CN102812375A - 利用改进惯性元件的微机电磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微机电系统（MEMS）。所述MEMS包括：基底；从基底向上延伸的第一枢轴；第一杆件臂，其随着第一纵向轴线在基底之上延伸，且可枢转地安装到第一枢轴以绕第一枢转轴线枢转；第一电容器层，其在第一杆件臂的第一电容器部分之下的位置形成在基底上；第二电容器层，其在第一杆件臂的第二电容器部分之下的位置形成在基底上，其中第一枢轴在沿着第一纵向轴线的第一电容器部分和第二电容器部分之间的位置支撑着第一杆件臂；以及第一导体部件，其延伸经过第一纵向轴线，且与第一枢转轴线分隔开。

Description

利用改进惯性元件的微机电磁场传感器

技术领域

本发明通常涉及一种用于测量磁场强度和方向的装置，且更特别地，涉及一种改进以感测平面内磁场的惯性感测元件。

背景技术

惯性感测和磁场感测用于多种不同的应用。此外，在使用微机电系统（MEMS）时包括惯性感测元件，总能不断找到新的应用情形，例如视频游戏和导航系统的附连装置，以测定附连装置的方向改变情况。MEMS以小型封装的方式为这些应用提供了便宜的解决方案。因此，许多基于MEMS的惯性感测元件可用于提高用于测定移动物体的方向加速度的灵敏度。

在现有技术中已经示出的是，使用测震质量块（其包括被布置为与固定电极相对的可动电极）可形成电容器。由于加速度矢量所产生的惯性力而使可动电极进行运动，从而导致电容变化。电容变化能被测量且和加速度相互关联。

类似地，已知的多种传感器能将垂直磁场与可被测量的电气特性的变化相互关联，以测定磁场大小。但是，现有技术中提供的解决方案不是缺乏有效测量平行于传感器表面的磁场的必需灵敏度，就是缺乏测量垂直于传感器表面的加速度矢量的必需灵敏度。

存在一种需要，即提供一种基于MEMS的传感器，以有效感测相切于传感器的磁场和感测垂直于传感器的加速度矢量。

发明内容

根据一个实施例，本发明公开了一种微机电系统（MEMS）。所述微机电系统包括：基底；第一枢轴，其从基底向上延伸；第一杆件臂，其第一纵向轴线在基底之上延伸，所述第一杆件臂可枢转地安装至第一枢轴以绕第一枢转轴线枢转；第一电容器层，其在第一杆件臂的第一电容器部分之下的位置处形成在基底上；第二电容器层，其在第一杆件臂的第二电容器部分之下的位置处形成在基底上，其中第一枢轴在沿着第一纵向轴线的第一电容器部分和第二电容器部分之间的位置处支撑着第一杆件臂；以及第一导体部件，其延伸经过第一纵向轴线，且与第一枢转轴线分隔开。

在另一实施例中，本发明公开了一种形成微机电系统（MEMS）的方法。所述方法包括：提供基底；形成从基底向上延伸的第一枢轴；形成第一杆件臂，其随着第一纵向轴线在基底之上延伸以可枢转地安装到第一枢轴而绕第一枢转轴线枢转；选择在第一杆件臂的第一电容器部分之下的位置将第一电容器层形成在基底上；选择在第一杆件臂的第二电容器部分之下的位置将第二电容器层形成在基底上，且如此选择以使得第一枢轴在沿着第一纵向轴线的第一电容器部分和第二电容器部分之间的位置支撑着第一杆件臂；以及形成第一导体部件，其在一位置处延伸经过第一纵向轴线且与第一枢转轴线分隔开。

附图说明

通过参考以下详细说明和附图，上文描述的特征、优点以及其它将对本领域普通技术人员而言更加显而易见。

图1描述了包括微型机电传感器在内的微机电系统（MEMS）的方框图；

图2描述了根据一个实施例的MEMS传感器的透视图；

图3描述了图2中所描述的MEMS传感器的侧视图；

图4描述了根据一个实施例的MEMS传感器的透视图；

图5-14描述了制造根据一个实施例的MEMS传感器的制造步骤；

图15描述了测量与一个MEMS传感器相关联的ΔV的示意图；以及

图16和17描述了布置在共用基底上的MEMS传感器的部署方式，用于测量多个方向的磁场和加速度矢量。

具体实施方式

为了促进对本发明原理的理解，现在将参考附图所示和以下书面说明所描述的实施例。可以理解的是，由此并非意在限制本发明的范围。还可以理解的是，本发明包括对所示实施例的任何改变和修改，并且包括本领域技术人员通常会认识到的从属于本发明的发明原理的另外的应用。

参考图1，描述了用于平面内磁场和/或平面外加速度感测传感器（MEMS传感器）的通常标注为10的电路的代表图。电路10包括输入/输出装置12、处理电路14和存储器16。输入/输出装置12可包括用户界面、图形用户界面、键盘、定点装置、远程和/或局部通信链路、显示器、以及其它的装置（其允许外部产生信息被提供到电路10和允许电路10的内部信息对外传递）。

处理电路14可以适当地是通用计算机处理电路，诸如微处理器以及与其关联的电路。处理电路14可操作以执行此处归属于所述处理电路14的操作。

存储器16内有多种程序指令18。程序指令18可由处理电路14和/或任何其它合适的器件进行执行。

电路10还包括连接到处理电路14的传感器激励/响应电路20。传感器激励/响应电路20提供对MEMS传感器100的激励，并测量激励的效果。激励可以由处理电路14控制，且测量值被通讯至处理电路14。

参考图2，描述了MEMS传感器100的透视图。提供了基底102。适用于基底102的基底材料的示例有硅、玻璃、碳、锗、碳化硅和硅锗。基底102由隔离层104电气隔离。适用于隔离层104的隔离材料的示例有二氧化硅、以及与硅基底一起使用的氮化硅。半导体层106经由枢转部件108以悬置的方式设置在隔离层104之上。半导体层106的材料的示例有无掺杂的多晶硅。枢转部件108在基底102/隔离层104和半导体层106之间提供了枢转功能，使得半导体层106能够绕枢转部件108枢转。枢转部件108在标注为AA的虚线之下，将半导体层106分成两个杆件臂110和112。每个杆件臂110和112的长度沿着纵向轴线（例如，X轴线）延伸。在一个实施例中，两个杆件臂110和112的每一个具有相同的长度。但是，在图2示出的实施例中，杆件臂110具有比杆件臂112更短的长度。两个结构窗口114和116分别设置在杆件臂110和112的每一个上，以进一步促使杆件臂110和112扭转弯曲。窗口114和半导体层106边缘之间的部分限定了弹性臂111。类似地，窗口116和半导体层106边缘之间的部分限定了弹性臂113。下文所描述的弹性臂111和113以及杆件臂110和112的枢转动作之间的组合装置，使得当杆件臂110和112受力时杆件臂110和112进行扭转弯曲。弹性臂111和113的尺寸（长度、宽度和厚度）是这样一个因素，其决定对于给定力可产生的杆件臂110和112的扭转弯曲量。特别地，对于同样的作用力，更长的/更薄的弹性臂111和113弯曲得更多，同时更短的/更厚的弹性臂111和113弯曲得更少。因此，通过对可用于获得所需灵敏度的弹性臂111/113的设计，能够提供了灵活性。另一因素是杆件臂110/112的长度。当杆件臂的边缘受到给定力时，杆件臂110/112越长，扭转弯曲越多。

枢转部件108具有竖直支撑区段118。枢转部件108与半导体层106的底侧部一起整体成形，且连同弹性臂111和113提供枢转功能。枢转部件108也可以在半导体层106下部包括顶部水平支撑区段（未示出），以形成“T”状枢转部件。顶部水平支撑区段的长度范围可从覆盖半导体层106底侧部的一小部分一直到覆盖半导体层106的几乎整个宽度。顶部水平支撑区段的长度能影响到，半导体层106是被允许绕枢转部件108扭曲、还是只绕枢转部件108枢转。在一个实施例中，也可以将额外的材料一体地提供，以使底部水平支撑区段（未示出）与基底102/隔离层104形成为一起，从而形成“I”状枢转部件。竖直支撑区段118的高度决定电容器对的电容。枢转部件108的材料的示例有无掺杂的多晶硅。

两个感应电极122和128设置在隔离层104之上和半导体层106之下。感应电极122和128在“Y”方向上延伸至半导体层106的基本上整个宽度。感应电极122和128通过例如本领域中方式已知的结合盘和结合线来给激励/响应电路20提供电气连接（未示出）。两个偏置电极124和126给导体部件130提供电气连接。在图2描述的实施例中，偏置电极124和126布置在隔离层104的相反侧上。但是，在另一实施例中，偏置电极124和126两者可以布置在同侧。在图2示出的实施例中，导体部件130设置在半导体层106的顶部表面上。在其它的实施例中，导体部件130可埋嵌半导体层106中或设置在半导体部件106的底部表面上。在这些实施例的任意一个中，导体部件130的端部132和134分别电联接到偏置电极124和126。

导体130包括侧向部分142和轴向部分144。导体部件130的侧向部分142在距枢转部件108为距离136处穿过纵向轴线（例如，“X”轴线），所述侧向部分142仅与两个弹性臂111和113之一相关联（如图2所示为弹性臂113）。距离136决定了弹性臂由于所产生的洛伦兹力而被枢转的量，所述洛伦兹力具有平行于“Z”轴线的矢量，下面将更详细的讨论。

感应电极122和128分别提供了杆件臂112和110的电容器部分204和202之下的电容器层（图3中示出）。感应电极122和电容器部分204的组合装置形成了以虚线示出的电容器140。类似地，感应电极128和电容器部分202的组合装置形成了电容器138。每个电容器的电容定义为：

$C=\mathrm{\ϵ}\frac{A}{d}---\left(1\right)$

其中ε是电介质的介电常数，

A是由感应电极122/128的面积以及电容器部分204和202的面积所限定的有效面积（即，电荷聚集的地方），

且d是感应电极122/128和电容器部分202/204之间的距离。在一个实施例中，电介质是空气。因为电容反比于感应电极122/128和电容器部分202/204之间的距离，所以电容器部分朝向感应电极122/128的弯曲会使电容提高。相反地，电容器部分远离感应电极122/128的弯曲会使电容降低。

半导体层106绕枢转部件108的枢转动作是这样的：如果力作用在杆件臂110/112之一上而导致该杆件臂朝着相应的感应电极向下偏转，则另一杆件臂在相反的方向上移动（即，远离其相应的感应电极）。这样的杆件臂110/112偏转关系类似于跷跷板机构（teeter-tooter mechanism）。例如，如果向下力作用在杆件臂112上而导致杆件臂112朝着感应电极122向下偏转，杆件臂110则远离感应电极128向上偏转，或反之亦然。需要不平衡力（例如，施加到杆件臂之一的力的求和）以致动所述跷跷板机构。因此，对于两个杆件臂承受相同力密度的惯性/加速度感测而言，几何设计参数（例如，杆件臂110/112的长度）可用于产生所需的不平衡力以致动跷跷板机构。例如，一杆件臂（例如，杆件臂112）比另一杆件臂（例如，杆件臂110）长。通过对两个杆件臂110/112采用不同的长度，可以产生不同的运动。

两个杆件臂110和112之间的偏转变化可以转变为电容器138和140的电容变化。然后，可以使用电气电路来感测这些变化，如下文将更详细讨论得那样。

参考图3，提供了MEMS传感器100的侧视图。电容器部分202和204描述为杆件臂110和112的一部分。如上文所讨论的，感应电极122和128分别提供了杆件臂110和112的电容器部分202和204之下的电容器层208和206。电容器层206和电容器部分202的组合装置形成了电容器138。类似地，电容器层208和电容器部分204形成了电容器140。

如图3所描述，导体部件130的端部132和134经由通路210和212电连接到偏置电极124和126。偏置电极124和126包括水平区段和竖直区段。竖直区段连接到通路210和212。在导体部件130在半导体层106底部上的实施例中，可以消除通路210和212。

在操作中，电流经由偏置电极124和126穿过通路210和212而施加到导体部件130。当MEMS传感器100布置在具有相切于半导体层106表面的磁场矢量的磁场中时，根据洛伦兹力定律产生了竖直力。洛伦兹力定律规定，当带电粒子处于磁场中时，施加到粒子上的洛伦兹力表述为

F＝q[E+(v×B)]                              （2）

其中F是的洛伦兹力，单位为牛顿，

q是带电粒子的电荷量，单位为库伦，

v是瞬时速度，单位为米/秒，

E是电场强度，单位为伏特/米，以及

B是磁场强度，单位为特斯拉。“×”是v和B之间的矢量叉乘。在载电流导线（或载流导线）中，施加的洛伦兹力表述为：

F=L(i×B)                             （2a）

其中F是洛伦兹力，单位为牛顿，

L是受磁场作用的载流导线的长度，单位为米，

i是经过受磁场作用的电线的电流，单位为安培，

B是磁场强度，单位为特斯拉。如果经过受磁场作用的导体的电流的频率接近于直立结构（包括杆件臂110和112在内）的共振频率，施加到该结构的力量将被放大。相反地，远离共振频率的频率将导致最小的力。因此，为了利用洛伦兹力定律和选择性地对影响导体的磁场进行测定，可以使用具有与该结构共振频率相接近的频率的交流信号。

洛伦兹力的方向基于在本领域中已知的右手定则。根据磁场的方向，洛伦兹力可施加到导体部件130的不同部分。例如，如果磁场平行于X-轴线，洛伦兹力仅施加到导体部件平行于Y-轴线的部分（例如，导体部件130的侧向部分142）。但是，如果磁场以不同的角度相交于半导体层106，洛伦兹力可施加到导体部件130的不同部分。将洛伦兹力施加到导体部件的侧向部分142会导致杆件臂112朝着感应电极122向下偏转。弹性臂113的向下偏转还导致杆件臂110远离感应电极128的向上偏转。

将电流施加到导体元件允许自由电荷在半导体层106的两个端部聚集。自由电荷由于半导体层106的半导体特性而在两个端部聚集。这些电荷导致电容器部分202和204的形成。电容器部分202和204与电容器层206和208协作配合形成了电容器138和140。杆件臂112朝向电容器层208（即，感应电极122）的偏转使电容器140的电容提高。杆件臂110远离电容器层206（即，感应电极128）的偏转使电容器138的电容降低。下文中将更详细讨论的检测电路可用于检测电容变化。

在洛伦兹力能导致杆件臂110和112在相反的方向上偏转的同时，垂直加速度矢量（即，在“Z”方向上的加速度矢量）可产生力以导致杆件臂110和112两者在相同方向上偏转。所产生的惯性力由牛顿第二运动定律规定，即

F=Ma                                    （3）

其中M是杆件臂的惯性质量；

a是加速度矢量；且

F是作用在杆件臂上的力矢量。力的方向与加速度矢量方向相同。因此，由于存在跷跷板作用，当MEMS传感器100受到向下的垂直加速度矢量作用，杆件臂112向下偏转而杆件臂110向上偏转。相反地，当MEMS传感器100受向上的垂直加速度矢量作用，杆件臂112向上偏转而杆件臂110向下偏转。当杆件臂110和112以及弹性臂111和113构造成同样的样式，刚刚描述的杆件臂110/112的跷跷板作用基本上不会出现。例如，如果杆件臂110和112具有相同长度而弹性臂111和113具有相同厚度，则两个杆件臂根据加速度矢量的方向都向下或向上偏转。上文描述的结构变型的差别能导致上文描述的跷跷板作用。

将电流施加到导体部件130有助于测量由杆件臂110和112上的电容器部分202和204（其形成电容器138和140）所产生的电容。电容器部分202和204朝向电容器层206和208的偏转使电容器138和140的电容提高。在一杆件臂（例如杆件臂112）更长的实施例中，其相应电容器（例如，电容器140）的电容提高而另一电容器（例如，电容器138）的电容降低。电容改变的差值可用于测定加速度的大小。

使交流电（AC）式信号经过导体部件130，会导致经过电容器138和140的交流信号进行电容耦合。交流信号与平行于半导体层106（特别是图2中描述的X-轴线）的磁场的交互作用能根据洛伦兹定律导致杆件臂112发生偏转。如果交流信号的频率接近于MEMS传感器100的直立结构的共振频率，可使杆件臂110和112的偏转最大化。通过测量感应电极128和122处的电压值和使这些电压值经过差分放大器，可产生量值ΔV，其与作用在导体部件130上的磁场强度ΔB以及作用在杆件臂110和112两者上的加速度矢量Δa相关联。量值ΔV表述为：

ΔV=S_AΔa+S_MΔB                              （4）

其中ΔV是输出电压值的变化，测量单位为伏特（V）；

Δa是加速度的变化，测量单位为米/秒²（m/s²）；

ΔB是作用在导体部件130上的磁场强度的变化，且测量单位为特斯拉（T）；

S_A是加速度的灵敏度，测量单位为伏特/（米/秒²）（V/（m/s²））；

且S_M是磁场强度的灵敏度，测量单位为伏特/特斯拉（V/T）。

根据一个实施例，一对同样的MEMS传感器100₁和100₂可以布置在同样的惯性/磁性环境中，同时测量两个传感器的ΔV₁和ΔV₂。第一交流信号的频率接近于MEMS传感器100₁和100₂的直立结构（弹性臂111和113）的共振频率，且施加到第一MEMS传感器100₁的偏置电极124和126上，而第二电流施加到第二MEMS传感器100₂的偏置电极124和126上。第一和第二电流方向相反（即，180°相移信号）。测量每个MEMS传感器100₁和100₂的ΔV值。ΔV测量值代表了感应电极128和122相对于交流地线的差分电压读数。因此，ΔV₁是第一MEMS传感器100₁的ΔV，而ΔV₂是第二MEMS传感器100₂的ΔV。在该实施例中，ΔB和Δa由以下比例项给出：

ΔBα（ΔV₁-ΔV₂）/2                       （5a）

Δaα（ΔV₁+ΔV₂）/2                       （5b）

当MEMS传感器100₁和100₂中的电流方向相反，由磁场所致的输出电压信号（S_MΔB）具有相反的符号。另一方面，由加速度矢量所致的输出电压信号（S_AΔa）相同且无交替变化。因此，ΔB可通过提取测量信号的差别项而由比例项5a计算出。相反地，Δa可通过提取测量信号的公共项而由比例项5b计算出。通过使用该测量方案，施加到这对MEMS传感器的磁场和加速度矢量可被同时解耦合和恢复得到。

在另一实施例中，两个同样的MEMS传感器100₁和100₂可被布置在同样的惯性/磁性环境中，其中用于两个传感器的ΔV₁和ΔV₂被同时测量。第一交流信号的频率远离杆件臂110和112的共振频率，且施加到第一MEMS传感器100₁，而第二交流信号的频率接近于第二MEMS传感器100₂的直立结构的共振频率或与之相同。第一交流信号的频率不会经由洛伦兹力而导致杆件臂110和112的任何较大的偏转。测量MEMS传感器100₁和100₂两者的ΔV₁和ΔV₂。ΔV₁是第一MEMS传感器100₁的ΔV，而ΔV₂是第二MEMS传感器100₂的ΔV。在该实施例中，ΔB和Δa由以下比例项给出：

ΔBα（ΔV₂-ΔV₁）                            （6a）

ΔaαΔV₁                                     （6b）

当这对MEMS传感器100₁和100₂暴露于磁场中时，这对MEMS传感器100₁和100₂的杆件臂110和112表现不同。虽然第一交流信号施加到第一MEMS传感器100₁未导致暴露于磁场的直立结构偏转，但暴露于垂直加速度矢量导致直立结构偏转。因此，所暴露于的加速度矢量Δa的暴露值可由比例项6b计算得到。相反地，第二MEMS传感器100₂的输出电压信号由于交流电流输入的频率选择而受磁场和加速度矢量两者作用。因此，使用来自MEMS传感器100₁的输出电压信号作为参考，ΔB可由比例项6a计算出。

根据另一实施例，一个MEMS传感器100可布置在惯性/磁性环境中，其中用于传感器的ΔV₁和ΔV₂在不同的情况下测量，即，在时间t=t₁和t=t₂处。第一种情况下，第一交流信号的频率远离杆件臂110和112的共振频率，且施加到MEMS传感器100。在第二种情况下，第二交流信号的频率接近于MEMS100的直立结构的共振频率或与之相等，且施加到MEMS传感器100。第一交流信号的频率不会借助于洛伦兹力而导致任何杆件臂的较大偏转。ΔV₁和ΔV₂在两种情况下均测量。因此，ΔV₁是第一种情况下的MEMS传感器100的ΔV，而ΔV₂是第二种情况下的MEMS传感器100的ΔV。在该实施例中，ΔB和Δa由以下比例项给出：

ΔBα（ΔV₂-ΔV₁）                   （7a）

ΔaαΔV₁                            （7b）

当MEMS传感器100暴露于磁场中时，MEMS传感器100的杆件臂110和112在上文描述的两种情况下表现不同。虽然在第一种情况下施加的第一交流信号不会导致暴露于磁场的直立结构偏转，但是将杆件臂110和112暴露于垂直加速度矢量会导致直立结构的偏转（例如，向下）。因此，Δa可由比例项7b计算得出。相反地，MEMS传感器100的输出电压信号由于交流电流输入的频率选择而受到磁场和加速度矢量两者的作用。MEMS传感器100是否暴露于加速度矢量可决定杆件臂110是否能向上偏转。因此，使用来自MEMS传感器100的输出电压信号作为参考，ΔB可由比例项7a计算出。

根据另一实施例，一个MEMS传感器100可布置在惯性/磁性环境中，其中传感器的ΔV₁和ΔV₂在不同的时刻下测量，即在时间t=t₁和t=t₂处。在第一种时刻下，第一交流信号的频率接近于或等于MEMS传感器100的直立结构的共振频率，且施加到MEMS传感器100。在第二种时刻下，第二交流信号的频率接近于或等于MEMS传感器100的直立结构的共振频率，且施加到MEMS传感器100。第一和第二电流方向相反（即，是相位偏移180°的信号）。MEMS传感器100的ΔV在每一时刻下均测量。ΔV₁是在第一种时刻下MEMS传感器100的ΔV，而ΔV₂是在第二种时刻下MEMS传感器100的ΔV。在该实施例中，ΔB和Δa由以下比例项给出：

ΔBα（ΔV₂-ΔV₁）/2                       （8a）

Δaα（ΔV₂+ΔV₁）/2                       （8b）

当MEMS传感器100中在不同时刻t₁和t₂下电流方向相反时，由磁场所致的输出电压信号（S_MΔB）具有相反的符号。另一方面，加速度矢量所致的输出电压信号（S_AΔa）相同且无交替变化。因此，ΔB可通过提取测量信号的差别项而由比例项8a计算得出。相反地，Δa可通过提取测量信号的公共项而由比例项8b计算得出。通过使用该测量方案，施加到这对MEMS传感器的磁场和加速度矢量可被同时解耦合和恢复得到。

参考图4，描述了MEMS传感器250的一个实施例的透视图。在该实施例中，导体部件130具有在突耳部262和264之上向外延伸的端部132和134。经由结合到位于端部132和134上的结合盘（未示出）处的结合线252和254，结合盘256和258在激励/响应电路20和导体部件130之间提供了电气连接。在该实施例中，可以除去偏置电极124和126和通路210和212。

参考图5–14，描述了包括在一个实施例中的用于制造MEMS传感器100的步骤。这些视图中所描述的步骤能由本领域已知的集成电路制造工艺来完成。图5描述了基底102和隔离层104。基底102可以是用于包括许多MEMS传感器100在内的晶圆的起点。单独的MEMS传感器100可在以后从晶圆上切块和分离成单体。如上文所讨论，适用于基底102的基底材料的示例有硅、玻璃、碳、锗、碳化硅和硅锗。

隔离层104被沉积在基底102上，以将基底102与其它结构电气隔离。适用于隔离层104的隔离材料的示例有氧化硅、以及用于硅基底的氮化硅。沉积方法的示例有热生长（对于氧化硅）、化学气相沉积和物理气相沉积。在成形过程中，隔离层104形成在基底102的整个跨度范围上，且也可以在基底102的背面。

参考图6，描述了用于形成感应电极122和128的沉积过程。用于形成感应电极122和128的材料层302沉积在隔离层104的顶部。沉积方法的示例有化学气相沉积和物理气相沉积。该层能可选地通过外延生长工艺而生长出。材料层302的材料的示例有无掺杂的多晶硅、金、银、铜、钛、铂、钨、铝、铱、钌和氮化钛。材料层302形成在隔离层104的整个跨度范围上。两个条状掩蔽层304置于用于形成感应电极122和128的层302上。所述掩蔽层304可以由本领域已知的光刻工艺制造。一旦掩蔽层304形成，则材料层302被蚀刻掉后，同时剩下材料层302的条带体在顶部具有掩蔽层304。掩蔽层304防止了蚀刻剂将掩蔽层304下的条带体蚀刻掉。然后，掩蔽层304通过平坦化工艺或化学去除工艺来除去，以剩下构成感应电极122和128的材料层302的两个条带体。

参考图7，牺牲层306在感应电极122/128上进行沉积/生长和形成图案，以作为形成MEMS传感器100的剩余部分的基础部分。牺牲层306的容积部307对应于枢转部件108位置，且由掩蔽工艺和化学去除工艺除去。参考图8，提供了隔离层104、感应电极122/128和容积部307的俯视图。并且，在图8中描述的有牺牲层306。参考图9，描述了枢转部件108和半导体层106的形成。层310在层306上沉积/生长且贯穿容积部307。层310的材料的示例有多晶硅。可以认识到的是，在以下过程后，层310构成半导体层106。此外，现在枢转部件108与隔离层104整体成形。牺牲层306可以足够厚到：（1）以感应出足够大的机电转换信号，（2）在牺牲层306上提供非常合适的阶梯覆盖，以及（3）使在牺牲层306剥离之后易于释放，以避免本领域已知的诸如粘滞在底部上等问题。

参考图10，导体层312在半导体层106上进行沉积和形成图案，以使导体部件130形成为图2和4中描述的所需形状。沉积方法的示例有化学气相沉积和物理气相沉积。层312的材料的示例有金、银、铜、钛、铂、钨、铝、铱、钌、氮化钛和类似物。对于图案转移，本领域已知的光刻工艺被用于实现一蚀刻掩模，以使用标准的湿法蚀刻或剥离工艺来促使构造导体层312。

参考图11，半导体层106构造为形成杆件臂110/112和弹性臂111/113。对半导体层106的构造是将标准的湿法或干法蚀刻工艺与由本领域中已知的光刻工艺所产生的蚀刻掩模的使用相结合。在湿法或干法蚀刻的过程中，层310不被蚀刻掩模所遮盖的一部分被蚀刻掉。蚀刻掩模还遮盖了置于杆/弹性臂111/113顶部的导体部件130，由此在半导体层310的蚀刻过程中保护了导体部件130。参考图12和13，描述了具有图2和4的图案的半导体层106、枢转部件108、感应电极122/128和导体部件130的俯视图。在图13中描述的对应于图4的可选设计可通过将用于构造半导体层310的蚀刻掩模的不同图案进行转移来实现。参考图13，当使用标准的湿法或干法蚀刻工艺来构造半导体层310时，在图4中描述的实施例中所视的突耳部262和264可以与杆件臂110/112和弹性臂111/113一起同时成形。

参考图14，描述了通过平坦化工艺或化学去除工艺来除去所有蚀刻掩模之后的完整的MEMS传感器100。此外，牺牲层306通过化学蚀刻工艺除去。为了有效地除去牺牲层306，层310可被穿孔以允许去除化学剂在竖直方向上到达层306。并且，开口侧进一步协助去除化学剂到达牺牲层306以有效除去该层。切口（未示出）可以在牺牲层306去除过程的最后或初始出现在例如感应电极122/128之下。但是，由于提供了合适的宽度和厚度比率，切口不会导致MEMS传感器100的不良性能问题。

参考图15，提供了简化电路图400的一个示例，其可用于测量ΔV且因此测量与MEMS传感器100（其受电子信号作用）相关联的电容变化。源极402的交流分量是载波的一部分，且经过负载408和410分别联接到电容器404和406。每个电容器联接到交流地线。每个电容器404和406的高侧部连接到交流放大器412和414。每个交流放大器的输出联接到差分放大器416。源极402经过高通滤波器（HPF）418以除去其直流（DC）分量。剩下的交流分量被送入载波检测电路（DET）420，以构成源极402的交流分量的载波信号。载波信号用于通过解调方块422来解调差分放大器416的输出。然后，解调方块的输出被送入低通滤波器（LPF）424以产生输出ΔV。

参考图16和17，描述了多种MEMS传感器的矩阵体500和550的俯视图。矩阵体500包括一对用于测量相切于第一纵向轴线（X-轴线）的磁场分量的MEMS传感器502和504、一对用于测量相切于第二纵向轴线（Y-轴线）的磁场分量的MEMS传感器506和508、以及本领域已知的用于测量相切于Z-轴线（穿出页面）的磁场分量的传感器510。第一和第二纵向轴线相互垂直。图16中描述的配置适用于上文讨论的测量方案，其包括同时测量ΔV的两个MEMS传感器。传感器510的附加示例有霍尔传感器、磁阻传感器和本领域已知的其它传感器。

矩阵体550包括一个用于测量相切于第一纵向轴线（X-轴线）的磁场分量的MEMS传感器552、一个用于测量相切于第二纵向轴线（Y-轴线）的磁场分量的MEMS传感器554、以及本领域已知的用于测量相切于Z-轴线（穿出页面）的磁场分量的传感器556。传感器510的附加示例有霍尔传感器、磁阻传感器和本领域已知的其它传感器。图17中描述的配置适用于上文讨论的测量方案，其包括在两种时刻下测量ΔV的一个MEMS传感器。图16和17中描述的MEMS传感器也能够测量相切于Z-轴线（穿出页面）的加速度矢量分量。虽然图16和17中未示出，但已知的用于测量相切于X-轴线和Y-轴线的加速度分量的加速计传感器也可以包括在矩阵体500和550中，以测量相应的加速度分量。

在操作中，磁场可能并非与X-轴线或Y-轴线精确对齐。但是，相切于这些轴线的磁场分量由相应的MEMS传感器感测。通过测量磁场和加速度矢量的X-轴线、Y-轴线和Z-轴线分量，磁场和加速度矢量的精确方向和大小可基于已知的矢量分析而计算出。

在视图和前述说明中示出和详细描述了本发明，同时同样的内容应该被理解为示意性的且不限定特征。可以理解的是，仅介绍了优选实施例，且希望保护在本发明精神内的所有改变、修改和另外的应用。

Claims (20)

1.一种微机电系统（MEMS），包括：

基底；

第一枢轴，其从基底向上延伸；

第一杆件臂，其第一纵向轴线在基底之上延伸，所述第一杆件臂可枢转地安装至第一枢轴以绕第一枢转轴线枢转；

第一电容器层，其在第一杆件臂的第一电容器部分之下的位置处形成在基底上；

第二电容器层，其在第一杆件臂的第二电容器部分之下的位置处形成在基底上，其中第一枢轴在沿着第一纵向轴线的第一电容器部分和第二电容器部分之间的位置处支撑着第一杆件臂；以及

第一导体部件，其延伸经过第一纵向轴线，且与第一枢转轴线分隔开。

2.如权利要求1所述的MEMS，其特征在于：

第一电容器部分与第一枢转轴线分隔开的距离为第一距离；

第二电容器部分与第一枢转轴线分隔开的距离为第二距离；且

第一距离大于第二距离。

3.如权利要求1所述的MEMS，其特征在于：第一导体部件定位在第一杆件臂的上表面。

4.如权利要求3所述的MEMS，其特征在于：还包括：

第一电气偏置连接件；

第二电气偏置连接件；

第一通路，其在第一电气偏置连接件和第一导体部件的第一端部之间延伸，以将第一电气偏置连接件与第一导体部件电气耦合；以及

第二通路，其在第二电气偏置连接件和第一导体部件的第二端部之间延伸，以将第二电气偏置连接件与第一导体部件电气耦合。

5.如权利要求1所述的MEMS，其特征在于：还包括：

存储器，其中储存着命令指令；以及

处理器，其配置为执行命令指令，以便

获得第一电容器层和第一电容器部分之间的第一电压差，

获得第二电容器层和第二电容器部分之间的第二电压差，以及

基于第一电压差和第二电压差之间的差值，提供与沿着第一纵向

轴线延伸的第一磁场的强度相关联的输出。

6.如权利要求5所述的MEMS，其特征在于：处理器还被配置为执行命令指令，以便

基于第一电压差和第二电压差的求和，提供与第一杆件臂朝向基底的加速度相关联的输出。

7.如权利要求1所述的MEMS，其特征在于：第一杆件臂还包括

基部，其可枢转地安装到第一枢轴；

第一弹性臂部分，其在基部和第一电容器部分之间延伸；以及

第二弹性臂部分，其在基部和第二电容器部分之间延伸。

8.如权利要求1所述的MEMS，其特征在于：还包括

第二枢轴，其从基底向上延伸；

第二杆件臂，其第二纵向轴线在基底之上延伸，所述第二杆件臂可枢转地安装到第二枢轴以绕第二枢转轴线枢转；

第三电容器层在第二杆件臂的第三电容器部分之下的位置处形成在基底上；

第四电容器层在第二杆件臂的第四电容器部分之下的位置处形成在基底上，其中第二枢轴在沿着第二纵向轴线的第三电容器部分和第四电容器部分之间的一个位置处支撑着第二杆件臂；以及

第二导体部件，其延伸经过第二纵向轴线，且与第二枢转轴线分隔开。

9.如权利要求8所述的MEMS，其特征在于：第二纵向轴线垂直于第一纵向轴线。

10.如权利要求8所述的MEMS，其特征在于：第二纵向轴线平行于第一纵向轴线。

11.一种形成微机电系统（MEMS）的方法，包括：

提供基底；

形成从基底向上延伸的第一枢轴；

形成第一杆件臂，其第一纵向轴线在基底之上延伸，以便第一杆件臂可枢转地安装到第一枢轴上用于绕第一枢转轴线枢转；

在被选择位于第一杆件臂的第一电容器部分之下的位置处将第一电容器层形成在基底上；

在被选择位于第一杆件臂的第二电容器部分之下的位置处将第二电容器层形成在基底上，且所述位置被选择以使得第一枢轴将在沿着第一纵向轴线的第一电容器部分和第二电容器部分之间的位置处支撑着第一杆件臂；且

形成第一导体部件，以在一位置处延伸经过第一纵向轴线且与第一枢转轴线分隔开。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：

第一电容器部分形成为与第一枢转轴线分隔开的距离为第一距离；

第二电容器部分形成为与第一枢转轴线分隔开的距离为第二距离；且

第一距离大于第二距离。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于：第一导体部件形成在第一杆件臂的上表面。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于：还包括

形成第一电气偏置连接件；

形成第二电气偏置连接件；

形成第一通路，以在第一电气偏置连接件和第一导体部件的第一端部之间延伸，用于将第一电气偏置连接件和第一导体部件电气耦合；且

形成第二通路，以在第二电气偏置连接件和第一导体部件的第二端部之间延伸，用于将第二电气偏置连接件和第一导体部件电气耦合。

15.如权利要求11所述的方法，其特征在于：还包括

将命令指令储存在存储器中；且

将处理器配置为执行命令指令，以使得

获得第一电容器层和第一电容器部分之间的第一电压差，

获得第二电容器层和第二电容器部分之间的第二电压差，以及

基于第一电压差和第二电压差之间的差值，来提供与沿着第一纵向轴线延伸的第一磁场强度相关联的输出。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于：配置处理器的步骤还包括将处理器配置为执行命令指令，以使得

基于第一电压差和第二电压差的求和，来提供与第一杆件臂朝向基底的加速度相关联的输出。

17.如权利要求11所述的方法，其特征在于：形成第一杆件臂的步骤还包括：

形成可枢转地安装到第一枢轴上的基部；

形成在基部和第一电容器部分之间延伸的第一弹性臂部分；以及

形成在基部和第二电容器部分之间延伸的第二弹性臂部分。

18.如权利要求11所述的方法，其特征在于：还包括

形成从基底向上延伸的第二枢轴；

形成其第二纵向轴线在基底上延伸的第二杆件臂，从而可枢转地安装到第二枢轴以便绕第二枢转轴线枢转；

在被选择位于第二杆件臂的第三电容器部分之下的位置处，将第三电容器层形成在基底上；

在被选择位于第二杆件臂的第四电容器部分之下的位置处，将第四电容器层形成在基底上，且所述位置被选择以使得第二枢轴将在沿着第二纵向轴线的第三电容器部分和第四电容器部分之间的位置支撑着第二杆件臂；且

形成第二导体部件，以延伸经过第二纵向轴线且与第二枢转轴线分隔开。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于：第二纵向轴线垂直于第一纵向轴线。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于：第二纵向轴线平行于第一纵向轴线。

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