CN102745641A - 具有用于应力隔离的中央锚的mems 装置 - Google Patents

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Abstract

一种MEMS装置(20)包括验证质块(32)，其耦接到不可移动结构(30)并且围绕所述不可移动结构。不可移动结构(30)包括从该结构(30)的主体(34)向外延伸的固定指(36，38)。验证质块(32)包括可移动指(60)，其每一都设置在一对(62)固定指(36，38)之间。主体(34)的中央区域(32)耦接到下面的基板(24)，而验证质块(32)和不可移动结构(30)的其余部分悬置在基板(24)上方，以将MEMS装置(20)与封装应力极大地隔离开。另外，MEMS装置(20)包括隔离沟槽(80)和互谅(46，50，64)，从而将固定指(36)、固定指(38)、可移动指(60)彼此电隔离，以形成差分装置结构。

Description

具有用于应力隔离的中央锚的MEMS 装置
技术领域
本发明一般地涉及微机电系统(MEMS)装置。更具体的，本发明涉及具有用于应力隔离的中央锚的MEMS装置。
背景技术
微机电系统(MEMS)装置广泛用在诸如汽车惯性引导系统、家用电器、各种装置的保护系统等应用中以及许多其它工业、科学和工程系统中。这些MEMS装置用于感测诸如加速度、压力、或温度等物理条件，以及提供表示所感测到的物理条件的电信号。
附图说明
通过结合附图参考详细说明以及权利要求，可以得到对本发明的更完整的理解，在整个附图中，相同的附图标记表示类似的部件：
图1示意性地示出了根据一个实施例的微机电系统(MEMS)装置的顶视图；
图2示出了沿图1的剖视线2-2的该MEMS装置的侧视图；
图3示出了MEMS装置的一部分的透视图；
图4示出了MEMS装置的一部分的放大顶视图；
图5示出了MEMS装置的一部分的放大顶视图；
图6示出了MEMS装置的锚区域的顶视图；
图7示出了MEMS装置的另一锚区域的顶视图；
图8示出了根据另一实施例的MEMS装置的顶视图；以及
图9示出了对于图8的MEMS装置的电路图。
发明内容
根据本发明一个方面，提供了微机电系统MEMS装置，包括：基板；第一结构，包括主体和从所述主体的外周界向外延伸的固定指，其中所述主体的中央区域耦接到所述基板，并且所述第一结构的其余部分悬置在所述基板上；框架结构，其围绕所述第一结构，并且悬置在所述基板上，所述框架结构可移动地耦接到所述第一结构，所述框架结构包括从所述框架结构的内周界向内延伸的可移动指，所述可移动指设置在一对所述固定指之间；锚元件，其延伸穿过所述第一结构的所述主体，并且耦接到所述基板；以及信号迹线，其将所述框架结构电连接到所述锚元件，并且所述框架结构、所述信号迹线、所述锚元件被与所述第一结构电隔离。
根据本发明另一方面，提供了一种微机电系统MEMS装置，包括：基板；第一结构，包括主体和从所述主体的外周界向外延伸的固定指，其中所述主体的中央区域耦接到所述基板，并且所述第一结构的其余部分悬置在所述基板上；框架结构，其围绕所述第一结构，并且悬置在所述基板上，所述框架结构可移动地耦接到所述第一结构，所述框架结构包括从所述框架结构的内周界向内延伸的可移动指，所述可移动指设置在一对所述固定指之间；多个隔离沟槽，其延伸穿过所述第一结构，其中所述隔离沟槽中的至少一个将所述固定指的对中的第一固定指与所述固定指的对中的第二固定指电隔离，并且所述隔离沟槽中的至少另一个将所述框架结构与所述第一结构电隔离；锚元件，其延伸穿过所述第一结构的所述主体，并且耦接到所述基板；以及信号迹线，其将所述框架结构电连接到所述锚元件，并且所述框架结构、所述信号迹线、所述锚元件被与所述第一结构电隔离。
根据本发明又一方面，提供了一种微机电系统MEMS装置，包括：基板；第一结构，包括主体和从所述主体的外周界向外延伸的固定指，其中所述主体的中央区域耦接到所述基板，并且所述第一结构的其余部分悬置在所述基板上，并且所述第一结构还包括延伸穿过所述主体的孔隙；框架结构，其围绕所述第一结构，并且悬置在所述基板上，所述框架结构可移动地耦接到所述第一结构，所述框架结构包括从所述框架结构的内周界向内延伸的可移动指，所述可移动指设置在一对所述固定指之间；锚元件，其驻留在所述孔隙内，并且延伸穿过所述主体以耦接到所述基板，所述锚元件的尺寸被确定为使得在所述锚元件的外侧表面和所述主体的内侧表面之间形成间隙区域；以及信号迹线，其将所述框架结构电连接到所述锚元件，所述信号迹线包括：迹线结构，其具有绝缘层和导电层；第一通孔，处于所述迹线结构的第一端，所述第一通孔将所述框架结构与所述导电层电耦接；以及第二通孔，处于所述迹线结构的第二端，所述第二通孔将所述锚元件与所述导电层电耦接，并且所述绝缘层插入在所述第一结构和所述导电层之间使得所述框架结构、所述信号迹线、所述锚元件被与所述第一结构电隔离。
具体实施方式
许多微机电系统(MEMS)装置应用要求小的尺寸和更低成本的封装以满足苛刻的成本目标。另外，MEMS装置应用需要较低的温度偏移系数(TCO)规范。TCO是测量有多少热应力影响半导体装置(诸如，MEMS装置)的性能的手段。高TCO相应表示高的热致应力。MEMS装置的制造和封装应用常常使用各种具有不类似的热膨胀系数的材料。由于不同材料在存在温度变化时以不同的速率膨胀和收缩，因此MEMS装置的有源换能器层可能由于不同材料的不同尺寸变化而经历拉伸、弯曲、翘曲以及其他形变。因此，在制造或操作期间，常常出现显著的热应力，即，不期望地高的TCO。
另外，应力可以由于在终端应用中将封装的MEMS装置焊接到印刷电路板上而引起。这些封装应力可以改变其上安装MEMS传感器的基板的应变，导致偏移漂移或者位移。而且，基板可能经受某些非恒定应变，诸如跨基板表面的不均匀的拉伸、弯曲或翘曲。由封装应力和基板应变所引起的位移可以导致感测信号的变化，因此不利地影响MEMS装置的输出性能。
本发明的实施例实现了一种MEMS装置，其中该MEMS装置被极大地与下面的基板隔离。该隔离是通过相对于现有技术的装置显著减少元件到基板的连接以及通过使这些连接位于彼此很近的范围内并且在基板的中央局域处而实现的。在一个实施例中，MEMS装置包括多个感测指的高的高宽比(aspect ratio)的多晶硅结构层，所述多个感测指被用于提供电隔离的隔离沟槽分离开。利用导电信号迹线(这里也称作互连)来将不同感测指一起连接到相同的电位。锚的中央化的配置以及最小化的数量的锚，降低了应力在基板平面的不一致性以及不规则性的不利影响。另外，通过利用隔离沟槽以及导电互连，可以将感测指放置在交替位置，以使得能够差分地感测以改善灵敏度。因此，该MEMS装置较不易于受热引起的封装应力梯度的影响，并且可以容易地实现为低成本、紧凑的、差分感测的换能器。
参考图1和2，图1示意性地示出了根据一个实施例的微机电系统(MEMS)装置20的顶视图。图2示出了沿图1的剖视线2-2的MEMS装置20的侧视图。利用多种阴影和/或阴影线绘制图1和2以区分MEMS装置20的结构层内所制造的不同元件的导电路径，如下面将说明的。在图2中为了清楚说明起见，提供了插图22，其包括所使用的元件和/或图案的解释性列表，以示出特定于每一元件的信号路径。可以利用当前的以及未来的沉积、图案化、蚀刻等表面微加工技术来制造MEMS装置20的结构层内的不同元件。因此，尽管在图示中采用了不同的阴影和/或阴影线，但是结构层内的不同元件和互连可以由相同的材料形成，所述材料诸如多晶硅、单晶硅等。
MEMS装置20的元件(下面将讨论)可以被多样地描述成“附接到”、“耦接到”、或“固定到”MEMS装置20的其他元件，或者描述成“与其他元件附接”或“与其他元件互连”。然而，应当理解，这些术语是指MEMS装置20的特定元件在其形成过程中通过MEMS制造的图案化和蚀刻工艺而发生的直接或间接的物理连接。
MEMS装置20包括基板24、结构层26、以及互连层28。在一个实施例中，结构层26中形成的元件包括第一结构(这里称作不可移动结构30)以及框架结构(这里称作验证质块32)。通常，不可移动结构30被锚固于基板24，从而其被认为是相对于基板24不可移动的。相反，验证质块32可移动地耦接到不可移动结构30，并因而，如下面将讨论的，能够相对于不可移动结构30移动。
不可移动结构30包括主体34。多个固定梁(beam)(这里称作第一固定指36和第二固定指38)从主体34的外周界40向外延伸。第一和第二固定指36和38分别与基板24的表面44基本平行，并且基本与Y轴(以箭头41表示)平行地取向。不可移动结构30可以包括多个交替的第一和第二固定电极指36和38，为了清楚图示起见仅示出了其中的一些。图1中提供的省略号表示根据特定的设计要求和尺寸约束，可以存在任意数目的交替的第一和第二固定指36和38。
主体34的中央区域42(在图1中以其上标有“X”的虚线盒表示)耦接到下面的基板24的表面44，而不可移动结构30的其余部分(包括第一和第二固定指36和38)分别悬置于表面44上方。MEMS装置20进一步包括形成在互连层28中的第一信号迹线(这里将其称作第一互连46)，其将每一第一固定指36彼此电连接并将其电连接到定位在中央区域42附近的第一锚元件48。类似地，还在互连层28中形成第二信号迹线(再次将其称作第二互连50)，并且第二信号迹线将每一第二固定指38彼此电连接，并将其电连接到定位在中央区域42附近的第二锚元件52。第一和第二锚元件48和52中的每一个各自延伸通过不可移动结构30的主体34，并耦接到下面的基板24的表面44。
如图1和2中所示，主体34以浅色点阴影表示。另外，第一固定指36、第一互连46、以及第一锚元件48被连接在相同的电位，以形成到设置在基板24上的嵌入的电连接(图中不可见)的第一信号路径54(以向右下指向的窄阴影线表示)。第二固定指38、第二互连50、以及第二锚元件52被连接在相同的电位，以形成到设置在基板24上的另一嵌入的电连接(图中不可见)的第二信号路径54(以向右上指向的窄阴影线表示)。这里使用的术语“第一”和“第二”并不是指多个可数的元件系列中元件的顺序或优先级。而是，这里使用术语“第一”、“第二”和“第三”等来区分类似的或相关的元件，诸如固定指36和38、信号路径54和56等，以便使论述清楚。
验证质块32悬置在基板24上方，并且围绕不可移动结构30。验证质块32经由顺从性部件(在此称作弹簧58(图1中可见)耦接到不可移动结构30。验证质块32包括多个可移动的梁(在此称其为可移动电极指60)，其从验证质块32的内周界61向内延伸。可移动电极指60取向基本与羁绊24的表面44平行，并且取向基本与Y轴41平行。每一可移动指60被分别设置在一对(62)第一和第二固定指36和38之间。
MEMS装置20还包括第三信号迹线(在此称其为第三互连64)，第三信号迹线将每一可移动指60彼此电连接，并将其连接到定位临近于中央区域42的第三锚元件66。可移动指60、弹簧58、第三互连64、以及第三锚元件66被连接在相同的电位，以形成到设置在基板24上的嵌入的电连接(图中不可见)的第三信号路径68(以更深色的点状阴影表示)。如下面将详细讨论的，MEMS装置20的结构使得第一、第二和第三信号路径54、56和68中的每一个分别与另一个电隔离。
在所示的实施例中，MEMS装置20可以是具有电容感测能力的加速度计。通常，弹簧58将验证质块32悬置在基板24上，在与基板22平行的中性位置，直到由于某些其他手段而导致的力的选择性的施加导致验证质块32偏离或移动。举例来说，在MEMS装置20经历基本与X轴70平行的加速度时，MEMS装置20的验证质块32移动。如本领域技术人员知道的，验证质块32相对于X轴70的横向移动可以通过与验证质块32的可移动电极指60中的一个交错的每一对62的第一和第二固定电极指36和38来检测。随后可以通过电子装置(未示出)将该横向移动转换成依赖于加速度的具有参数幅度的信号(例如，电压、电流、频率等)。在该示例中，MEMS装置20可以是用于检测在X方向70上的横向移动的单轴加速度计。然而，替代的实施例可以实现双轴加速度计或其他MEMS感测装置。
具有第一和第二固定指36和38的不可移动结构30以及具有可移动指60的验证质块32形成在结构层26中。结构层26可以是例如多晶硅结构层，其可以具有例如在二和五十微米之间的高度72。在一个实施例中，高度72可以是大约25微米。另外，指36、38和60呈现出宽度74，并且在每一第一和第二固定指36和38与相应的可移动指60之间的间隙76呈现出宽度78。宽度74和78可以小于五微米，例如，大约两微米。优选的高度72和宽度74和78由应用和期望的选择性决定。
在该示例性实施例中，当指36、38和60的宽度74为大约两微米时，梁36、38和60具有12∶1的高的高宽比(高度72对宽度74的比)。类似的，当宽度79为大约两微米时，可移动指60与第一和第二固定指36和38之间的间隙76具有12∶1的高的高宽比(高度72对宽度78的比)。该高的高宽比增加了可移动指60与第一和第二固定指36和38之间的表面积，并且因此提供了更大的感测电容。该增加的感测电容还提供了增加的信噪比。另外，不可移动结构30和验证质块32的高的垂直高宽比导致相对更大的质块和更大的惯量，并因此降低了热噪声。
在一个实施例中，MEMS装置20包括隔离沟槽80，其完全延伸通过多晶硅结构层26的高度72。隔离沟槽80可以形成在不可移动结构30的主体34的相反的端部。弹簧58被横向地锚固到隔离沟槽80中的至少一个。另外，隔离沟槽80可以沿主体34的外周界40形成(在图3中最佳地示出)。如此，第一和第二固定指36和38中的每一个分别横向锚固到隔离沟槽80中的至少一个。隔离沟槽80填充有绝缘材料82.在一个实施例中，该绝缘材料82可以是例如氮化物(诸如，氮化硅)或氧化物(诸如，氧化硅)。因此，隔离沟槽80将第一固定指36、第二固定指38、以及可移动指60彼此电隔离。
在所示的实施例中，隔离环84分别围绕第一、第二和第三锚元件48、52和66中的每一个。与隔离沟槽80类同地，隔离环84填充有绝缘材料82，诸如氮化硅。因此，隔离环84将锚元件48、52、66与不可移动结构30电隔离。隔离沟槽80和隔离环84大的绝缘材料82由右下指向的宽的阴影线表示。
隔离沟槽80可以另外在MEMS装置20的特定元件之间提供桥来支持电接触。例如，验证质块32经由弹簧58和电信号迹线(诸如，第三互连64)电连接到第三锚元件66。更具体地，第三互连64包括具有绝缘层86和导电层88的迹线结构。绝缘层86由绝缘材料82形成。因此，绝缘层86也由右下执行的宽的阴影线表示。
该迹线结构的第一端92处的第一通孔90将验证质块32与导电层88电耦接。第三锚元件66上面的该迹线结构的第二端96处的第二通孔94将下面的锚元件66与导电层88电耦接。然而，不可移动结构30被通过隔离沟槽80和隔离环84以及插入在主体34与第三互连64的导电层88之间的绝缘层86而与导电路径隔离。第一和第二互连46和50被类似地形成，并且第一和第二互连46和50桥连跨过适当的隔离沟槽80和隔离环84以提供所需要的电连接。
图3示出了MEMS装置20的一部分的透视图。更具体地，图3示出了不可移动结构30的一部分，包括第一固定指36中的两个和第二固定指38中的一个。在该示例中，隔离沟槽80沿主体34的外周界形成，并且第一和第二固定指36和38中的每一个分别横向地锚固到隔离沟槽80中的至少一个。如图所示，另外的隔离沟槽80也可以延伸通过主体34，以将第一和第二固定指36和38进一步电隔离。
在图3中，电连接98桥连跨过隔离沟槽80，第一和第二固定指36和38所横向锚固于该隔离沟槽80。电连接98中的每一个包括绝缘层86、导电层88、第一通孔90(以矩形表示)、以及第二通孔94(以矩形表示)。导电路径被形成为从第一和第二固定指36和38中的一个，通过第一通孔90、通过桥连跨过隔离沟槽80的导电层88、通过通孔94，到主体34中被另外的隔离沟槽80所隔离的一部分主体34。
图3还分别示出了第一和第二互连46和50的一部分。第一互连46包括通孔100(以矩形表示)，第二互连50包括通孔102(以矩形表示)。如前面所说明的，第一和第二互连46和50中的每一个包括插入在主体34和相应的第一和第二互连46和50之间的绝缘层86。通孔100和102表示其中下面的绝缘层86不存在或者缺失的那些位置。因此，通孔100将每一第一固定指36电耦接到第一互连46，而相邻的第二固定指38被与该第一固定指36电隔离。类同地，通孔102将每一第二固定指38电耦接到第二互连50，而相邻的第一固定指36被与该第二固定指38电隔离。
图4示出了根据另一实施例的MEMS装置20的一部分的放大顶视图。如图所示，从验证质块32延伸的可移动指60中的一个设置在每一对62的第一和第二固定指36和38之间。在该实例中，隔离沟槽80不沿着主体34的外周界40形成，并且第一和第二固定指36和38中的相应的每一个并不横向锚固到隔离沟槽80中的至少一个。而是，延伸通过主体34的隔离沟槽80将第一和第二固定指36和38电隔离。具有通孔100的第一互连46将每一第一固定指36彼此电耦接。类同地，具有通孔102的第二互连50将每一第二固定指38彼此电耦接。
图5示出了MEMS装置20的一部分的另一放大顶视图。再次地，从验证质块32延伸的可移动指60中的一个设置在每一对62的第一和第二固定指36和38之间。隔离沟槽80沿着主体34的外周界40形成，从而第一和第二固定指36和38中的每一个分别横向地锚固到隔离沟槽80中的至少一个。在该实例中，隔离沟槽80在第一和第二互连46和50下面，以提供用于互连46和50的桥。另外，隔离沟槽80耦接第一和第二固定指36和38，来为不可移动结构30提供机械刚性。
电连接104桥连跨过隔离环84，以将第一互连46与第一锚元件48电耦接。类同地，电连接106桥连跨过隔离环84，以将第二互连50与第二锚元件52电耦接。
可以利用表面微加工技术来制造MEMS装置20，其具有悬置的不可移动结构30和验证质块32，并且具有多个感测指36和38的高的高宽比的多晶硅结构层26(图1)，所述多个感测指36和38由提供电隔离的隔离沟槽80分开。表面微加工技术可以根据已知和未来的技术来实现多种绝缘层、牺牲层、多晶硅层、以及互连层等的沉积、图案化和蚀刻。特别是，可以利用各种已知的和将来的用于厚膜沉积的工艺来形成结构层26(图1)。然后，可以通过利用例如多晶硅深反应离子蚀刻(DRIE)来蚀刻穿过结构层26的整个厚度以形成延伸穿过结构层26的开口，来在结构层26中形成隔离沟槽80。然后，可以在一个或更多个操作中沉积绝缘材料82(图2)，诸如氮化物，以完全填充开口。
然后，可以在结构层26的顶表面上沉积绝缘层86，来将结构层26的不同区域彼此电绝缘。可以根据MEMS装置20的具体设计和功能，来通过蚀刻去除绝缘层86，以形成各种通孔90、92、100、102。然后，可以在绝缘层82上沉积导电材料来填充通孔90、92、100和102。所述导电材料可以是掺杂的硅、掺杂的锗、或者多种金属(例如，铝、铜、钼、钽、钛、镍、钨)中的一种、或者任何其他适当的导电材料。然后将导电材料图案化并蚀刻以形成互连层28(图1)，该互连层28包括信号迹线(例如，第一、第二和第三互连46、50、64)以及电连接98。接着，进行蚀刻以去除适当的牺牲层，以使得不可移动结构30和验证质块32悬置在基板24上方，而其余的连接点处于中央区域42(图1)和锚元件48、52和66(图1)。因此，现在根据MEMS装置20的一种特定的设计，验证质块32和可移动电极指60可移动地悬置，但是通过隔离沟槽80与不可移动结构30的元件电隔离。
图6示出了根据替代实施例的MEMS装置20的锚区域108的顶视图。上面描述了MEMS装置20，其中第一和第二锚元件46和52中的每一个延伸通过不可移动结构30，并且耦接到下面的基板24。隔离环84(图2)填充每一锚元件46和52与主体34的围绕部分之间的间隙，以提供锚元件46或52与主体34之间的电隔离。
由于例如锚元件46和52耦接到基板24的地方基板24的形变，锚元件46和52可以相对于主体34移动。该形变可能导致对不可移动结构30的主体34施加应力。在该替代实施例中，包含应力释放特征以减轻由于应力而导致的问题。结合第二锚元件52描述了该替代实施例。然而，下面的讨论也等同地应用于第一锚元件46。
第二锚元件52驻留在延伸穿过主体34的孔隙110中。第二锚元件52的大小被确定为使得在第二锚元件52的外侧表面114和主体34的内侧表面116之间形成间隙区域112。如图6中所示，下面的基板24(以点状图案表示)通过间隙区域112可见。顺从性部件118驻留在间隙区域112中，并且互连在第二锚元件52和主体34之间。顺从性部件118使得第二锚元件52能够由于例如基板24的形变而独立于主体34移动，从而应力不被转移到不可移动元件30的主体34。
电连接120包括通孔102，其电耦接到第二固定指38。另外，电连接120包括通孔122，其电耦接到顺从性部件118，以提供第二固定指38与第二锚元件52的电耦接。
图7示出了MEMS装置20的另一锚区域124的顶视图。分别与第二和第二锚元件46和52相同地，如上存在第三锚元件66，隔离环84(图2)填充每一第三锚元件66和主体34的围绕部分之间的间隙以提供电隔离。然而，如锚元件46和52一样，锚元件66也可以相对于主体34移动，导致对不可移动结构的主体34施加应力。该替代实施例也包括应力释放特征，以减轻由于应力而导致的问题。该应力释放特征可以等同地应用于第三锚元件66两者。
第三锚元件66驻留在延伸穿过主体34的孔隙126中。第三锚元件66的大小被确定为使得在第三锚元件66的外侧表面130和主体34的内侧表面116之间形成间隙区域128。如图7中所示的，下面的基板24(以点状图案表示)通过间隙区域128可见。顺从性部件132驻留在间隙区域138中。顺从性部件132物理且电地连接到第三锚元件66和第三互连64中的每一个。第三互连64延伸到主体34中形成的隔离沟槽80，并且与隔离沟槽80耦接。因此，第三互连64耦接到主体34，但是与主体34电隔离。顺从性部件132使得第三锚元件66能够由于例如24的形变而移动，从而应力不被转移到不可移动元件30的主体34。
图8示出了根据另一实施例的MEMS装置134的顶视图。MEMS装置134类似于MEMS装置20(图1)。如此，对于MEMS装置20和134共同的元件共用相同的附图标记。例如，MEMS装置20包括具有主体34的不可移动结构30以及从主体34的外周界40向外延伸的第一和第二固定指36和38。主体34的中央区域42耦接到下面的基板24的表面44(以点状图案表示)，而不可移动结构30的其余部分(包括第一和第二固定指36和38)分别悬置在表面44上方。第一信号迹线(即，第一互连46)将每一第一固定指36彼此电耦接，并且将其电耦接到位置临近中央区域42的第一锚元件48。类似地，第二信号迹线(即，第二互连50)将每一第二固定指38彼此电耦接，并且将其电耦接到位置临近中央区域42的第二锚元件52。
框架结构(在此称作验证质块136)悬置在基板24上方，并且围绕可移动结构30。验证质块136经由第一弹簧138和第二弹簧140耦接到可移动结构30。一对隔离沟槽142延伸通过验证质块136以形成验证质块136的第一质块部分144和第二质块部分146。第一和第二质块部分144和146被物理连接，以形成质块136的框架结构，但是由于含有隔离沟槽142而被彼此电隔离。第一组可移动梁(在此称作第一可移动指148)从第一质块部分144的第一内周界150向内延伸，而第二组可移动梁(在此称作第二可移动指152)从第二质块部分146的第二内周界154向内延伸。每一可移动指148和152被分别设置在一对62的第一和第二固定指36和38之间。
MEMS装置134还包括第三信号迹线(这里称其为第三互连156)，第三信号迹线将每一第一可移动指148彼此电耦接，并将其电耦接到定位临近于中央区域42的第三锚元件158。第四信号迹线(这里称其为第四互连160)将每一第二可移动指152彼此电耦接，并将其电耦接到定位临近于中央区域42的第四锚元件162。第三和第四锚元件158和162分别彼此电隔离。因此，第一质块部分144的第一可移动指148、第一弹簧138、第三互连156、以及第三锚元件158被连接在相同的电位，以形成到设置在基板24上的嵌入的电连接(图中不可见)的第三信号路径164。而第二质块部分146的第二可移动指152、第二弹簧140、第四互连160、以及第四锚元件被连接在相同的电位，以形成到设置在基板24上的嵌入的电连接(图中不可见)的第四信号路径166。
MEMS装置20(图1)被实施为单端半桥(half-bridge)配置。通常，通过驱动MEMS装置20的每一固定指36和38，并取可移动指60(图1)作为输出，来测量电容的变化。相反，MEMS装置134的结构使得第一、第二、第三、和第四信号路径54、56、164和166能够分别与另一个电隔离。如此，MEMS装置134是全差分换能器。全差分全桥电容性传感器(诸如，MEMS装置134)的灵敏度可以几乎是半桥拓扑结构的灵敏度的两倍。因此，就改善的信噪比而言可以实现显著的增益。
结合图8参考图9，图9示出了用于MEMS装置134的电路图168。更具体地，电路图168表示MEMS装置134的全桥配置的电容性输出170，ΔC。在MEMS装置134的全差分、全桥、电容性配置中，电容性输出170根据四个电容(表示为，CM1C1、CM2C1、CM2C2和CM1C2)而变。
总之，本发明的实施例实现了一种MEMS装置，其中该MEMS装置被极大地与下面的基板隔离。该隔离是通过使固定电极指和可移动验证质块悬置实现的，从而相对于现有技术装置，显著地减少了元件到基板的连接。另外，连接点彼此非常近，并且紧邻基板的中央区域。锚的中央化的配置和最小化的锚的量降低了基板平面上应变(封装应力)的不一致性和不规则性对MEMS装置的不利影响。另外，MEMS装置被连接在一个机械件中，其包括被用于电隔离的隔离沟槽所分开的多个感测指的结构层。利用导电互连来将不同感测指一起连接到相同电位。通过利用隔离沟槽以及导电互连，可以将感测指放置在交替的位置，以使得能够以改善的灵敏度进行差分感测。因此，这种中央锚固的MEMS装置较不易受热致封装应力梯度的影响，并且容易被实现为低成本的、紧凑的、差分感测换能器。
尽管上面详细示出并描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域技术人员显而易见的是，可以在其中进行多种修改而不偏离本发明的精神或所附权利要求的范围。

Claims (20)

1.微机电系统MEMS装置，包括：
基板；
第一结构，包括主体和从所述主体的外周界向外延伸的固定指，其中所述主体的中央区域耦接到所述基板，并且所述第一结构的其余部分悬置在所述基板上；
框架结构，其围绕所述第一结构，并且悬置在所述基板上，所述框架结构可移动地耦接到所述第一结构，所述框架结构包括从所述框架结构的内周界向内延伸的可移动指，所述可移动指设置在一对所述固定指之间；
锚元件，其延伸穿过所述第一结构的所述主体，并且耦接到所述基板；以及
信号迹线，其将所述框架结构电连接到所述锚元件，并且所述框架结构、所述信号迹线、所述锚元件被与所述第一结构电隔离。
2.如权利要求1所述的MEMS装置，其中所述一对固定指包括第一固定指和第二固定指，并且所述MEMS装置进一步包括延伸穿过所述第一结构的至少一个隔离沟槽，所述至少一个隔离沟槽将所述第一固定指与所述第二固定指电隔离。
3.如权利要求2所述的MEMS装置，其中所述锚元件是第一锚元件，所述信号迹线是第一信号迹线，并且所述MEMS装置进一步包括：
第二锚元件，其延伸穿过所述第一结构的所述主体，邻近所述中央区域并且耦接到所述基板；
第二信号迹线，其将所述第一固定指与所述第二锚元件电连接；
第三锚元件，其延伸穿过所述第一结构的所述主体，邻近所述中央区域并且耦接到所述基板；以及
第三信号迹线，其将所述第二固定指与所述第三锚元件电连接，其中所述第三锚元件和所述第三信号迹线被与所述第二锚元件和所述第二信号迹线电隔离。
4.如权利要求3所述的MEMS装置，其中：
所述第一结构包括多对从所述主体的所述外周界向外延伸的所述固定指；
所述框架结构包括多个从所述框架结构的内周界向内延伸的可移动指，每一个所述可移动指设置在所述多对固定指中的一对固定指之间；
所述第二信号迹线将所述多对固定指中的每一对中的第一指电连接到所述第二锚元件；以及
所述第三信号迹线将所述所述多对固定指中的所述每一对中的第二指电连接到所述第三锚元件。
5.如权利要求1所述的MEMS装置，还包括：
隔离沟槽，其在所述主体和所述固定指之间延伸穿过所述第一结构，从而每一所述固定指横向锚固到所述隔离沟槽中的一个，所述隔离沟槽包括绝缘体材料。
6.如权利要求5所述的MEMS装置，还包括：
第二锚元件，其延伸穿过所述主体，邻近所述中央区域，并且耦接到所述基板；
第三锚元件，其延伸穿过所述主体，邻近所述中央区域，并且耦接到所述基板，所述第三锚元件被与所述第二锚元件电隔离；
第一电连接，其位于所述隔离沟槽中的至少一个的上面，并且将所述固定指的对中的第一指电连接到所述第二锚元件；以及
第二电连接，其位于所述隔离沟槽中的另一个的上面，并且将所述固定指的对中的第二指电连接到所述第三锚元件，并且所述第二电连接被与所述第一电连接电隔离。
7.如权利要求1所述的MEMS装置，还包括：
至少一个隔离沟槽，其插入在所述第一结构和所述框架结构之间，所述隔离沟槽将所述框架结构与所述第一结构电隔离。
8.如权利要求1所述的MEMS装置，其中所述信号迹线包括：
迹线结构，其具有绝缘层和导电层；
第一通孔，处于所述迹线结构的第一端，所述第一通孔将所述框架结构与所述导电层电耦接；以及
第二通孔，处于所述迹线结构的第二端，所述第二通孔将所述锚元件与所述导电层电耦接，并且所述绝缘层插入在所述第一结构和所述导电层之间。
9.如权利要求1所述的MEMS装置，其中所述第一结构包括延伸穿过所述主体的孔隙，所述锚元件驻留在所述孔隙内，并且所述锚元件的尺寸被确定为使得在所述锚元件的外侧表面和所述主体的内侧表面之间形成间隙区域。
10.如权利要求9所述的MEMS装置，还包括：
顺从性部件，其驻留在所述间隙区域中，并且互连在所述锚元件和所述第一结构的所述主体之间，所述顺从性部件被电连接到每一个所述锚元件，并且所述信号迹线和所述顺从性部件被与所述第一结构的所述主体电隔离。
11.如权利要求1所述的MEMS装置，还包括：
隔离环，其围绕延伸穿过所述主体的所述锚元件，所述隔离环将所述锚元件与所述第一结构电隔离。
12.如权利要求1所述的MEMS装置，其中所述固定指的对是第一对固定指，所述固定指包括第二对固定指，所述可移动指是第一可移动指，并且所述框架结构还包括：
隔离沟槽，其延伸穿过所述框架结构以形成所述框架结构的第一质块部分和第二质块部分，通过所述隔离沟槽将所述第二质块部分与所述第一质块部分电隔离，所述第一可移动指从所述第一质块部分的内周界向内延伸；以及
第二可移动指，其从所述第二质块部分的内周界向内延伸，所述第二可移动指设置在所述第二对固定指之间。
13.一种微机电系统MEMS装置，包括：
基板；
第一结构，包括主体和从所述主体的外周界向外延伸的固定指，其中所述主体的中央区域耦接到所述基板，并且所述第一结构的其余部分悬置在所述基板上；
框架结构，其围绕所述第一结构，并且悬置在所述基板上，所述框架结构可移动地耦接到所述第一结构，所述框架结构包括从所述框架结构的内周界向内延伸的可移动指，所述可移动指设置在一对所述固定指之间；
多个隔离沟槽，其延伸穿过所述第一结构，其中所述隔离沟槽中的至少一个将所述固定指的对中的第一固定指与所述固定指的对中的第二固定指电隔离，并且所述隔离沟槽中的至少另一个将所述框架结构与所述第一结构电隔离；
锚元件，其延伸穿过所述第一结构的所述主体，并且耦接到所述基板；以及
信号迹线，其将所述框架结构电连接到所述锚元件，并且所述框架结构、所述信号迹线、所述锚元件被与所述第一结构电隔离。
14.如权利要求13所述的MEMS装置，其中所述锚元件是第一锚元件，所述信号迹线是第一信号迹线，并且所述MEMS装置进一步包括：
第二锚元件，其延伸穿过所述第一结构的所述主体，邻近所述中央区域并且耦接到所述基板；
第二信号迹线，其将所述第一固定指与所述第二锚元件电连接；
第三锚元件，其延伸穿过所述第一结构的所述主体，邻近所述中央区域并且耦接到所述基板；以及
第三信号迹线，其将所述第二固定指与所述第三锚元件电连接，其中所述第三锚元件和所述第三信号迹线被与所述第二锚元件和所述第二信号迹线电隔离。
15.如权利要求13所述的MEMS装置，其中所述隔离沟槽中的所述至少一个在所述主体和所述固定指之间延伸穿过所述第一结构，从而每一所述固定指横向锚固到所述隔离沟槽中的一个。
16.如权利要求13所述的MEMS装置，其中所述固定指的对是第一对固定指，所述固定指包括第二对固定指，所述可移动指是第一可移动指，并且所述框架结构还包括：
隔离沟槽，其延伸穿过所述框架结构以形成所述框架结构的第一质块部分和第二质块部分，通过所述隔离沟槽将所述第二质块部分与所述第一质块部分电隔离，所述第一可移动指从所述第一质块部分的内周界向内延伸；以及
第二可移动指，其从所述第二质块部分的内周界向内延伸，所述第二可移动指设置在所述第二对固定指之间。
17.如权利要求16所述的MEMS装置，其中所述锚元件是第一锚元件，所述信号迹线是第一信号迹线，并且所述MEMS装置进一步包括：
第二锚元件，其延伸穿过所述第一结构的所述主体，邻近所述中央区域并且耦接到所述基板；
第二信号迹线，其将所述第二对固定指中的第三固定指和所述第一固定指中的每一个与所述第二锚元件电连接；
第三锚元件，其延伸穿过所述第一结构的所述主体，邻近所述中央区域并且耦接到所述基板；以及
第三信号迹线，其将所述第二对固定指中的第四固定指和所述第二固定指中的每一个与所述第三锚元件电连接，其中所述第三锚元件和所述第三信号迹线被与所述第二锚元件和所述第二信号迹线电隔离。
18.一种微机电系统MEMS装置，包括：
基板；
第一结构，包括主体和从所述主体的外周界向外延伸的固定指，其中所述主体的中央区域耦接到所述基板，并且所述第一结构的其余部分悬置在所述基板上，并且所述第一结构还包括延伸穿过所述主体的孔隙；
框架结构，其围绕所述第一结构，并且悬置在所述基板上，所述框架结构可移动地耦接到所述第一结构，所述框架结构包括从所述框架结构的内周界向内延伸的可移动指，所述可移动指设置在一对所述固定指之间；
锚元件，其驻留在所述孔隙内，并且延伸穿过所述主体以耦接到所述基板，所述锚元件的尺寸被确定为使得在所述锚元件的外侧表面和所述主体的内侧表面之间形成间隙区域；以及
信号迹线，其将所述框架结构电连接到所述锚元件，所述信号迹线包括：
迹线结构，其具有绝缘层和导电层；
第一通孔，处于所述迹线结构的第一端，所述第一通孔将所述框架结构与所述导电层电耦接；以及
第二通孔，处于所述迹线结构的第二端，所述第二通孔将所述锚元件与所述导电层电耦接，并且所述绝缘层插入在所述第一结构和所述导电层之间使得所述框架结构、所述信号迹线、所述锚元件被与所述第一结构电隔离。
19.如权利要求18所述的MEMS装置，还包括：
顺从性部件，其驻留在所述间隙区域中，并且互连在所述锚元件和所述第一结构的所述主体之间，所述顺从性部件被电连接到所述锚元件和所述信号迹线中的每一个，并且所述顺从性部件被与所述第一结构电隔离。
20.如权利要求18所述的MEMS装置，其中所述锚元件是第一锚元件，所述信号迹线是第一信号迹线，并且所述MEMS装置进一步包括：
至少一个隔离沟槽，其延伸穿过所述第一结构，所述至少一个隔离沟槽将所述固定指的对中的第一固定指与第二固定指电隔离；
第二锚元件，其延伸穿过所述第一结构的所述主体，邻近所述中央区域并且耦接到所述基板；
第二信号迹线，其将所述第一固定指与所述第二锚元件电连接；
第三锚元件，其延伸穿过所述第一结构的所述主体，邻近所述中央区域并且耦接到所述基板；以及
第三信号迹线，其将所述第二固定指与所述第三锚元件电连接，其中所述第三锚元件和所述第三信号迹线被与所述第二锚元件和所述第二信号迹线电隔离。
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