，它们也与对称轴70偏离相等距离。虽然本文举例说明的MEMS传感器52的实施例包括在对称轴70的相对侧形成的偶数数量的槽缝88，在另一实施例中，MEMS传感器52可以包括奇数的槽缝88。在此类配置中，槽缝88中的一个将因此以对称轴70为中心。另外，虽然在本文中举例说明大体上为矩形的槽缝88，但可以替代地利用其它形状，诸如锯齿或三角形形状。
槽缝88的功能是减小由封装应力引起的区段74的惯性弯矩。结果，区段74和区段76之间的惯性弯矩更加密切地匹配。参照图6和7，图6示出沿着图5中的剖面线6-6的MEMS传感器52的横截面边视图，并且图7示出沿着图5中的剖面线7-7的MEMS传感器52的横截面边视图。如图6和7所示，由于“重末端”(即区段74)中的槽缝88的存在，封装应力导致活动元件56的区段74的变形，其近似等效于在旋转轴68的相对侧的活动元件56的区段76的变形。由封装应力引起的活动元件56的此大体上对称的弯曲导致明显比在诸如MEMS传感器20(图1)的现有技术MEMS传感器中看到的偏移差小的偏移差。因此，可相应地改善TCO性能，得到MEMS传感器52的更准确的加速度输出。
制造MEMS传感器82的方法可以要求提供基底54。依照常规和即将出现的MEMS传感器制造过程，基底54可以是包含硅的半导体晶片，但是可以利用任何机械支撑基底。可以在基底54的表面60上形成绝缘层(未示出)。该绝缘层可以是二氧化硅、氮化硅等等。可以共形地形成该绝缘层并随后进行图案化和蚀刻。其用于使静态导电层58与基底54绝缘。然而，应理解的是如果基底54是不导电的，则可以不利用绝缘层。
静态导电层58可以包括多晶硅，但是可以采用其它导电材料。可以通过诸如沉积和溅射的已知方法来形成静态导电层58。可以将静态导电层58沉积在基底54的表面60上作为铺盖层(blanket layer)并随后进行图案化和蚀刻以形成电极元件62和64。可以可选地将保护层(未示出)设置在静态导电层58上并根据需要进行图案化和蚀刻以在未来的处理步骤期间保护基底54以及防止静态导电层58与活动元件56之间的短路和/或焊接。
可以在经图案化和蚀刻的静态导电层58上形成牺牲层(未示出)。类似于先前的层，也可以共形地形成牺牲层并随后根据需要进行图案化和蚀刻。如本领域的技术人员公知的，该牺牲层可以由磷硅酸盐玻璃形成且可以通过化学汽相沉积来沉积。应理解的是可以采用其它牺牲层代替磷硅酸盐玻璃。
下一个导电层、即活动元件56可以包括多晶硅并形成为定位在静态导电层58上的跷跷板结构。活动元件56通过悬吊锚定装置66机械地耦合到基底54。可以通过诸如沉积和溅射的已知方法来形成活动元件56。同样地，可以将活动元件56沉积在牺牲层上作为铺盖层，然后可以将其图案化和蚀刻以形成从活动元件56的末端80朝着旋转轴68延伸的具有长度90和宽度92的槽缝88。
在形成上述结构之后，依照常规程序去除牺牲层。例如，可以采用能够在没有略微损坏静态导电层58的多晶硅、活动元件56、和悬吊锚定装置66的情况下去除磷硅酸盐玻璃牺牲层的选择性蚀刻剂。在蚀刻之后，从底层基底54释放活动元件56和悬吊锚定装置66的旋转部分。
在区段74中形成槽缝88之前，区段74表现出比在形成槽缝88之后的区段74的质量大的质量。区段74的质量由于槽缝88处的材料损失而在形成槽缝88之后减小。然而，在本发明的实施例中，槽缝是足够小的，使得材料损失导致区段74的质量减少而比形成槽缝88之前的区段74的质量小约百分之二至百分之五。由于槽缝88的形成仅略微减小区段74的质量，所以存在对MEMS传感器52的灵敏度的可忽略的改变。例如，在一个实施例中，每个槽缝88的宽度92可以约为一又二分之一微米，具有五十二微米的节距，这仅使MEMS传感器的灵敏度降低约百分之三。
图8示出了可以在其中结合MEMS传感器52的设备94。设备94可以是许多设备中的任何一种，诸如车辆动态控制***、惯性制导***、车辆中的安全气袋展开***、用于多种设备的保护***、以及许多其它科学和工程***。MEMS传感器52可以是能够感测沿着与电极元件62和64(图5)的平面垂直的轴的加速度的单轴加速度计。
设备94可以包括可以在其中结合MEMS传感器52的加速度计封装96。在这种示例性情况下，加速度计封装96与电路98通信，电路98可以包括例如处理器、硬盘驱动器、和经由本领域的技术人员所公知的常规总线结构互连的其它部件。本领域的技术人员应认识到设备94可以包括为简便起见在本文中未讨论的许多其它部件。此外，设备94不具有本文所指定的结构。在本示例中，电路98监视来自加速度计封装96的信号。这些信号可以包括沿方向37的加速度(图2)。加速度信号100被从MEMS传感器52输出并在输出到电路98之前被传送至输入/输出电路芯片102的感测电路以进行适当的处理，如本领域的技术人员所公知的。加速度信号100具有取决于加速度的参数幅值(例如电压、电流、频率等)。然而，槽缝88(图5)的包括大大地减少旋转轴(图5)的相对侧的活动元件56的任何非对称弯曲，以便加速度信号100更准确地反映沿方向37的加速度(图2)。
本文所述的实施例包括包含差动电容式MEMS传感器的设备。另一实施例包括制造本发明的微型机电***传感器的方法。该传感器可以是被制造为跷跷板式结构(即活动元件)的差动加速度计。在远离活动元件的旋转轴并朝着该旋转轴延伸的活动元件的较重末端中形成槽缝。由于活动元件的“重末端”中的槽缝的存在，封装应力导致在旋转轴的任一侧的活动元件的更对称变形。活动元件的此对称弯曲导致明显比在现有技术MEMS传感器中看到的显著小的偏移差。因此，大大地减小了封装应力的效果，得到MEMS传感器的相应地改善的TCO性能和更准确的加速度输出。
虽然已举例说明并详细描述了本发明的优选实施例，但对于本领域的技术人员来说很容易显而易见的是在不脱离本发明的精神或所附权利要求的范围的情况下可以对其进行各种修改。

Claims (20)

1.一种设备，包括：
微型机电***(MEMS)传感器，所述传感器包括：
活动元件，所述活动元件适合于相对于在其第一末端和第二末端之间偏移的旋转轴运动而形成所述旋转轴与所述第一末端之间的第一区段和所述旋转轴与所述第二末端之间的第二区段，所述第一区段表现出在所述旋转轴与所述第一末端之间的第一长度，该第一长度大于所述旋转轴与所述第二末端之间的第二长度，所述第一区段包括延伸通过所述活动元件的槽缝；以及
与所述活动元件间隔开的静态导电层，所述静态导电层包括第一电极元件和第二电极元件，所述第一电极元件面对所述第一区段且所述第二电极元件面对所述活动元件的所述第二区段。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述槽缝中的每一个从所述第一区段的所述第一末端朝着所述旋转轴延伸。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述槽缝中的每一个表现出第一维度和第二维度，所述第一维度大于所述第二维度，并且所述第一维度与所述第一长度对准。
4.如权利要求1所述的设备，其中，所述活动元件表现出与所述旋转轴正交的对称轴，并且所述槽缝均匀地分布在所述对称轴的相对侧上。
5.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一区段在所述槽缝形成于所述第一区段中之前表现出第一质量，所述第一区段在所述槽缝形成于所述第一区段中之后表现出第二质量，所述第二质量在比所述第一质量小百分之二至百分之五的范围。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述MEMS传感器还包括：
基底；以及
在所述基底的表面上形成的一对悬吊锚定装置，所述悬吊锚定装置在所述旋转轴处枢轴地将所述活动元件耦合到所述基底。
7.如权利要求6所述的设备，其中，所述活动元件表现出与所述旋转轴正交的对称轴，并且所述一对悬吊锚定装置中的每一个在所述对称轴的相对侧上偏移相等距离。
8.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一电极元件和第二电极元件被相对于所述旋转轴对称地布置。
9.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一电极元件和第二电极元件与所述活动元件的所述第一区段和第二区段形成相应的第一电容器和第二电容器。
10.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一电极元件和第二电极元件适合于检测所述活动元件沿着与所述电极的平面垂直的轴的移动。
11.一种制造微型机电***(MEMS)传感器的方法，包括：
提供基底；
在所述基底上形成静态导电层以包括第一电极元件和第二电极元件；
在所述静态导电层上形成牺牲层；
在所述牺牲层上形成活动元件，该活动元件适合于相对于其第一末端和第二末端之间偏移的旋转轴运动而形成所述旋转轴与所述第一末端之间的第一区段和所述旋转轴与所述第二末端之间的第二区段，所述第一区段表现出在所述旋转轴与所述第一末端之间的第一长度，所述第一长度大于所述旋转轴与所述第二末端之间的第二长度，其中，形成所述活动元件包括：在所述第一区段中形成延伸通过所述活动元件的槽缝；以及
选择性地去除所述牺牲层，使得所述导电层与所述活动元件间隔开，所述导电层被形成为使得所述第一电极元件面对所述第一区段且所述第二电极元件面对所述活动元件的所述第二区段。
12.如权利要求11所述的方法，还包括在所述第一区段的所述第一末端处且朝着所述旋转轴延伸而形成所述槽缝中的每一个。
13.如权利要求11所述的方法，还包括将所述槽缝中的每一个形成为包括第一维度和第二维度，所述第一维度大于所述第二维度，并且所述第一维度与所述第一长度对准。
14.如权利要求11所述的方法，其中，形成所述活动元件包括：形成所述活动元件使得所述活动元件具有与所述旋转轴正交的对称轴，并且所述槽缝均匀地分布在所述对称轴的相对侧上。
15.如权利要求11所述的方法，还包括在沿着所述旋转轴放置的一对悬吊元件上枢轴地支撑所述活动元件。
16.如权利要求15所述的方法，其中，形成所述活动元件包括：形成所述活动元件使得所述活动元件具有与所述旋转轴正交的对称轴，并且所述一对悬吊锚定装置中的每一个在所述对称轴的相对侧上偏移相等距离。
17.一种微型机电***(MEMS)传感器，包括：
基底；
活动元件，所述活动元件适合于相对于在其第一末端和第二末端之间偏移的旋转轴运动而形成所述旋转轴与所述第一末端之间的第一区段和所述旋转轴与所述第二末端之间的第二区段，所述第一区段表现出在所述旋转轴与所述第一末端之间的第一长度，该第一长度大于所述旋转轴与所述第二末端之间的第二长度，所述第一区段包括延伸通过所述活动元件的槽缝，所述槽缝中的每一个从所述第一区段的所述第一末端朝着所述旋转轴延伸；
在所述基底的表面上形成的至少一个悬吊锚定装置，所述至少一个悬吊锚定装置在所述旋转轴处枢轴地将所述活动元件耦合到所述基底；以及
与所述活动元件间隔开的静态导电层，所述静态导电层包括第一电极元件和第二电极元件，所述第一电极元件面对所述第一区段且所述第二电极元件面对所述活动元件的所述第二区段。
18.如权利要求17所述的MEMS传感器，其中，所述槽缝中的每一个表现出第一维度和第二维度，所述第一维度大于所述第二维度，并且所述第一维度与所述第一长度对准。
19.如权利要求17所述的MEM传感器，其中，所述活动元件表现出与所述旋转轴正交的对称轴，并且所述槽缝均匀地分布在所述对称轴的相对侧上。
20.如权利要求17所述的MEM传感器，其中，所述活动元件表现出与所述旋转轴正交的对称轴，所述至少一个悬吊锚定装置包括一对悬吊锚定装置，并且所述一对悬吊锚定装置中的每一个在所述对称轴的相对侧上偏移相等距离。
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