CN102674234A - 具有能量收集器件的传感器 - Google Patents

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Abstract

在本发明披露的一些实施例中，传感器包括基板、传感器元件和能量收集器件。传感器元件包括板件，并且板件相对于基板可移动。能量收集器件形成在传感器元件的板件上。

Description

具有能量收集器件的传感器
技术领域
本发明涉及一种传感器，更具体地说，涉及一种具有能量收集器件的传感器。
背景技术
传感器有时被放在没有电源或者电源受到例如蓄电池寿命或尺寸限制的位置。在MEMS传感器有效的很多应用中，一些微机电系统(MEMS)传感器具有足够大以影响蓄电池寿命的功率消耗。这种MEMS传感器包括用于检测位置、速度、加速度或磁场的传感器。用于这种MEMS传感器的应用包括例如对智能手机的导航。
动态电磁感应MEMS能量收集器通过将机械运动(诸如，能量收集器的一部分或所有的变形、位移、速度、和/或加速度)转化为电流和电压，来将机械能转化为电能。电能被用于给附加器件供电。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种器件，包括：基板；传感器元件，连接至所述基板并且包括板件，所述板件相对于所述基板可移动；以及能量收集器件，所述能量收集器件形成在所述传感器元件的所述板件上。
优选地，所述能量收集器件包括形成在所述板件上的线圈。
优选地，该器件进一步包括：控制器，适于使用由所述能量收集器件收集的能量的至少一部分给所述器件供电。
优选地，能量收集器件适于使用所述板件的振动模式收集能量。
优选地，所述传感器元件是磁场传感器。
优选地，所述传感器元件是具有响应于所述板件的运动进行电容检测的洛伦兹力磁场传感器。
优选地，所述传感器元件是运动传感器。
优选地，所述传感器元件是具有响应于所述板件的运动进行电容检测的运动传感器。
根据本发明的另一方面，提供一种系统，包括：基板；板件，相对于所述基板可移动，可移动板件适于响应于环境改变而移动；能量收集器件，形成在可移动板件上；以及控制器，适于使用由所述能量收集器件收集的能量的至少一部分给传感器系统供电。
优选地，可移动板件形成在所述基板上，并且所述控制器形成在该相同的基板上。
优选地，可移动板件形成在所述控制器之上。
优选地，该系统进一步包括：将可移动板件连接至所述基板的弹性连接件，并且所述能量收集器件包括形成在可移动板件上的经由所述弹性连接件连接至所述控制器的螺旋形线圈。
优选地，该系统进一步包括：永磁体，被定位成使磁场通过所述螺旋形线圈。
优选地，所述能量收集器件适于使用可移动板件的振动模式收集能量。
优选地，该系统进一步包括：电极，用于响应于所述可移动板件的运动进行电容检测。
优选地，可移动板件进一步包括线环并且形成磁场传感器。
优选地，可移动板件进一步包括在所述电极之间从所述可移动板件延伸的指状物，可移动板件以及电极形成运动传感器。
根据本发明的再一方面，提供一种制造器件的方法，包括：在基板之上形成可移动板件；在所述可移动板件中形成能量收集线圈；以及在所述可移动板件周围形成电极，所述电极适于感应所述可移动板件的运动。
优选地，该方法进一步包括：形成至少一个弹簧或铰链，以将所述可移动板件连接至所述基板；以及形成将所述能量收集线圈连接至形成在所述基板上的接合焊盘或控制电路中的至少一个上的布线。
附图说明
在附图中的图中，一个或多个实施例通过实例示出并且不被限制，其中，具有相同参考数字标记的元件表示类似元件，并且其中：
图1是根据实施例的包括洛伦兹力磁性传感器和集成能量收集功能的器件；
图2是根据实施例的包括运动传感器和集成能量收集器的器件；
图3A-图3K是根据实施例的在制造的多个阶段期间图1的器件或者图2的器件的横截面图；
图4A-图4K是根据另一实施例的在制造的多个阶段期间图1的器件或者图2的器件的横截面图；
图5是根据实施例的包括图1的器件或图2的器件的传感器系统的高级功能框图。
具体实施方式
图1是根据实施例的包括洛伦兹力磁性传感器101和形成在洛伦兹力磁性传感器的区域中的集成能量收集器102的器件100。器件100包括具有凸起结构110的基板105和形成在基板的表面上的接合焊盘112。凸起结构110包括固定至基板105的矩形外部115和离开基板但是连接至外部115并且形成在外部中的矩形内部120。内部120通过形成在凸起结构110中并且在内部的外围周围的一对间隙(slot)122与外部115隔离。洛伦兹力磁性传感器101包括内部120、两个弹性连接件125、第一线环130和电极132。两个弹性连接件125将外部115附着至内部120。弹性连接件125形成在内部120的相对侧的中部，允许内部围绕由弹性连接件125限定的轴A旋转。
在至少一些实施例中，存在连接内部和外部的更多或更少数量的弹性连接件。在至少一些实施例中，凸起结构110和内部和外部120、115包括不同形状，诸如，正方形、多边形、椭圆体、圆形等。在至少一些实施例中，内部120与外部115的形状不同。
第一线环130沿着内部120的外边缘形成。线环130的两端附近的部分形成在弹性连接件125中的一个上，使得线环端部形成在外部115上。在外部115上，第一线环130的两端连接至焊盘135。焊盘135通过形成通过凸起结构110的过孔(为了清楚，未示出)和形成在凸起结构之下的布线连接至形成在基板105上的接合焊盘112。电极132(位置由虚线指示)形成在内部120下面的基板105上。凸起结构110还包括集成能量收集器102。集成能量收集器102包括以螺旋形环布置形成在第一线环130内部中的第二线环145和连线150。在至少一些实施例中，第二线环145包括具有圆形、矩形或其他形状的螺旋形环。第二线环145接近第二线环的第一端的部分形成在弹性连接件125中的一个上，使得第二线环的第一端形成在外部115上。第二线环145的第二端在内部120的中心并且连接至连线150的第一端。形成连线150以跨过第二线环145的螺旋形环上方但是不在交叉点电连接至螺旋形环。连线150接近连线的第二端部的部分形成在弹性连接件125中的另一个上，使得连线的第二端形成在外部115上。连线150的第二端通过形成通过凸起结构110的过孔和形成在凸起结构之下的布线连接至接合焊盘112。在一些实施例中，一个弹性连接件125被用于连接内部120与外部115。在其他实施例中，多于两个弹性连接件125被用于连接内部120与外部150。在一些实施例中，形成在凸起结构110中的过孔和形成在凸起结构之下的布线(为了清楚起见，未示出)将洛伦兹力磁性传感器101和集成能量收集器连接至形成在基板105上的电路。
在操作中，由控制电路提供并且在第一线环130周围通过的交流电使线上的力与第一线环附近的磁场成比例。在至少一些实施例中，控制电路形成在基板105上。在内部120的平面中并且与轴A垂直的方向上的磁场的分量引起第一线环130上的使内部120围绕轴A旋转的合力。由于在第一线环130周围通过的电流交替，所以内部120在轴A周围来回振荡。在其他方向上的磁场的分量不引起内部120的运动。当内部被电极132移动时，内部的运动被电容性地检测。从而，洛伦兹力磁性传感器100测量磁场的一个分量。位于不同角度的另外类似传感器能够感应磁场的其他分量。洛伦兹力磁性传感器101检测例如地球的磁场。
如果没有力例如经由第一线环130被施加至内部，则弹性连接件125还用作使内部120的位置返回至外部115的平面的回位弹簧。弹性连接件125的弹性和内部120的质量导致内部的旋转模式具有与弹性连接件125的弹性和内部的质量对应的共振频率。如果交流频率被选择为与内部120的共振频率匹配，则由于磁场导致的内部位移增加由内部120和弹性连接件125的质量形成的机械系统的质量系数(quality factor)Q。而且，磁场改变的响应时间增加质量系数Q。
与第一线环130碰撞(impinge on)的磁场还通过集成能量收集器102的第二线环145的螺线(spiral)。由第二环145形成的区域包围的磁通量的改变跨过第二环的端部引起电压。引起的电压与结合至第二环145的磁场的改变率成比例。从而，器件100进入磁场内或移出磁场外的移动、器件100在磁场中的旋转或者由例如承载交流电的电源线产生的通过传感器的交流磁场导致跨过第二环145的端部生成电压。
而且，如果由于第一线环130和外部磁场中的交流电导致内部120移动，则通过内部在磁场周围的旋转，跨过第二线环145引起电压。
与如何生成跨过第二线环145的电压无关，电压在第二线环中产生电流。与跨过第二线环145的电压和通过第二线环的电流的乘积成比例的动力从第二线环被提取，并且由集成能量收集器102提供的动力被用于提供用于驱动洛伦兹力磁性传感器101的动力。在一些实施例中，所提取的功率足以驱动器件100。
在一些实施例中，在测量通过洛伦兹力磁性传感器101的磁场的同时，从集成能量收集器102的第二线环145提取动力。在其他实施例中，在测量通过洛伦兹力磁性传感器101的磁场之间，从集成能量收集器102的第二线环145提取动力。
图2是根据实施例的包括运动传感器201和形成在运动传感器的区域内的集成能量收集器102的器件200。器件200包括具有凸起结构的基板205和形成在基板205的表面上的接合焊盘207。凸起结构包括外部210、固定至基板205的锚状物部分215、脱离基板的游离部220和两组感应电极222、224。
运动传感器201包括锚状物部分215、游离部220、感应电极222、224、和发卡弹簧(hairpin spring)225。游离部220在游离部关于页面的相应顶部和底部边缘处通过发卡弹簧225被附着至锚状物部分215。发卡弹簧225允许游离部在沿着由附着至发卡弹簧225的游离部220的两侧的中间限定的轴B的方向相对于外部210移动。游离部220还自由地朝向或远离基板205(即，进入页面或出页面)移动。
游离部220包括远离游离部未附着至发卡弹簧225的一侧延伸的指状物229。感应电极222、224形成在指状物229的任一侧上，并且通过形成通过凸起结构210、215、220、222、224的过孔和形成在凸起结构之下的布线附着至(为了清楚起见，未示出)接合焊盘207。
在一些实施例中，发卡弹簧225由与允许游离部220在沿着轴B的方向上相对于外部210移动的本披露的实施例相匹配的其他弹性结构代替。
器件200进一步包括由线环230、形成在游离部220上的第一连线235的一部分和第二连线240的一部分形成的集成能量收集器202。线环230以螺旋形布置形成。线环230的第一端连接至形成在发卡弹簧225中之一上并且将游离部220连接至邻近锚状物部分215之一的第一连线235。线环230的第二端在游离部220的中心处并且连接至第二连线240的第一端。第二连线240在线环230的螺线之上交叉但是不电连接至其上。第二连线240形成在另一发卡弹簧225上，并且将游离部220连接至另一锚状物部分225。第一和第二连线235、240的第二端经由形成通过定位点(anchorpoint)225的过孔和形成在凸起结构210、215、220、222、224之下的布线连接(为了清楚起见，未示出)至接合焊盘207。
在操作中，当基板被加速时，游离部220相对于基板移动。游离部220的质量用作检测质量。如果基板205被加速，则检测质量是由发卡弹簧225的变形加速的质量。检测质量相对于基板的位移由加速度、发卡弹簧225的弹性、以及游离部220的检测质量确定。游离部220相对于基板的位移通过静电感应由电极222、224检测。从而，测量运动传感器201的加速度。在一些实施例中，游离部220朝向或远离基板的运动通过形成在游离部之下基板205上的可选电极检测。位于不同角度的附加类似传感器能够测量加速度的其他分量。
与器件200碰撞的磁场穿过线环230的螺线。磁场可以通过可选永磁体255产生。穿过由线环230形成的区域的总磁场的改变引起跨过环的端部的电压。所引起的电压与磁场的改变率成比例。从而，进入磁场或移出磁场的运动、磁场中的旋转或通过例如承载交变电流的电源线生成的交变磁场导致跨过线环230生成电压。
而且，如果线环的运动导致由线环包围的磁通量改变，则由于器件200的加速度导致的游离部220相对于基板205的运动引起跨过线环230的电压。在一些实施例中，永磁体255被集成到器件200中或者挨着器件200放置，以产生合适的磁场，其中，当被加速时，线环230移动通过该磁场。
不管如何生成跨过集成能量收集器202的线环230的电压，电压均被用于生成第二线环中的电流。与跨过第二线环230的电压和通过第二线环的电流的乘积成比例的动力从集成能量收集器202的第二线环被提取，并且被用于提供用于驱动器件200的动力。在一些实施例中，所提取的动力足以驱动器件200。
在一些实施例中，在测量运动传感器201的加速度的同时，从第二线环230提取动力。在其他实施例中，在运动传感器201的加速度的测量之间从第二线环230提取动力。
在至少一个实施例中，使用MEMS处理制造上述器件100、200。
图3A-图3K是根据实施例的在制造的多个阶段期间器件100或器件200的横截面视图。
在图3A中，金属层305被沉积在基板310上。金属层使用与本披露的实施例兼容的任何处理制造，例如，蒸发、溅射、化学汽相沉积或电镀。金属层305包括例如铜、金、银、镍、钛、钽、铬、硝酸钛、铝或其合金中的一个或多个。
在图3B中，使用与本披露的实施例兼容的任何处理图案化金属层305。图案化处理包括例如利用光刻胶的涂敷、通过掩膜使光刻胶曝光并且使光刻胶显影。随后，使用例如湿蚀刻处理、离子研磨(ion milling)、反应离子研磨或等离子体蚀刻蚀刻通过光刻胶露出的金属。在其他实施例中，金属层305通过剥离(lift-off)处理被形成和图案化。
图案化的金属层305形成电极132和从过孔到器件100的接合焊盘112的布线或者布线、在基板上的可选电极以及器件200的接合焊盘207。
在图3C中，氧化物层315形成在金属层310之上。氧化物层315通过例如化学汽相沉积、溅射或等离子体增强化学汽相沉积形成。氧化物层315被图案化，以使用类似于用于图案化层305的光刻处理和蚀刻处理中的一个或多个的处理形成凹坑320。
在图3D中，氧化物层315进一步被图案化，以使用类似于用于图案化层305的光刻处理和蚀刻处理中的一个或多个的处理形成不同高度的支柱325。
在图3E中，高掺杂的硅晶片330被熔化粘合至氧化物层315。高掺杂的硅晶片330向下生长至合适厚度，例如，30μm。器件200的游离部220和器件100的内部120由接地高掺杂硅晶片330最终形成。由于高掺杂的硅晶片330与合理沉积的多晶硅层的厚度相比非常厚，运动传感器201的游离部220与所沉积的多晶硅层相比具有大质量。从而，由游离部220形成的检测质量更厚重，并且与由所沉积的多晶硅层形成的传感器相比，运动传感器更敏感。
在图3F中，接地硅晶片330在一个或多个蚀刻处理中被图案化并且被蚀刻，以形成通孔335、沟槽340和支柱345。图案化和蚀刻处理类似于用于图案化层305的光刻处理和蚀刻处理中的一个或多个。
在图3G中，通孔335和沟槽340使用例如化学汽相沉积和抛光处理，用电绝缘材料(例如，二氧化硅)和导电材料360(例如，硝酸钛和钨)填充。沟槽中的材料形成器件100的第一和第二线环130、145和器件200的线环230以及将第一和第二线环130、145和线环230连接至接合焊盘112、207的过孔。
在图3H中，例如二氧化硅或氮化硅的绝缘材料365形成在接地硅晶片和导电材料360之上。在图案化的绝缘材料365之上，形成布线370。布线370与器件100的连线150和器件200的第一和第二连线235、240对应。
在图3I中，通过接地硅晶片330蚀刻狭槽375。狭槽375描绘器件100的内部120和弹性连接件125以及器件200的发卡弹簧225、锚状物部分215、游离部220和电极222、224。
在图3J中，覆盖晶片(capping wafer)380被粘着至金属305的在器件100和器件200周围形成粘结环(bonding ring)的一部分上。
在图3K中，可选硬磁层385被涂敷在基板310的背面和覆盖晶片380的顶面上。可选硬磁层385被磁化，使得如果第二线环145或线环230相对于磁场移动，则由磁化的磁层385形成的永磁体产生的场使得在第二线环145或线环230中生成电流。
图4A-图4L是根据另一实施例的在制造的多个阶段期间的器件100或器件200的横截面图。
在图4A中，绝缘层405被沉积在基板410的顶面和底面上。绝缘层405通过例如化学汽相沉积、溅射或者在通过热生长的二氧化硅的情况下，由例如二氧化硅或氮化硅形成。顶部和底部金属层407a/407b形成在绝缘层405上。金属层407使用与本披露的实施例兼容的任何处理制造，例如，蒸发、溅射、化学汽相沉积或电镀。金属层407a/407b包括例如铜、金、银、镍、钛、钽、铬、硝酸钛、铝或其合金中的一个或多个。
在图4B中，使用类似于用于图案化层305的光刻处理和蚀刻处理中的一个或多个的处理图案化和蚀刻顶部金属层407a。
在其他实施例中，通过剥离处理形成并且图案化金属层407a。在其他实施例中，金属层407a和407b是多晶硅。
图案化的顶部金属层407a形成电极132和从过孔到器件100的接合焊盘112的布线或基板上的布线、可选电极以及器件100的接合焊盘207。
在图4C中，氧化物层415形成在顶部金属层407a之上。氧化物层415通过例如化学汽相沉积、溅射或等离子体增强化学汽相沉积形成。
在图4D中，多晶硅层420被沉积在氧化物层415上。器件200的游离部220和器件100的内部120最终由多晶硅层420形成。
在图4E中，在一个或多个蚀刻处理中使用类似于用于图案化层305的光刻处理和蚀刻处理中的一个或多个的处理图案化和蚀刻多晶硅层420，以形成通孔425和凹槽430。
在图4F中，通孔425和凹槽430使用例如化学汽相沉积和抛光处理用导电材料435(例如，硝酸钛和钨)填充。凹槽中的材料形成器件100的第一和第二线环130、145以及第二器件200的线环230以及将第一和第二线环130、145和线环230连接至接合焊盘112、207的过孔。
在407a和407b为多晶硅的实施例中，氧化物层415被沉积并且被图案化以形成通孔425。多晶硅被沉积在氧化物层415之上，以形成连续多晶硅层420。连续多晶硅层随后被图案化，以形成凹槽430。导电材料435在凹槽430中形成。
在图4G中，例如二氧化硅或氮化硅的绝缘材料440形成在多晶硅层420和导电材料435之上。使用类似于用于图案化层305的光刻处理和蚀刻处理中的一个或多个的处理图案化和蚀刻绝缘材料440。在被图案化的绝缘材料440之上，形成布线445。布线445与器件100的连线150和器件200的第一和第二连线235、240对应。
在图4H中，通过多晶硅层420蚀刻狭槽450。狭槽450勾画器件100的内部120和弹性连接件125以及器件200的发卡弹簧225、锚状物部分215、游离部220和电极222、224。
在图4I中，通过例如HF蒸汽蚀刻或缓冲HF湿蚀刻，通过狭槽450蚀刻氧化物层415的多个部分455。
在图4J中，使用类似于用于图案化层305的光刻处理和蚀刻处理中的一个或多个的处理在多晶硅层420的顶部形成和图案化结合环460。
在其他实施例中，结合环460通过剥离处理形成和被图案化。在一些实施例中，在形成布线445的同时或者在紧跟着形成布线445之后，形成并且图案化结合环460。
在图4K中，覆盖晶片465被粘着至器件100或器件200周围的结合环460。
可选硬磁层385(图3K)被涂敷在底部金属层407b之上的基板410的背面和覆盖晶片380的顶面上。可选硬磁层385被磁化，使得如果第二线环145或线环230相对于磁场移动，则由磁化的磁层385形成的永磁体生成的场使得在第二线环145或线环230中生成电流。
在图3A-图3K和图4A-图4K中描述的处理中，覆盖晶片380、465和结合环形成保护器件100和器件200不受环境影响的密封(seal)。
图5是根据实施例的传感器系统500的功能图。传感器系统500包括MEMS传感器505、控制器510、信号处理电子器件515和可选永磁体520。MEMS传感器505包括具有上述能量收集器100、200的一个或多个MEMS传感器。控制器510控制MEMS传感器505并且从能量收集器收集能量，将所收集的能量重新分配给MEMS传感器505和信号处理电子器件515，从而减少传感器系统的功率消耗。在一些实施例中，MEMS传感器在与形成控制器510和信号处理电子器件515的基板相同的基板上。在一些实施例中，控制器510和信号处理电子器件515形成在MEMS传感器505下面的基板上。在一些实施例中，控制器510和信号处理电子器件515形成在与MEMS传感器505相同的基板上但是在基板的不同部分中，在与形成传感器的一侧相同的一侧或者不同的一侧处。在其他实施例中，用于传感器系统500的控制器510和信号处理电子器件515形成在独立基板和粘着至具有MEMS传感器505的基板的线或管芯上。可选永磁体520生成用于MEMS传感器505的能量收集器的磁场。
根据一些实施例，传感器包括基板、传感器元件和能量收集器件。传感器元件包括悬板(suspended plate)，并且悬板可相对于基板移动。能量收集器件形成在传感器元件的悬板上。
根据一些实施例中，传感器系统包括可移动板、能量收集器件和控制器。可移动板相对于传感器系统可移动并且适于响应于环境变化移动。能量收集器件形成在可移动板上。控制器适于至少使用从能量收集器件收集的能量给传感器系统供电。
根据一些实施例，制造传感器的方法包括：形成可移动板，形成能量收集线圈，以及在可移动板周围形成电极。可移动板形成在基板之上。能量收集线圈形成在可移动板中。电极在可移动板周围形成，并且电极适于感应可移动板的运动。
本领域技术人员将很容易想到，所披露的实施例实现了上述一个或多个优点。在读取以上说明之后，如在此广泛披露的，本领域技术人员能够作出等价物的改变、替换以及多种其他实施例。从而，在此准许的保护仅由所附权利要求及其等价物中包括的定义限制。

Claims (10)

1.一种器件，包括：
基板；
传感器元件，连接至所述基板并且包括板件，所述板件相对于所述基板可移动；以及
能量收集器件，所述能量收集器件形成在所述传感器元件的所述板件上。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述能量收集器件包括形成在所述板件上的线圈，
并且所述器件进一步包括：永磁体，被定位成使磁场通过所述线圈；控制器，适于控制使用由所述能量收集器件收集的能量的至少一部分给所述器件供电，
其中，所述能量收集器件适于使用所述板件的振動模式收集能量。
3.根据权利要求1所述的器件，所述传感器元件是磁场传感器，所述传感器元件是具有响应于所述板件的运动进行电容检测的洛伦兹力磁场传感器。
4.根据权利要求1所述的器件，所述传感器元件是运动传感器。
5.根据权利要求1所述的器件，所述传感器元件是具有响应于所述板件的运动进行电容检测的运动传感器。
6.一种系统，包括：
基板；
板件，相对于所述基板可移动，可移动板件适于响应于环境改变而移动；
能量收集器件，形成在可移动板件上；以及
控制器，适于控制使用由所述能量收集器件收集的能量的至少一部分给传感器系统供电。
7.根据权利要求6所述的系统，可移动板件形成在所述基板上，并且所述控制器形成在该相同的基板上，可移动板件形成在所述控制器之上，所述系统进一步包括：将可移动板件连接至所述基板的弹性连接件，并且所述能量收集器件包括形成在可移动板件上的经由所述弹性连接件连接至所述控制器的螺旋形线圈；以及永磁体，被定位成使磁场通过所述螺旋形线圈。
8.根据权利要求6所述的系统，所述能量收集器件适于使用可移动板件的振动模式收集能量，
所述系统进一步包括：电极，用于响应于所述可移动板件的运动进行电容检测，
其中，可移动板件进一步包括线环并且形成磁场传感器；或者
可移动板件进一步包括在所述电极之间从所述可移动板件延伸的指状物，可移动板件以及电极形成运动传感器。
9.一种制造器件的方法，包括：
在基板之上形成可移动板件；
在所述可移动板件中形成能量收集线圈；以及
在所述可移动板件周围形成电极，所述电极适于感应所述可移动板件的运动。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
形成至少一个弹簧或铰链，以将所述可移动板件连接至所述基板；以及
形成将所述能量收集线圈连接至形成在所述基板上的接合焊盘或控制电路中的至少一个上的布线。
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