CN103547331A - 具有线性特征的微电机系统装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微电机系统装置具有第一组件和第二组件，该第一组件包括具有连接器的传感器元件，第二组件包括梳齿驱动。梳齿驱动具有定子板和转子板，且连接器被配置成将转子板相对于定子板位移，根据转子板的位移提供可变的电容。
Description
技术领域
本发明涉及微电机系统传感器的领域。
本申请要求申请日为2012年2月10日的美国专利申请第12/371,024号，以及申请日为2011年2月11日的美国临时专利申请第61/441,760号的优先权，在此结合其全部公开作为参考。
背景技术
本公开涉及通过微电机系统（通常称作MEMS）改进压力和其它物理变量的电容纳米级测量的精确度。具体的重点在于提供该装置的线性性能参数的改进特征，该装置可通过应用静电、热能或物理位移偏移而进一步改变。另一个重点是改进新的结构构件元件，其被设计成简化具有要求的特征的MEMS装置的制造。
用于测量压力和其它物理变量的MEMS装置的使用是已知的，例如，美国专利第7,721,587号和这里所引用的现有技术。对于微电机系统和纳米电机系统（M/NEMS）领域的研究人员来说，机械性能较强地取决于几何和材料特性。这些制造特性难以预计且难以测量。预测的问题在于，给定任何制造方法，从该方法得到的装置的几何和材料特性在不同的制造设备之间，不同的制造运转之间，以及甚至在给定的晶片本身范围都是不同的。很多测量方法的问题在于其通常产生与所测量的特性相同量级的不确定性。
关于材料特性，对于给定位移，通常通过虎克定律（Hooke’s law）使用杨氏模量确定MEMS中的力。然而，制造MEMS装置的杨氏模量通常是未知的。尽管本领域多使用查找表格来确定杨氏模量，然而该值通常是改变百分之十或更多的测量平均值。由于当前没有测量杨氏模量的标准，这种测量的真实准确度是未知的。已知制造中的标准过蚀刻误差可将系统刚度增加多达98%。杨氏模量中包括不确定性使得刚度的相对误差增加至188%。因此，仍然需要这样的MEMS测量装置，其能够在线性斜率上可靠地校准和操作以简化MEMS装置相对于试图测量的变量的移动的校准和按比例缩放。
发明内容
一种实施方式包括微制造可变电容器，其包括定子和转子。该定子包括多个彼此间隔开的导电板，且每一对相邻的板在其间形成通道。各板在第一公共电连通线路（electrical communication）中。转子包括中间毂盘（hub），且第一和第二臂以悬臂的方式从毂盘的相反侧延伸。第一组多个导电叶片连接至所述第一臂，且第二组多个导电叶片连接至所述第二臂。各所述第一组多个和第二组多个叶片位于第二公共电连通线路中。毂盘通过第一和第二弹簧从所述转子悬挂，使得各所述叶片被接收在所述通道的相应一个中且各所述叶片的一部分与相邻的所述叶片共同作用以存储电荷，且所述第一电连通线路和所述第二电连通线路之间的电容随着第一和第二弹簧将所述转子相对于所述定子偏移至不同位置而改变。
另一个实施方式包括微制造可变电容器，其包括定子、转子和悬挂系统。定子具有一定宽度且包括多个彼此间隔开的导电板，各所述导电板具有顶部、底部和它们之间的中间部。相邻板的相对的中间部之间形成通道，各所述板位于第一公共电连通线路中。转子具有一定长度且包括多个导电叶片，各所述叶片具有顶部、底部和其间的中间部。所述转子相对于所述定子悬挂使得各所述叶片被接收在所述通道的相应一个中，且所述叶片的中间部包括与相邻的所述板重叠的区域。各所述叶片位于第二公共电连通线路。悬挂系统将所述转子相对于所述定子挠性地连接。所述系统在所述宽度的约中间位置处挠性地连接至所述定子，所述系统在所述长度的约中间位置处挠性地连接至所述转子。在所述第一电连通线路和所述第二电连通线路之间的电容器响应于不同重叠区域而改变。
其它实施方式包括微电机系统传感器。该微电机系统传感器包括梳齿驱动和接近所述梳齿驱动悬挂的薄膜。梳齿驱动包括定子部分和转子部分，该定子部分具有多个彼此间隔开的定子板，转子部分包括多个彼此间隔开的转子板。所述转子部分从所述定子部分弹性地悬挂，所述多个定子板和所述多个转子板形成电容器，其具有随着所述转子部分相对于所述定子部分的位置而改变的电容。接近所述梳齿驱动悬挂的薄膜，该薄膜具有与所述梳齿驱动的转子部分物理地接触的立柱，该立柱将所述转子部分偏移至具有第一梳齿驱动电容的第一位置，且所述薄膜的移动使得所述立柱将所述转子部分偏移至具有第二梳齿电容的第二位置。
附图说明
为了进一步明确一个或多个本发明的上述和其它优点和特征，可参考附图中示出的具体实施方式。附图仅示出了常规的实施方式且因此不作为限制。下面将参考附图通过额外的说明和细节说明和解释一个或多个实施方式，其中：
图1是被设计成形成MEMS装置的一个实施方式的两个组件的上表面的示意正交视图。
图2是图1中所示的两个组件的下表面的示意正交视图。
图3a是图1中所示的两个组件间隔开的示意剖视图。
图3b是图1中所示的两个组件装配在一起引起梳齿驱动的一个元件物理位移的示意剖视图。
图4是识别感兴趣区域的梳齿驱动组件的示意正剖视图。
图5关于梳齿驱动的元件的相对位移的梳齿驱动的电容的图。
图6包括沟和凹座对齐零件的MEMS装置的示意正交视图。
图7a是与图3a类似的图6所示装置的示意剖视图。
图7b是与图3a类似的图6所示装置的示意剖视图。
图8是与图1类似的被设计成形成MEMS装置的另一个实施方式的两个组件的上表面示意正交视图。
图9是与图2类似的图8中所示的两个组件的下表面的示意正交视图。
图10包括在MEMS装置的第二实施方式中的圆形梳齿驱动的平面视图。
图11是包括在限定正对MEMS薄膜的气体压力口的包装中的MEMS装置的示意剖视图。
图12是测试MEMS装置关于气体压力的性能的实验组件。
图13是使用电子微测量方法自校准的热传感器。
图14是包括使用电子微测量方法自校准的人字形热制动器的另一个热传感器。
附图不用于确定比例。
具体实施方式
在图1中示出了MEMS传感器装置10的分解视图，其包括两个组件12和14。上组件或薄膜组件12包括SiO2薄膜16，其可具有大约2μm的厚度。更厚的上把手层18围绕SiO2薄膜16的周围。上把手层18可由单晶硅（SCS）形成，且可具有在竖直方向大约400μm的厚度。下组件或梳齿驱动组件14包括下把手层20，其还可由SCS形成且与上把手层18的尺寸相似。导电SCS层22的外侧周围由上把手层20支撑。导电SCS层22被蚀刻，或者由常规绝缘衬底上的硅（SOI）技术制造以形成梳齿驱动24。梳齿驱动24包括具有定片的定子和具有转片的转子（参见图4）。在图2中示出了MEMS传感器装置10的下视图，以示出位于薄膜16的中间位置且朝向梳齿驱动24延伸的立柱（stud）26。
图3a和图3b是图1的实施方式的组件12、14的剖视图，示出了两个组件12、14部件分开的情形，而图3b示出了两个组件12、14结合的情形。通过比较图3a和3b可看到两个组件12、14结合的效果。在图3a和3b中，沿着与定板平行的转板进行剖切。在图3A中，可在支撑梳齿驱动24的下把手层20的区域看见梳齿驱动24的定子部分28，而在把手层20的下开口上方看见梳齿驱动24的可移动转子部分30。如图3B中所示，当两个组件12和14结合时，薄膜16上的立柱26与梳齿驱动24的移动转子部分30接触，使得转子部分30相对于定子部分28向下位移。通过围绕两个组件的SiO2将两个组件12和14保持在一起。当结合时，转子部分30的支撑部分（未示出）的弯曲所提供的对位移的阻挡可至少部分地偏移由立柱26和支撑薄膜16提供的向下力，使得支撑薄膜16能够如图所示地向上弯曲。
图4是梳齿驱动组件14的正剖视图，该剖视图沿着垂直于图3a和3b的剖视图穿过转子部分28和定子部分30而截取。通过两个组件12和14的组装，转子部分30相对于定子部分28向下位移。转子部分30相对于定子部分28的进一步位移可作为由于气体压力或其它作用力引起的薄膜16的位移的结果而发生。由于薄膜16的位移引起的转子部分30的位移可覆盖图5中所示的图表中的三幅图像的距离范围。随着转子部分30和定子部分28初始地形成，其在图5中示出作为图像A。当转子部分30和定子部分28相对于彼此位移时，其或多或少示出如图5中的图像B所示。随着转子部分30和定子部分28相对于彼此完全位移，其可实现如图5中的图像C所示的相对位置。图5中的图示出了形成梳齿驱动24的平行板在相对位移的不同位置处的以皮法测量的电容。当然，当如图像A所示梳齿驱动24的平行板具有最大的彼此正对区域时具有最大电容，而如图像C所示梳齿驱动24的平行板具有彼此相对最小的正对区域时具有最小电容。重要的是，注意在相对位移的较大范围，电容的改变相对于相对位移的范围是线性的。本公开的MEMS传感器装置10使用薄膜16上的立柱26，其尺寸被设置成引起转子部分30相对于定子部分28的初始位移。进行尺寸选择，使得梳齿驱动的两个部分的任何进一步相对位移是电容/位移曲线的线性部分。
图6是MEMS装置110的示意正交视图，其具有与图1-4中所示的装置10相似的特征，且包括保证装置110的正确装配的对齐零件。图6中所示的MEMS装置110包括具有薄膜116的薄膜组件112，其中立柱126居中设置在薄膜116的下表面上，薄膜116由更厚的上把手层118围绕。梳齿驱动组件114包括如图1-4中所示的相同方式的下把手层120。两个组件112和114的周围部分提供接合区域21以将两个组件112和114彼此物理地固定。对齐零件包括在组件112和114中的一个的周围接合区域中设置的至少一个沟或槽132。相应的凹座或柱特征134设置在组件112和114的另一个的周围接合区域中。沟132和凹座134可分别包括形状特征，以在两个组件112和114之间提供独特的对齐关系。此外，沟132和凹座134的竖直尺寸足以向装配着提供触觉感觉输入，以保证两个组件112和114的正确相对对齐。图7a和7b是与图3a和图3b相似的示意剖视图，分别是在装配过程中的图6中所示的MEMS装置110。
图8-10中所示的MEMS装置810的可选实施方式包括具有薄膜816的薄膜组件812，其中立柱826居中设置在薄膜816的下表面上，薄膜816由更厚的上把手层818围绕。梳齿驱动组件814包括下把手层820。两个组件812和814的周围部分提供了接合区域以将组件彼此物理地接合。梳齿驱动824包括定子部分828和可移动转子部分830，该二者位于梳齿驱动824的周围部分形成的大体圆形周围中。在图10中示出了形成梳齿驱动824的两部分的板的平面视图。板包括设置成与公共中心836间隔开距离的拱形元件，该公共中心836也是立柱826的接触点。各拱形元件的一端连接至梳齿驱动824的定子部分828或移动转子部分830的径向延伸部分。在图8-10中所示的圆形梳齿驱动配置在装配过程中阻挡平面位移且不受偶然梳齿驱动转动的影响。
图11是MEMS装置1110的示意剖视图，该MEMS装置1110可以是前面所示实施方式中任一个，包括在限定有与MEMS薄膜1116相对的气体压力口1140的包装1138中。尽管示出了相对的MEMS薄膜1116，然而口1140不需要在所有的实施方式中与MEMS薄膜116相对。包装1138优选地限定MEMS装置1110的流体防渗透环境，除了口1140。可根据装置1110的预期环境而选择包装1138的材料特性。
图12示出了形成用于评价MEMS装置的关于气体压力的性能的实验组件1242的部件，例如图1的MEMS装置10。该实验组件1242包括微型探针台1244，其被设计成在受控制的环境腔室1246中接收MEMS装置。该环境腔室1246可连接至真空泵（未示出），用于减小MEMS装置所经受的气体压力。压力传感器1248可连接至环境腔室1246以测量环境腔室1246中的压力。压力传感器1248的输出可连接至压力控制器1250，其相应地连接至气体流动/压力调节器1252。气体流动/压力调节器1252可连接至气体源（未示出），例如氮容器。该气体流动/压力调节器1252能够响应压力控制器1250所提供的信号让要求的气体的流动向在控制环境腔室1246中检验的MEMS装置的薄膜上施加压力。可通过诸如HPTM型号4284LCR表等的合适计量设备1254来记录从所测量的MEMS装置1210的电特性所确定的机械性能。
在电子微测量方法的一个示例中，可根据电容的改变来测量宽度，w(ΔC)；且可通过将电容的不确定性（uncertainty）与宽度对电容的灵敏度（sensitivity）相乘而测量宽度的不确定性，
由于灵敏度通常较大，～108m/F，电容的不确定性是～10-18F或更小。因此，宽度的不确定性是属于埃（angstrom）的量级。
可制造梳齿驱动微结构以有意地包括两个不相等的间隙止块，gap1和gap2。该两个有意不相等的间隙提供了结构，其允许消除对未知几何和材料特性的考虑。通过对以施加的电压闭合两个间隙所要求的电容的改变进行测量，可获得如下的结构的几何形状、静电力和系统刚度。要求所测量的电容的改变跨越每个间隙，ΔC1和ΔC2，可分别表达为：ΔC1=2Nβεh gap1/g=2Nβεh(gap1,layout+Δgap)/g,和ΔC2=2Nβεh gap2/g=2Nβεh(gap2,layout+Δgap)/g，其中N是梳齿驱动微结构中的梳齿指的数量，ε是介质的未知介电常数，h是微结构的未知层厚度，g是梳齿指之间的未知间隙距离，β是未知静电弥散场因素，且Δgap是预计设计输出和实际制造之间的间隙-止块尺寸的未知差别。选择输出参数n，使得gap1,layout≠gap2,layout=n gap1,layout。采用上面表达式的比例ΔC1/ΔC2得到Δgap=gap1,layout(nΔC1/ΔC2–1)/(ΔC1/ΔC2–1)。对于在接近附近范围内的各向同性制造过程，Δgap是局部一致的且提供结构的所有平面几何形状的尺寸。即，制造的间隙是gap layout+Δgap，弯曲的宽度是width layout-Δgap，弯曲的长度是length+Δgap等。
电子微测量方法的另一个独特特征是能够直接量化测量的不确定性。所测量的电容
和电压
的不确定性，即，由于噪声源的聚集产生的读出分辨率的阶数（order），产生机械特性的相应不确定性。即，通过将电容和电压的所有示例替换为上述表达式中的和
由于位移中的用于不确定性的形式
的一阶项式，生效的不确定性的
和刚度的不确定性的所以关于电不确定性的多元泰勒展开式产生机械不确定性。
此外，电子微测量方法还可用于将MEMS装置的系统刚度有效地选择为具体的量N/m。电容的改变可用于测量所制造的几何结构，梳齿驱动力，机械刚度和位移。具体地，电子微测量梳齿驱动力由FE=1/2ΨV2得到，刚度由KM=1/2Ψ2V2/ΔC得到，且位移x=ΔC/Ψ，其中Ψ=ΔCgap/gap，Ψ是梳齿驱动常数。
电子微测量方法可用于具有线性响应曲线的自动自对准温度传感器1300。在该应用中，电容的改变用于感应热诱发振动和静载变形。图13中所示的谐振器1302可结合固定-固定（fixed-fixed）的有源或无源谐振器1302，用于测量平面振荡频率。该固定-固定的谐振器由于热膨胀而经历谐振频率的改变。由于固定-固定的配置，该谐振频率的改变是较大的。在通过电子微测量方法确定系统质量和刚度之后，谐振频率的测量用于通过固定-固定的谐振器的热膨胀引起的刚度改变而确定温度。通过施加用于较大位移幅度的合适的振荡电压可以有源地驱动谐振器1302，或者由于热诱发的振动以小很多的幅度而无源地驱动谐振器1302。
图14中所示的谐振器1400结合“人字形”电热致动器用于测量平面偏转。人字型致动器的静态热膨胀用于偏转差分梳齿驱动（differential combdrive）。人字形致动器包括一个或多个成角度的弯曲部分以形成优先的放大偏转。更多的弯曲部分可用于提高刚度且减少热噪声。该基于电子微测量术的方法允许推动该性能和设计空间以实现最大的热灵敏度。即，电容是现有的最精确的测量模式。例如，在zeptofarads（10-12F）量级的电容对应10-13m量级的梳齿驱动位移。已知刚度和温度之间的关系给出为：(1/2)K(x2)=(1/2)kBT，其中K是刚度，x是振动幅度，kB是玻耳兹曼常数,且T是温度。然而，与其它的之前作用不同，通过使用电子微测量方法可确定刚度和位移的准确和精确的测量，其可用于测量绝对温度T。电子微测量方法使得不需要任何外部参考温度标准的使用。
Claims (20)
1.一种微制造可变电容器，包括：
定子，其包括彼此间隔开的多个导电板，每一对相邻的导电板之间形成通道，每个所述导电板位于第一公共电连通线路中；
转子，其包括中间毂盘和从该毂盘的相反两侧以悬臂的方式延伸的第一和第二臂，第一组多个导电叶片连接至所述第一臂，且第二组多个导电叶片连接至所述第二臂，所述第一组多个和第二组多个叶片中的每个叶片位于第二公共电连通线路中；
其中，所述毂盘通过第一和第二弹簧从所述转子悬挂，使得每个所述叶片中被接收在所述通道中的相应一个通道中，且每个所述叶片的一部分与相邻的所述叶片共同作用以存储电荷，且所述第一电连通线路和所述第二电连通线路之间的电容随着所述第一和第二弹簧将所述转子相对于所述定子偏移至不同位置而改变。
2.如权利要求1所述的电容器，还包括用于改变所述转子相对于所述定子的位置的装置。
3.如权利要求2所述的电容器，其中所述装置包括将所述电容器连接至移动物体，且所述相对运动与所述转子的惯性有关。
4.如权利要求3所述的电容器，其中所述电容器是加速计的一部分。
5.如权利要求1所述的电容器，其中所述装置包括柔性物体，所述定子连接至所述物体的另一部分，且所述一部分相对于所述另一部分移动。
6.一种微制造可变电容器，包括：
定子，其具有宽度且包括多个彼此间隔开的导电板，每个所述导电板具有顶部、底部和顶部与底部之间的中间部，在每一对相邻导电板的相对的中间部之间形成通道，每个所述导电板位于第一公共电连通线路中；
转子，其具有长度且包括多个导电叶片，每个所述叶片具有顶部、底部和顶部与底部之间的中间部，所述转子相对于所述定子悬挂，使得每个所述叶片被接收在所述通道中的相应一个通道中，且所述叶片的中间部包括与相邻导电板重叠的区域，每个所述叶片位于第二公共电连通线路中；和
悬挂系统，其用于将所述转子相对于所述定子挠性地连接，所述系统在所述宽度的约中间位置处挠性地连接至所述定子，所述系统在所述长度的约中间位置处挠性地连接至所述转子；
其中，所述第一电连通线路和所述第二电连通线路之间的电容根据不同重叠区域而不同。
7.如权利要求6所述的电容器，其中所述悬挂系统包括从所述定子的一端延伸至所述转子的第一悬臂支架，和从所述定子的相反端延伸至所述转子的第二悬臂支架。
8.如权利要求6所述的电容器，其中所述第一悬臂从具有大致夹紧边界情况的所述一端延伸，且所述第二悬臂从具有大致夹紧边界情况的所述另一端延伸。
9.如权利要求6所述的电容器，其中所述悬挂系统连接至所述转子，使得所述转子为相对于所述定子在两个方向平衡的质量。
10.如权利要求6所述的电容器，其中所述转子包括居中地设置的毂盘，且所述叶片从所述毂盘得到悬臂支撑。
11.如权利要求10所述的电容器，还包括支撑所述叶片的悬臂，所述悬臂的一端连接至所述毂盘，每个所述叶片以大致与从所述毂盘至所述悬臂的自由端的方向垂直的方向从所述臂延伸。
12.如权利要求6所述的电容器，其中所述导电板是平面的且所述叶片是平面的。
13.如权利要求6所述的电容器，其中所述导电板关于轴线是圆形的，且所述叶片关于该相同轴线是圆形的。
14.如权利要求23所述的方法，还包括微制造所述转子、所述定子和所述薄膜。
15.如权利要求1所述的电容器，其中所述第一和第二弹簧中的每个具有第一弹簧常数和第二弹簧常数，其中第一弹簧常数与平行于所述导电板的所述叶片的移动对应，第二弹簧常数与所述叶片朝向所述导电板的移动对应，且所述第二弹簧常数比所述第一弹簧常数大。
16.一种微电机械系统传感器，包括：
梳齿驱动，其包括定子部分和转子部分，所述定子部分具有多个彼此间隔开的定子板，且所述转子部分包括多个彼此间隔开的转子板，所述转子部分从所述定子部分弹性地悬挂，所述多个定子板和所述多个转子板形成电容器，该电容器的电容随着所述转子部分相对于所述定子部分的位置而改变；
接近所述梳齿驱动悬挂的薄膜，该薄膜具有与所述梳齿驱动的转子部分物理地接触的立柱，该立柱将所述转子部分偏移至具有第一梳齿驱动电容的第一位置；且
其中所述薄膜的移动使得所述立柱将所述转子部分偏移至具有第二梳齿电容的第二位置。
17.如权利要求16所述的微电机系统传感器，其中，所述定子板和所述转子板是平行的。
18.如权利要求16所述的微电机系统传感器，还包括限定压力口和在另外情况下的流体密封环境的包装。
19.如权利要求16所述的微电机系统传感器，其中，所述定子板和所述转子板是从公共中心以间隔距离设置的拱形元件。
20.如权利要求19所述的微电机系统传感器，其中，所述立柱与所述公共中心接触。
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