CN103539061A - 微机械结构、尤其是传感器装置和对应的运行方法 - Google Patents

微机械结构、尤其是传感器装置和对应的运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微机械结构、尤其是传感器装置和一种对应的运行方法。所述微机械结构、尤其是传感器装置包括至少一个微机械的功能层(100,101)；设置在所述至少一个微机械的功能层(100,101)下方的、具有至少一个可配置的电路装置(PS)的CMOS衬底区域(700")；设置在所述至少一个微机械的功能层(100,101)和所述CMOS衬底区域(700")之间并且电连接到所述微机械的功能层(100,101)和所述电路装置(PS)上的一个或多个接触元件(30,30',30")的装置。所述可配置的电路装置(PS)被设计为，使得所述一个或多个接触元件(30、30',30")可选择性地与CMOS衬底区域(700")中的电连接线路(L1,L2,L3)连接。

Description

微机械结构、尤其是传感器装置和对应的运行方法
技术领域
本发明涉及一种微机械结构、尤其是一种微机械的传感器装置和一种对应的运行方法。
背景技术
微机械的（或MEMS）结构、尤其是传感器装置——例如惯性传感器——现今或者作为自身芯片上的离散传感器或者作为集成传感器与所属的分析电路一起制造。在集成传感器的情况下，或者有垂直集成——其中传感器设置在分析电路上方，或者有水平集成——其中传感器设置在分析电路旁。
由DE 11 2006 000 131 T5公开了一种微机械结构用于构造集成的空间光调制器，其中该微机械结构被直接构建在CMOS分析电路上。电极和其布线在制造工艺中被确定，其中MEMS部件中的电极借助覆镀通孔与CMOS晶片中的电路部件连接。
由于在制造工艺中电极配置的确定，不能很灵活地将该制造工艺朝着每个芯片的个性或其运行情况优化。每个芯片的个性由工艺公差——例如晶片中心和其边缘区域之间的层厚差异——以及局部工艺公差——例如芯片内相邻结构的不同宽度——产生。除了这种几何形状因素之外，也还有其他的影响因素，例如表面电荷。运行状况例如可以通过温度影响或老化而改变，这同样仅仅通过电压匹配来部分地得到补偿。
在已知的制造工艺中不能够在事后改变电极的位置、几何形状和任务。只能将所施加的电压与工艺公差匹配。由此可能存在不必要的、代表一个死区的电极，或者电极可能对于所提供的电压电平过小或过大，或者电极可能位于非最佳的位置上。
图2a、b是示例性的微机械结构、尤其是传感器装置的示意性图示，而且图2a是俯视图，图2b是沿着图2a中的线A-A'的垂直横截面。
在图2a、b中，参考标记1表示以加速度传感器的形式的微机械结构。微机械结构1在例如由多晶硅制成的微机械的功能平面100内具有可运动的MEMS元件7，所述可运动的MEMS元件通过功能平面100中的弹簧元件2、接触平面300中的电接触元件3锚定在例如由氧化物制成的绝缘层600上的印制导线平面500中的印制导线5上，并且此外又锚定在衬底700——例如晶片衬底上。通过印制导线5和接触电极/电极3，电势可以施加在可运动的MEMS元件7上。
功能平面100中的不可运动的、同样通过接触平面300中的电接触元件3锚定在衬底700上的印制导线平面500中的印制导线5上的MEMS定子元件4作为通过梳状结构K与可运动的MEMS元件7电容式耦合的反电极位于可运动的MEMS元件7对面。通过印制导线5和接触元件3，电势可以施加在MEMS定子元件7上。
在可运动的MEMS元件7的间隙Z内的功能平面100中的其他不可运动的MEMS元件7a通过接触元件3a与印制导线5连接并且如上面所述锚定在衬底700上。通过印制导线5和接触元件3a，电势可以施加在不可运动的MEMS元件7a上。
通过如此构成的、例如嵌入未示出的牺牲层中的接触元件3和3a与导向同样未示出的电势连接端的印制导线5，不可改变地定义电极连接。
发明内容
本发明实现一种根据权利要求1的微机械结构、尤其是传感器装置和根据权利要求9的对应的运行方法。
优选的改进方案是从属权利要求的主题。
本发明的优点
本发明所基于的思想在于，实现一种具有多个可以被构造为电极的接触元件的微机械结构、尤其是传感器装置，所述接触元件例如是小尺寸的手指电极或电柱，和/或例如通过衬底电极和覆盖电极包围所述微机械结构，其中这些电极的全部或部分可以单独与CMOS衬底区域接触并且通过对电路装置、例如门阵列的事后的编程才可以在CMOS晶片中可变地配置这些电极的最终布线，如在FPGA中那样。
通过电极的对于各个芯片如此定制的布线，最佳地使用芯片面。不需要的补偿电极可以被删去或被用于其他功能。由此能够实现进一步的微型化并且由此带来在保持效率的情况下能够实现成本节省。
此外，可以根据本发明的运行方法将电极配置与相应运行状态匹配，即补偿例如温度和/或老化影响或类似的。
与已知的电极配置相反，可以以小的电压电平运转并且替代地可以匹配所接入的电极的数目。由此能够不太复杂地设计产生控制电压或调节电压的电路部件。
在优选的实施方式中，设置第一微机械的功能层，所述第一微机械的功能层具有可运动的MEMS元件和（例如可与其电容式耦合的）MEMS定子元件，其中所述接触元件或电极连接到可运动的MEMS元件和MEMS定子元件上。因此能够灵活地在电势方面调整电容式振动装置。
在另一个优选的实施方式中，第一微机械的功能层具有一个或多个不可运动的第一MEMS元件，其中所述可运动的MEMS元件具有一个或多个间隙，在所述间隙内设置所述一个或多个不可运动的第一MEMS元件并且其中所述一个或多个不可运动的第一MEMS元件分别连接到接触元件上。因此可以节省空间地实现其他可灵活地在电势方面被调整的电极。
在另一个优选的实施方式中，设置第二微机械的功能层，所述第二微机械的功能层设置在第一微机械的功能层下方，其中所述第二微机械的功能层具有一个或多个不可运动的第二MEMS元件并且其中所述一个或多个不可运动的第二MEMS元件分别连接到接触元件上。因此能够节省空间地实现其他电极平面。
在另一个优选的实施方式中，所述一个或多个不可运动的第二MEMS元件与可运动的MEMS元件有间隔地设置在所述可运动的MEMS元件下方。这实现灵活地在电势方面调整电容式振动装置的另一可能性。
在另一个优选的实施方式中，在CMOS衬底区域和所述至少一个微机械的功能层之间设置衬底覆镀通孔区域，在所述覆镀通孔区域上方设置第一导电连接区域，接触元件连接到所述第一导电连接区域上，其中第二导电连接区域被引导通过衬底覆镀通孔区域，所述第二导电连接区域连接到所述电路装置上以及第一导电连接区域上。因此能够建立微机械的功能层和CMOS衬底区域之间的鲁棒的电连接。
在另一个优选的实施方式中，所述电路装置具有可通过控制连接端编程的门阵列。因此能够例如通过总线连接端实现简单和快速的编程。
在另一个优选的实施方式中，所述微机械结构被构造为加速度传感器。恰恰在这类传感器中期待精确灵活的电势调整。
附图说明
随后根据附图的示意性图中说明的实施例详细解释本发明。
图1a-c示出根据本发明的实施方式的微机械结构、尤其是传感器装置的示意性图示，而且图1a示出俯视图，图1b示出沿着图1a中的线A-A'的垂直横截面并且图1c示出沿着图1a的线B-B'的垂直横截面；以及
图2a、b示出示例性的微机械结构、尤其是传感器装置的示意性图示，而且图2a示出俯视图并且图2b示出沿着图2a中的线A-A'的垂直横截面。
具体实施方式
图1a-c是根据本发明的实施方式的微机械结构、尤其是传感器装置的示意性图示，而且图1a示出俯视图，图1b示出沿着图1a中的线A-A'的垂直横截面并且图1c示出沿着图1a中的线B-B'的垂直横截面。
在图1a-c中，参考标记1'表示以加速度传感器的形式的微机械结构。微机械结构1'具有例如由多晶硅制成的微机械的功能平面100内的可运动的MEMS元件7'，所述可运动的MEMS元件7'通过功能平面100中的弹簧元件2'和接触平面300中的可以被构造为电极30的可重新配置的电接触元件30锚定在衬底700'、700"上。在此，该衬底包括下面的CMOS衬底区域700"和上面的衬底覆镀通孔区域700'。
通过可重新配置的接触元件30，可变的电势可以施加在可运动的MEMS元件7'上。
功能平面100中的不可运动的、同样通过接触平面300中的电接触元件30锚定在衬底700'、700"上的MEMS定子元件4'作为通过梳状结构K'与可运动的MEMS元件7'电容式耦合的反电极位于可运动的MEMS元件7'对面。MEMS定子元件4'同样通过接触平面300中的可重新配置的电接触元件30锚定在衬底700'、700"上。
通过可重新配置的接触元件30，可变的电势可以施加在MEMS定子元件4'上。
在可运动的MEMS元件7'的间隙Z'内的功能平面100中的其他不可运动的MEMS元件7a'通过类似的可重新配置的接触元件30'或电极30"锚定在衬底700'、700"上。
通过可重新配置的接触元件30'，可变的电势可以施加在可运动的MEMS元件7'的间隙Z内的其他不可运动的MEMS元件7a'上。
在可运动的MEMS元件7'下方的位于更深的功能平面101中的其他不可运动的MEMS元件7a"通过位于更深的接触平面300a中的类似的可重新配置的接触元件30"或电极30"锚定在衬底700'、700"上。
其他不可运动的元件也能够直接在平面500'中实现，即在删去平面101和300a的情况下。
通过可重新配置的接触元件30"，可变的电势可以施加在可运动的MEMS元件7'下方的位于更深的功能平面101中的其他不可运动的MEMS元件7a"上。
以下参考附图1b、c详细解释可重新配置的接触元件30、30'、30"或可重新配置的电极30、30'、30"。
如由图1b可看出的，可运动的MEMS元件7'和MEMS定子元件4'通过可重新配置的接触元件30并且通过位于所述可重新配置的接触元件下方的导电区域500'、500"与CMOS衬底区域700"中的电路装置PS连接。
如由图1c可看出的，在可运动的MEMS元件7'的间隙Z'内的功能平面100中的其他不可运动的MEMS元件7a'通过类似的可重新配置的接触元件30'并且通过位于所述可重新配置的接触元件30'下方的导电区域500'、500"与CMOS衬底区域700"中的电路装置PS连接。
如同样由图1c中可看出的，在可运动的MEMS元件7'下方的位于更深的功能平面101中的其他不可运动的MEMS元件7a"通过类似的可重新配置的接触元件30"并且通过位于所述可重新配置的接触元件30"下方的第一和第二导电区域500'、500"与CMOS衬底区域700"中的电路装置PS连接。
可重新配置的接触元件30、30'、30"尤其被引导到第一导电连接区域500'上，所述第一导电连接区域施加在绝缘层600——例如氧化物上，所述绝缘层位于衬底覆镀通孔区域700'上。
平面的第一导电连接区域500'通过塞子状的第二导电连接区域500"连接到设置在CMOS衬底区域700"中的电路装置PS上，所述第二导电连接区域被引导通过绝缘层600和衬底覆镀通孔区域700'。
电路装置PS使得能够通过控制连接端S——例如总线连接端——将可重新配置的接触元件30、30'、30"选择性地连接到内部的CMOS印制导线L1、L2、L3上，并且因此可被自由配置或可被自由连接到预先给定的电势上。
因此，通过可自由配置的接触元件30、30'、50，可以将微机械结构的不同元件4'、7'、7a'、7a"可自由配置地连接到预先给定的电势上。
尽管先前已经根据优选实施例完整地描述了本发明，但本发明并不限制于此，而是可以通过多种方式被修改。
本发明尤其不限制于示例性说明的传感器。

Claims (10)

1.微机械结构、尤其是传感器装置，具有：
至少一个微机械的功能层(100,101)；
设置在所述至少一个微机械的功能层(100,101)下方的、具有至少一个可配置的电路装置(PS)的CMOS衬底区域(700")；
设置在所述至少一个微机械的功能层(100,101)和所述CMOS衬底区域(700")之间并且电连接到所述微机械的功能层(100,101)和所述电路装置(PS)上的一个或多个接触元件(30,30',30")的装置，
其中，所述可配置的电路装置(PS)被设计为，使得所述一个或多个接触元件(30,30',30")可选择性地与所述CMOS衬底区域(700")中的电连接线路(L1,L2,L3)连接。
2.根据权利要求1所述的微机械结构、尤其是传感器装置，其中设置所述第一微机械的功能层(100)，所述第一微机械的功能层具有可运动的MEMS元件(7')和MEMS定子元件(4')，并且其中接触元件(30)连接到所述可运动的MEMS元件(7')和/或所述MEMS定子元件(4')上。
3.根据权利要求2所述的微机械结构、尤其是传感器装置，其中所述第一微机械的功能层(100)具有一个或多个不可运动的第一MEMS元件(7a')，其中所述可运动的MEMS元件(7')具有一个或多个间隙(Z)，在所述一个或多个间隙内设置所述一个或多个不可运动的第一MEMS元件(7a')并且其中所述一个或多个不可运动的第一MEMS元件(7a')分别连接到接触元件(30')上。
4.根据权利要求2或3之一所述的微机械结构、尤其是传感器装置，其中设置第二微机械的功能层(101)，所述第二微机械的功能层设置在所述第一微机械的功能层(100)下方，其中所述第二微机械的功能层(101)具有一个或多个不可运动的第二MEMS元件(7a')并且其中所述一个或多个不可运动的第二MEMS元件(7a")分别连接到接触元件(30")上。
5.根据权利要求4所述的微机械结构，尤其是传感器装置，其中所述一个或多个不可运动的第二MEMS元件(7a")与可运动的MEMS元件(7')有间隔地设置在所述可运动的MEMS元件(7')下方。
6.根据以上权利要求中任一项所述的微机械结构、尤其是传感器装置，其中在所述CMOS衬底区域(700")和所述至少一个微机械的功能层(100,101)之间设置衬底覆镀通孔区域(700')，在所述覆镀通孔区域上方设置第一导电连接区域(500')，所述接触元件(30，30'，30")连接到所述第一导电连接区域上，以及其中第二导电连接区域(700")被引导通过所述衬底覆镀通孔区域(700')，所述第二导电连接区域连接到所述电路装置(PS)上以及所述第一导电连接区域(500')上。
7.根据以上权利要求中任一项所述的微机械结构，尤其是传感器装置，其中所述电路装置(PS)具有可通过控制连接端(S)编程的门阵列。
8.根据以上权利要求中任一项所述的微机械结构、尤其是传感器装置，其被构造为加速度传感器或转速传感器。
9.用于运行根据以上权利要求中任一项所述的微机械结构、尤其是传感器装置的运行方法，其中重新编程电路装置(PS)，以便抵消老化效应和/或环境效应。
10.根据权利要求9的运行方法，其中所述环境效应是温度效应。
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