CN103733304B - 其中一部分暴露在环境下并且带有竖直集成电子器件的气密封mems设备 - Google Patents

Abstract

在此披露了一种用于为MEMS设备提供集成电子器件的系统和方法。该MEMS设备包括一个集成电路衬底和一个耦联到该集成电路衬底上的MEMS子组件。该集成电路衬底包括耦联到至少一个固定电极上的至少一个电路。该MEMS子组件包括通过平版印刷工艺形成的至少一个压铆螺母柱、一个带有顶面和底面的柔性板、以及一个耦联到该柔性板上并且电耦联到该至少一个压铆螺母柱上的MEMS电极。作用在该柔性板上的一个力引起该MEMS电极与该至少一个固定电极之间的一个间隙的变化。

Description

其中一部分暴露在环境下并且带有竖直集成电子器件的气密封MEMS设 备

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年6月29日提交的标题为“其中一部分暴露在环境下并且带有竖直集成电子器件的气密封MEMS设备（HERMETICALLY SEALED MEMS DEVICE WITH A PORTIONEXPOSED TO THE ENVIRONMENT AND WITH VERTICALLYINTEGRATED ELECTRONICS）”的美国临时专利申请号61/502,616的权益，该申请通过引用以其全文结合于此。本申请与2011年6月29日提交的案卷#IVS-154PR（5027PR）标题为“用于其中一部分暴露在环境下的CMOS-MEMS集成传感器的设备和工艺（Devices And Processes ForCMOS-MEMS Integrated Sensors With Portion Exposed To Environment）”美国临时专利申请号61/502,603以及与其同时提交的并且转让至本发明的受让人的案卷#IVS-154（5027P）标题为“用于其中一部分暴露在环境下的密封MEMS设备的工艺（PROCESS fOR A SEALED MEMS DEVICE WITHA PORTION EXPOSED TO THE ENVIRONMENT）”的美国专利申请号_______相关，这些申请全都以其全文结合于此。

发明领域

本发明涉及微机电系统（MEMS）设备，并且更具体地涉及对压力进行感测的MEMS设备。

背景

MEMS设备包括一个可移动的微结构，该微结构响应于如惯性、静电、磁性或微分压力而移动。强烈需要一种改进力（如压力）的检测的成本有效的解决方案。本发明解决了这种需要。

发明概述

在此披露了一种用于为MEMS设备提供集成电子器件的系统和方法。在一个第一方面中，MEMS设备包括一个集成电路衬底和一个耦联到该集成电路衬底上的MEMS子组件。该集成电路衬底包括耦联到至少一个固定电极上的至少一个电路。该MEMS子组件包括通过平版印刷工艺形成的至少一个压铆螺母柱、一个带有顶面和底面的柔性板、以及一个耦联到该柔性板上并且电耦联到该至少一个压铆螺母柱上的MEMS电极。作用在该柔性板上的力引起该MEMS电极与该至少一个固定电极之间的间隙的变化。

在一个第二方面中，该方法包括提供一个集成电路衬底和将MEMS子组件耦联到该集成电路衬底上。该集成电路衬底包括耦联到至少一个固定电极上的至少一个电路。该MEMS子组件包括通过平版印刷工艺形成的至少一个压铆螺母柱、一个带有顶面和底面的柔性板、以及一个耦联到该柔性板上并且电耦联到该至少一个压铆螺母柱上的MEMS电极。作用在该柔性板上的力引起该MEMS电极与该至少一个固定电极之间的间隙的变化。

附图简要说明

附图和说明书一起展示了本发明的几个实施例，并且这些附图用于解释本发明的原理。本领域的普通技术人员将认识到图中所示的具体实施例仅是示例性的，而并不旨在限制本发明的范围。

图1展示了根据一个第一实施例的MEMS设备的横截面视图。

图2展示了根据一个第二实施例的MEMS设备的横截面视图。

图3展示了根据一个第三实施例的MEMS设备的横截面视图。

图4展示了根据一个第四实施例的MEMS设备的横截面视图。

图5展示了根据一个第五实施例的MEMS设备的横截面视图。

图6展示了根据一个第六实施例的MEMS设备的横截面视图。

图7展示了根据一个第七实施例的MEMS设备的横截面视图。

图8展示了根据一个第八实施例的MEMS设备的横截面视图。

图9展示了根据一个第九实施例的MEMS设备的横截面视图。

图10展示了一个图表，显示了柔性板偏转的变化作为周围温度的函数。

图11展示了根据一个第十实施例的MEMS设备的横截面视图。

图12展示了根据一个第十实施例的MEMS设备的横截面视图。

图13展示了一个实施例中其中电介质在密封腔内的MEMS设备的横截面视图。

图14展示了其中柔性板从操作衬底解耦的MEMS设备的横截面视图的实施例。

详细说明

本发明涉及微机电系统（MEMS）设备，并且更具体地涉及对压力进行感测的MEMS设备。以下描述被展示为使得本领域的普通技术人员能够制作和使用本发明，并且提供在专利申请及其要求的背景中。对所描述的实施例和和通用原理以及再次描述的特征作出的各种修改对本领域的技术人员而言是非常明显的。因此，本发明并非旨在限定于所示实施例，而是要符合与在此描述的原理和特征相一致的最广泛范围。

根据本发明的系统和方法提供了带有集成电子器件的力感测和力施加MEMS设备。通过将包括至少一个固定电极的集成电路衬底粘合在一个包括平版印刷形成的压铆螺母柱和带有耦联MEMS电极的柔性板的MEMS子组件上，形成一个具有参考压力的密封腔。相应地，作用在该柔性板上的力引起该柔性板偏转并且反过来引起由该MEMS电极和该至少一个固定电极之间的密封腔形成的间隙尺寸发生变化。

MEMS设备的柔性板由于作用在该柔性板的一部分上的多种外部力而发生偏转，该柔性板的一部分被布置在外部并且经受周围周边环境。这些外部力包括但不限于参考压力与周围周边环境的压力之间的压力差、作用在柔性板上的剪切力和通过微流动和加速施加作用在柔性板上的其他力。

此外，根据本发明的系统和方法描述了一类MEMS设备、传感器、以及致动器，包括但不限于压力传感器、自测试压力传感器、加速计、力传感器、剪切力传感器、流体传感器、以及气密封和粘合在集成电路上的、使用电容感测和静电致动的、并且在气密封腔和周边环境之间具有柔性板以允许设备与周边环境进行交互的微扬声器。

增强MEMS设备的性能的特征包括但不限于用于检测和排斥MEMS电极与集成电路衬底的固定电极之间的间隙的变化的电极配置、压力传感器失调温度相关性抵消技术、压力传感器自测试和自校准技术、以及消除不希望的环境因素的压力传感器颗粒过滤器。

为了更加详细地描述本发明的特征，现在结合附图参照以下描述。

图1展示了根据一个第一实施例的MEMS设备100的横截面视图。该MEMS设备100包括一个集成电路衬底114、一个耦联到该集成电路衬底114上的电子电路116和一个耦联到该集成电路衬底114上的固定电极118。在一个实施例中，该集成电路衬底114包括CMOS电路系统。该MEMS设备100还包括一个包括MEMS电极104的MEMS子组件、一个耦联到该MEMS电极104上的柔性板126、以及耦联到该MEMS电极104上的至少一个压铆螺母柱110。该柔性板126包括一个顶面106和一个底面108。该MEMS子组件通过形成密封腔120的粘合剂112粘合到该集成电路衬底114上。

在图1中，该集成电路衬底114、该至少一个压铆螺母柱110和该柔性板126的底面108的一部分限定该密封腔120边界。在一个实施例中，该密封腔120包含具有参考压力（P_ref）的气体。该柔性板126的顶面106暴露在周围环境下，包括但不限于具有环境压力（P_amb）的地球大气。

该MEMS电极104和该固定电极118之间的间隙由该至少一个压铆螺母柱110高度确定。该MEMS电极104与该固定电极118的组合形成一个电容器。由于力102（包括但不限于压力变化）引起该柔性板126的变形引起该MEMS电极104与该固定电极118之间的间隙变化。该间隙的这些变化反过来引起该电容器内的电容变化，通过电容测量工艺测量这些电容变化。在一个实施例中，该电容测量工艺包括：用该嵌入式电子电路116将该电容器连接到该集成电路衬底114上，然后测量电容来指示由于该力102引起板变形的量值。

在一个实施例中，该柔性板126形成在如单晶硅设备层的设备层上并且由厚度范围包括但不限于1微米（um）到100um的掺杂硅（Si）制成。在本实施例中，该掺杂Si使该柔性板126还能够用作该MEMS电极104。该柔性板126具有平版印刷地形成在其底面108上的至少一个压铆螺母柱110。在本实施例中，从该CMOS集成电路衬底114的顶部金属层形成该固定电极118。本领域的普通技术人员容易地认识到该柔性板126可以被制成响应于在本发明的精神和范围内的各种力。

该至少一个压铆螺母柱110通过该粘合剂112粘合到该集成电路衬底114上，该粘合剂导电以在该集成电路衬底114与该MEMS电极104之间产生电连接。本领域的普通技术人员容易地认识到该粘合剂112可以是多种不同的导电粘合剂，包括但不限于铝-锗共熔粘合剂并且其将在本发明的精神和范围内。

图2展示了根据一个第二实施例的MEMS设备100'的横截面视图。该图2的MEMS设备100'类似于图1的MEMS设备100，但还包括一个操作衬底122，该操作衬底通过氧化物124耦联到该柔性板126上以形成一个使该柔性板126的顶面106暴露在周围环境下的开口。在一个实施例中，由该操作衬底122产生的开口形成一个微流体通道。该柔性板126形成该微流体通道的地板。该柔性板126上流动的流体施加的粘力和其他力引起该柔性板126变形，反过来通过上述电容测量工艺测量该变形。

图3展示了根据一个第三实施例的MEMS设备200的横截面视图。图3的MEMS设备200类似于图2的MEMS设备100'，但还包括一个将该至少一个压铆螺母柱210连接到该MEMS电极204上的柔性电连接214和一个将该柔性板206连接到该MEMS电极204上的立柱208。在一个实施例中，响应于由于该开口202与该密封腔222之间的压力差，电极204可以移动。在另一个实施例中，响应于由于作用在该电极204上的惯性力，电极204可以移动。此外，在图3中，该电子电路216连接到四个电极上以产生用于压力感测和加速感测的四个电容器C1(a)、C3(a)、C2和C4。

图4展示了根据一个第四实施例的MEMS设备400的横截面视图。该MEMS设备400包括一个集成电路衬底114'、一个耦联到该集成电路衬底114'的电子电路116'和耦联到该集成电路衬底114'上的一个第一固定电极118'和一个第二固定电极426两者。该MEMS设备400还包括一个包括MEMS电极104'的MEMS子组件、一个耦联到该MEMS电极104'上的柔性板126'、以及耦联到该MEMS电极104'上的至少一个压铆螺母柱110'。在一个实施例中，该柔性板126'包括一个顶面106'和一个底面108'。该MEMS子组件通过形成密封腔120'的粘合剂112'粘合到该集成电路衬底114'上。

图4的MEMS设备400类似于图1的MEMS设备100，但已经被配置成能够进行微分感测。该第一固定电极118'被布置在该柔性板126'的移动部分下面。标称地由该至少一个压铆螺母柱110'的高度限定该移动部分与第一固定电极118'之间的间隙，但由于该密封腔120'与周围周边环境之间的压力差引起变化。该第二固定电极426被布置在该柔性板126'的参考部分下面，该参考部分基本上位于距该至少一个压铆螺母柱110'更近。还标称地由该至少一个压铆螺母柱110'的高度限定该第二固定电极426与该柔性板126'的参考部分之间的间隙，但该参考部分与该移动部分相比对外部压力欠敏感。

在图4中，该第一固定电极118'和该柔性板126'的移动部分形成一个第一电容器（C₁）422，并且该第二固定电极426与该柔性板126'的参考部分形成一个第二电容器（C₂）424。响应于该力102’（包括但不限于压力变化），该电子电路116'测量该第一和该第二电容器422至424之间的差值。在一个实施例中，该电子电路116'对该至少一个压铆螺母柱110'高度的制造变化不敏感。在本实施例中，使用开关电容器技术设计图4的底部中所示的电子电路116'并且其是一个对这两个电容器422至424之间的差值进行感测的半桥安排450。

图5展示了根据一个第五实施例的MEMS设备500的横截面视图。该MEMS设备500包括一个CMOS集成电路衬底502、一个耦联到该CMOS衬底502上的柔性板504、一个耦联到该CMOS衬底502上的第二MEMS设备506、一个耦联到该柔性板504上的操作衬底508和一个位于该柔性板504上的压力端口510。打开该操作衬底508的一部分来形成该压力端口510并且将该柔性板504暴露在环境下。该第二MEMS设备506形成在该设备层内并且水平地与该压力端口510集成。该操作衬底508和柔性板504覆盖住该第二MEMS设备506。可以通过丝焊或硅穿孔（TSV）或其他类似技术将操作衬底508连接成接地电势。本领域的普通技术人员容易地认识到该第二MEMS设备506可以是多种设备，包括但不限于陀螺仪并且其将在本发明的精神和范围内。

在一个实施例中，可以由该柔性板504、压铆螺母柱520和522和CMOS衬底502形成密封腔512并且在一定压力下对其进行密封。可以在与该密封腔512不同的压力下单独地对封闭第二MEMS设备506的一个第二密封腔进行密封。在一个实施例中，可以通过打开这些压铆螺母柱的一部分在相同压力下密封该密封腔512和该第二密封腔。在一个实施例中，密封腔512以这些压铆螺母柱520和522为边界。在另一个实施例中，打开压铆螺母柱520的一部分（图5中未示出），从而使得密封腔以压铆螺母柱522和524为边界。在另一个实施例中，打开压铆螺母柱520和524的一部分以延长密封腔512来包括该第二密封腔。

图5的MEMS设备500类似于图4的MEMS设备400，但其还包括形成在该CMOS集成电路衬底502内的两个附加电容器C2和C4。在一个实施例中，由两个在CMOS工艺中使用的金属层形成这两个附加电容器C2和C4。在另一个实施例中，电容器C2被布置在电容器C1(P)的右下方，而电容器C4被布置在电容器C3(P)的右下方。在本实施例中，所有四个电容器C1(P)、C2、C3(P)和C4在P_amb的具体值上被设计成相等。本领域的普通技术人员容易地认识到这四个电容器可以被布置在多种不同配置中并且这些配置将在本发明的精神和范围内。

嵌入在该CMOS集成电路衬底502内的并且在图5的底部中所示的电子电路被设计成将这些四个电容器C1(P)、C2、C3(P)和C4电连接起来以形成一个电容桥电路550。将驱动电势施加在标有AS1-ACT和AS2-Me5的电容桥电路550端上。桥输出端标有Me6-PM2和Me6-PM1。该电容桥电路550根据以下方程式输出与电容差值成比例的信号：C1(P)–C2–C3(P)+C4。其结果是，该电容桥电路550由于跨该柔性板504的压力差而变化。在另一个实施例中，该电子电路被设计和实现为开关电容器电路。

图6展示了根据一个第六实施例的MEMS设备600的横截面视图。该MEMS设备600包括：一个耦联到一个第一柔性板604和一个第二柔性板606两者上的集成电路衬底602；一个耦联到该第一柔性板604上的第一MEMS电极618；一个耦联到该第二柔性板606上的第一MEMS电极620；一个通过氧化物层608和至少一个压铆螺母柱616耦联到该第一和第二柔性板604至606两者上的操作衬底610；一个通过该操作衬底中的开口形成的并且位于该第一柔性板604上方的第一压力端口612；以及一个位于该第二柔性板606上放的第二压力端口614。

使用开关电容器技术将嵌入在该集成电路衬底602内的并且在图6的底部中所示的电子电路设计为并排布置的两个完全相同的半桥安排650。其结果是，在本电子电路中，所有四个电容器C1(P)、C2、C3(P)和C4被配置在一个全桥电路中。

图7展示了根据一个第七实施例的MEMS设备700的横截面视图。图7的MEMS设备700类似于图5的MEMS设备500，但其包括一个形成在该操作衬底内的颗粒过滤器710以增强该MEMS设备700的环境保护。该颗粒过滤器710有助于消除干扰该MEMS设备700的操作和功能性的不希望的环境因素。在一个实施例中，通过蚀刻带有不同横截面（包括但不限于2μm×2μm）的长且窄的通道来形成该颗粒过滤器710。

图8展示了根据一个第八实施例的MEMS设备800的横截面视图。图8包括一个对该MEMS设备800的电路系统配置进行描述的电子电路图850。该MEMS设备800包括：一个CMOS衬底802；一个通过形成密封腔的至少一个压铆螺母柱806耦联到该CMOS衬底802上的柔性板804；一个通过氧化物层812耦联到该柔性板804上的操作衬底808；以及一个形成在位于该柔性板804上方的操作衬底808内的颗粒过滤器810。

在一个实施例中，颗粒过滤器810被用作静止电极。在图8中，该颗粒过滤器810连接到形成两个电容器C1(P)和C2(P)的CMOS衬底802的驱动节点上，这些电容器通过将该颗粒过滤器810用作布置在该柔性板804的顶面上方的一个第二固定电极来响应于压力差变化。这两个可变电容器C1(P)和C2(P)以恰好相反的方式响应于压力差变化。其结果是，如果这些电容器其中之一增加它的值，则另一个电容器降低它的值，该值能承担起全部的包括提高后（两倍）的敏感性的微分压力感测。

在一个实施例中，该颗粒过滤器810部分地填充有软保护凝胶或油，通过粘合剂或表面张力将该凝胶或油保持在适当位置上。该软凝胶或油起到不可渗透屏障的作用，该屏障抵抗颗粒和水分同时仍然传输压力差变化而没有任何显著的衰减。本领域的普通技术人员容易地认识到该该颗粒过滤器810的通道可以部分地填充在不同水平下并且可以用多种并且将在本发明的精神和范围内的材料对其进行填充。

图9展示了根据一个第九实施例的MEMS设备900的横截面视图。该MEMS设备900包括一个集成电路衬底914、一个耦联到该集成电路衬底914的电子电路916和一个耦联到该集成电路衬底914上的固定电极918。该MEMS设备900还包括一个包括MEMS电极904的MEMS子组件、一个耦联到该MEMS电极904上的柔性板926、以及耦联到该MEMS电极904上的至少一个压铆螺母柱910。该柔性板926包括一个顶面906和一个底面908。该MEMS子组件通过形成密封腔920的粘合剂912粘合到该集成电路衬底914上。

由于比参考压力(P_ref)更大的周围环境压力(P_amb)或P_amb>P_ref条件而使该柔性板926变形。这两种压力被该柔性板926分离开。在一个实施例中，该柔性板926是薄的。本领域的普通技术人员容易地认识到该柔性板926的厚度可以具有不同的程度并且其将在本发明的精神和范围内。

在工厂制造过程中在参考压力P_ref（包括但不限于0.1毫巴到100毫巴（mbar）或10.1帕斯卡（Pa）到10.1kPa）下对布置在该柔性板926的一侧上的密封腔920进行密封。该柔性板926的另一侧暴露在周围环境压力P_amb下。在一个实施例中，P_amb为海平面下的大气压，其大约为1atm或101kPa。本领域的普通技术人员容易地认识到由于气象条件引起P_amb变化并且作为海拔的函数，并且这些变化将在本发明的精神和范围内。

该柔性板926由于压力差P_amb–P_ref而变形，并且通过以下方程式描述了该柔性板926的偏转点，其中k_eff为该柔性板926的有效刚度：

$y_{\max }=\frac{1}{k_{\mathrm{eff}}}(P_{\mathrm{amb}}-P_{\mathrm{ref}})---\left(1\right).$

在一个实施例中，以下方程式描述了带有固定边缘的正方形膜的有效刚度、厚度h以及侧长b，其中E为杨氏模量：

$k_{\mathrm{eff}}=\frac{{\mathrm{Eh}}^3}{\left(0138\right)b^4}---\left(2\right).$

该柔性板926偏转还由于该柔性板926的结构材料刚度的温度变化和由于参考压力的温度变化而发生变化。在一个实施例中，该密封腔920内存在真空，并且所以该参考压力P_ref为0。在本实施例中，该柔性板926的偏转仅受到该柔性板926的结构材料刚度的温度变化的影响。本领域的普通技术人员容易地认识到随着温度上升，大多数材料变得更软，并且所以该柔性板926的偏转将随着温度而增加并且其将在本发明的精神和范围内。

在另一个实施例中，该柔性板926可以由非常软的材料制成，其本质上作为一个活塞而移动，并且对该密封腔920进行密封同时在参考压力P_ref下包含气体。在本实施例中，当温度上升时，由该气体施加在该柔性板926上的压力也上升，该压力推动该柔性板926远离该集成电路衬底914。这引起该柔性板926的偏转量减少。

在另一个实施例中，该密封腔920是密封的同时在具体压力下包含气体，该压力引起该柔性板926偏转，由于抵消了两种效应，该柔性板对温度变化不敏感。通过以下方程式描述了该柔性板926的偏转的温度变化的第一效应：

$\frac{{\mathrm{dy}}_{\max }}{\mathrm{dT}}=\frac{1}{k_{\mathrm{eff}}}(-\frac{{\mathrm{dk}}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{dT}}\frac{1}{k_{\mathrm{eff}}}(P_{\mathrm{amb}}-P_{\mathrm{ref}})-\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{ref}}}{\mathrm{dT}})---\left(3\right).$

根据理想气体定律，该密封腔920内的压力的第二效应与绝对温度成比例并且以下方程式对其进行了描述：

$\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{ref}}}{\mathrm{dT}}=\frac{P_{\mathrm{ref}}}{T}---\left(4\right).$

在特定参考压力下，这两种效应相互抵消，引起该柔性板926发生偏转，该偏转与温度无关。以下方程式描述了此特定参考压力：

$P_{\mathrm{ref}}=P_{\mathrm{amb}}\frac{-\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dT}}\frac{T}{E}}{(1-\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dT}}\frac{T}{E})}---\left(5\right).$

在一个使用硅材料的实施例中，杨氏模量的典型变化为-40ppm/K。在本实施例中，在T=300Kelvin(K)的温度下，以下方程式大致描述了提供这两种效应的抵消的参考压力P_ref：

P_ref=0.0118*P_amb（6）。

其结果是，利用方程式（6）抵消上述两种效应的MEMS设备不需要通过板上温度传感器独立测量温度。本领域的普通技术人员容易地认识到多种温度和不同的材料将引起上述这些方程式发生变化并且其将在本发明的精神和范围内。

图10展示了一个图表1000，显示了柔性板偏转的变化作为周围温度的函数。使用上述方程式（3）计算该图表1000。在该图表1000中，Δymax_Si仅标绘了来自Si杨氏模量的贡献，Δymax_气体标绘了仅来自该密封腔内的气体的贡献，并且Δymax标绘了上述方程式（6）指定的完全补偿压力传感器中的柔性板偏转的变化。

图11展示了根据一个第十实施例的MEMS设备1100的横截面视图。该MEMS设备1100包括一个集成电路衬底1114、一个耦联到该集成电路衬底1114上的电子电路1116和一个耦联到该集成电路衬底1114上的至少一个固定电极1118。该MEMS设备1100还包括一个包括MEMS电极1104的MEMS子组件、一个耦联到该MEMS电极1104上的柔性板1126、以及耦联到该MEMS电极1104上的至少一个压铆螺母柱1110。

该柔性板1126包括一个顶面1106和一个底面1108。该MEMS子组件通过形成密封腔1120的粘合剂1112粘合到该集成电路衬底1114上。操作衬底1122通过氧化物层1124粘合到该柔性板1126上。附加质量1128也耦联到该柔性板1126的顶面1106上以使能够感测附加力。在一个实施例中，这些附加力包括但不限于平行于和垂直于该柔性板1126的加速度以及剪切力。在另一个实施例中，该附加质量1128耦联到一个操纵杆上以使能够跟踪操纵杆运动。

图12展示了根据一个第十实施例的MEMS设备1100的横截面视图。图12包括一个对该MEMS设备1100的电路系统配置进行描述的电子电路图1150。图12示出了该附加质量1128在平行于该集成电路衬底1114的一个第一方向的运动。由于剪切力的施加而使该柔性板1126变形。

在一个实施例中，三个固定电极被布置在该柔性板1126下面：一个第一固定电极被布置在该柔性板1126的中间部分下面、一个第二固定电极被布置在该第一固定电极的左边、以及一个第三固定电极被对称地安排到该第一固定电极的右边。在本实施例中，剪切力引起该第二固定电极和该第三固定电极的电容相反地变化，即，当该第二固定电极的电容增加时，该第三固定电极的电容减少。在本实施例中，法向力引起所有电容类似地变化（即，增加或减少）。在另一个实施例中，四个固定电极被布置在该CMOS衬底上的柔性板1126下面以测量垂直于该衬底的运动和在平行于该衬底的第一方向上的运动以及在平行于该衬底并且与该第一方向正交的一个第二方向上的运动。

通过在集成电路衬底上再形成至少一个电极而能够实现上述MEMS设备的静电致动。此自测试特征还可以用于设备在工厂处的自校准，这通过消除了对外部压力室的需要而降低了测试成本。柔性板的静电致动可以用于MEMS设备的自测试和自校准并且可以用于创造多种设备，包括但不限于微扬声器、微反射镜以及对光进行调制的MEMS设备。

返回参照图5，该又至少一个电极标记有用于自测试的ST并且耦联到该CMOS衬底502上。在一个实施例中，在自测试过程中将25V的电压施加在该又至少一个ST电极上。本领域的普通技术人员容易地认识到可以通过多种方法论（包括但不限于耦联到图5的CMOS衬底502上的充电泵（CP））生成本电压并且其将在本发明的精神和范围内。在本自测试过程中，形成静电引力并且其施加在该柔性板上，以与附加外部压力将要做的相似的方式引起该柔性板向该固定电极偏转。

结果函数和模拟压力用于压力传感器MEMS设备的自测试并且通过以下方程式对其进行描述，其中，P_st为自测试压力，F_st为自测试力，A_memb为柔性板的面积，A_st为自测试电极ST的面积，ε为介电常数（例如，针对真空为8.85e-12F/m）；V_st为自测试电势，g为参考密封腔/室的底部与柔性板之间的间隙，以及k为系数，该系数将该柔性板与以活塞状运动的移动截然相反的弯曲考虑在内：

$P_{\mathrm{ST}}=\frac{F_{\mathrm{ST}}}{A_{\mathrm{memb}}}=\frac{k\·\frac{\mathrm{\ϵ}\·A_{\mathrm{ST}}{V}_{\mathrm{ST}}^2}{g^2}}{A_{\mathrm{memb}}}=\frac{\mathrm{k\ϵ}\·A_{\mathrm{ST}}{V}_{\mathrm{ST}}^2}{A_{\mathrm{memb}}\·g^2}---\left(7\right).$

上述MEMS设备用于各种应用，包括但不限于压力传感器设备、剪切力传感器设备和力施加设备。和力施加设备一样，MEMS设备作为微扬声器、微反射镜、和微光调制设备操作。

此外，将这些MEMS设备的柔性板的一部分布置到环境下使这些MEMS设备能够感测和致动不仅仅压力改变和变化。图3、图11和图12描述的MEMS设备包括被安排成使MEMS设备能够起到加速计作用的信号处理示意图。这些示意图展示了如何形成全电容惠斯登电桥来承担起微分感测和共模排斥。

在另一个实施例中，上述这些MEMS设备的一个或多个柔性板的顶面涂有化学化合物，该化合物能够吸收来自环境的选择性气体或流体物种。基于由于这些吸收引起柔性板的变形，该化学化合物涂层使MEMS设备能够用于微平衡化学感测。

在一个实施例中，由上述MEMS设备的压铆螺母柱确定的电容间隙易于受到通常引起电容变化和因此传感器输出的可变性的制造公差和可变性的影响。在一个实施例中，为了抵制这种可变性，上述MEMS设备通过所实施的微分感测利用电容器C1(P)和C3(P)的共同间隙值。

任一力感测MEMS设备的优点之一是解决力的非常小的变化的能力，该变化引起在微微米（～10^-12m）水平上的非常小的y_max变化和引起微微微法拉（～10^-18F）水平上的非常小的C1(P)感测。这些小的电信号难于测量并且容易受制于各种环境因素。在一个实施例中，为了抵制这些各种环境因素，上述MEMS设备利用了该第一和第二固定电极形成的电容桥的感测节点，这些电极通过导电柔性板和通过该第三和第四固定电极与环境电屏蔽。该第三和第四固定电极为该电容桥的驱动节点并且携带比该第一和第二固定电极更高的电势。该第三和第四固定电极中的本结果不那么易于受到这些各种环境因素的影响。

如上所述，该系统和方法允许更高效和更准确的力感测和能够自感测和自校准的力施加MEMS设备。通过将带有固定电极的集成电路衬底耦联到一个包括MEMS电极（其耦联到一块柔性板上）的MEMS子组件上，在该固定电极和该MEMS电极之间形成一个气密封腔/室，该MEMS电极能够通过力响应电容压力传感器设备感测各种力。因此，该气密封腔/室在在本力响应电容压力传感器设备的柔性板的一侧上并且另一侧暴露在周边周围环境下。

形成在该MEMS子组件上的至少一个压铆螺母柱确定该气密封腔/室的间隙并形成一个至该集成电路衬底的电连接。本电容压力传感器可以与其他MEMS设备集成，包括但不限于同一MEMS子组件上的力响应设备。本电容压力传感器还可以与其他基于CMOS的传感器集成，包括但不限于温度传感器、光传感器和距离传感器。

图13展示了该密封腔内的带有电介质的MEMS设备的横截面视图的实施例。在一个实施例中，电介质1302可以布置在该固定电极上，其中厚度小于这些压铆螺母柱的高度。该电介质可以从例如该IC衬底的钝化层形成。该电介质起到超程停止的作用，从而防止该柔性板冲击该固定电极。在另一个实施例中，电介质1302可以布置在该固定电极旁边而不覆盖住该固定电极。当该固定电极布置在该固定电极上时，电介质1302增强该间隙内的静电场。

图14展示了其中柔性板从操作衬底解耦的MEMS设备的横截面视图的实施例。在一个实施例中，这些压铆螺母柱1402非耦联到该操作衬底上并且在该压力端口的下面。压铆螺母柱1402可以为其他MEMS设备（图14中未示出）提供气密封。通过该压力端口暴露出的该IC衬底的一部分可能需要钝化层。

尽管已经根据所示实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员将容易地认识到，可以对这些实施例进行变化并且那些变化将在本发明的精神和范围内。相应地，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员可以作出许多修改。

Claims (20)

1.一种带有集成电子器件的微机电系统MEMS设备，该MEMS设备包括：

一个集成电路衬底，其中，该集成电路衬底包括耦联到至少一个固定电极上的至少一个电路；以及

一个耦联到该集成电路衬底上的MEMS子组件，

其中，该MEMS子组件包括至少一个压铆螺母柱、一个带有顶面和底面的柔性板、一个耦联到该柔性板上并且电耦联到该至少一个压铆螺母柱上的MEMS电极以及一个布置在该集成电路衬底上的电介质层，其中，该柔性板包括单晶硅；

其中，作用在该柔性板上的一个力引起该MEMS电极与该至少一个固定电极之间的一个间隙的变化；

其中，该MEMS电极和该电介质层之间的距离小于该间隙。

2.如权利要求1所述的MEMS设备，其中，该至少一个压铆螺母柱限定该MEMS电极与该至少一个固定电极之间的间隙，其中，用一种导电粘合剂将该至少一个压铆螺母柱粘合到该集成电路衬底上以形成一个密封腔并在该MEMS电极与该集成电路衬底之间形成一个电连接。

3.如权利要求2所述的MEMS设备，其中，该柔性板的底面的至少一个部分为该密封腔的一个表面并且该柔性板的顶面的至少一部分暴露在一种周围环境下。

4.如权利要求3所述的MEMS设备，其中，该MEMS子组件进一步包括：

一个粘合到一个操作衬底的设备层，其中，在该设备层上形成该至少一个压铆螺母柱和该柔性板，其中，该操作衬底中的一个开口将该柔性板的顶面的至少一部分暴露在该周围环境下。

5.如权利要求2所述的MEMS设备，其中，由于周围压力与该密封腔内的压力之间的差产生该力。

6.如权利要求5所述的MEMS设备，其中，选择该密封腔内的压力，从而抵消一个压力传感器偏移的温度相关性。

7.如权利要求1所述的MEMS设备，其中，该至少一个固定电极为布置在该集成电路衬底上的一个第一固定电极和一个第二固定电极，其中，该第一固定电极在该MEMS电极的一个移动部分附近，而该第二固定电极在该MEMS电极的一个参考部分附近，其中，该参考部分与该移动部分有区别地对力做出响应。

8.如权利要求7所述的MEMS设备，进一步包括：

在该第一固定电极与该移动部分之间形成的一个第一电容器；以及

在该第二固定电极与该参考部分之间形成的一个第二电容器，其中，测量该第一电容器和该第二电容器之间的电容差来感测力和排斥间隙变化。

9.如权利要求8所述的MEMS设备，进一步包括：

该集成电路衬底上形成的一个第三电容器和一个第四电容器，其中，该第三电容器耦联到该第一固定电极上，而该第四电容器耦联到该第二固定电极上，其中，该第一电容器、该第二电容器、该第三电容器和该第四电容器被安排成形成一个电容桥配置。

10.如权利要求7所述的MEMS设备，其中，该至少一个固定电极为至少一个自测试电极，其中，通过在该至少一个自测试电极和该MEMS电极之间施加一个电势差来创造一个静电力，从而该静电力作用在该柔性板上来引起该柔性板的偏转。

11.如权利要求10所述的MEMS设备，其中，该静电力基本上平行于该柔性板，由该至少一个自测试电极和该MEMS电极引起所测量的柔性板的倾斜。

12.如权利要求1所述的MEMS设备，进一步包括：

一个附加质量，该附加质量耦联到该柔性板和至少三个固定电极上以测量垂直于该集成电路衬底的运动和平行于该集成电路衬底的一个第一方向上的运动以及平行于该集成电路衬底和与该第一方向正交的一个第二方向上的运动。

13.如权利要求1所述的MEMS设备，进一步包括：

一个耦联到该柔性板的顶面上的流通道，其中，作用在该柔性板上的力具有流体结构交互的性质。

14.如权利要求4所述的MEMS设备，其中，该操作衬底包括一个颗粒过滤器。

15.如权利要求1所述的MEMS设备，进一步包括：

一个带有顶面和底面的第二柔性板，其中，该第二柔性板的底面的至少一部分为一个第二密封腔的一个表面，而该第二柔性板的顶面的至少一部分暴露在一种周围环境下，其中，该第二柔性板的至少一部分用作一个参考电极并且耦联到至少另一个压铆螺母柱上；以及

一个耦联到该第二柔性板上的第二MEMS电极，其中，该第二MEMS电极电耦联到该至少另一个压铆螺母柱上，其中，该第二MEMS电极在一个布置在该集成电路衬底上的一个第二固定电极附近。

16.如权利要求1所述的MEMS设备，进一步包括：

一个耦联到该柔性板的顶面上的化学化合物涂层，其中，该化学化合物涂层能够实现微平衡化学感测。

17.如权利要求1所述的MEMS设备，进一步包括：

一个耦联到该集成电路衬底上的自测试电极；以及

一个耦联到该集成电路衬底上的充电泵，其中，该充电泵被激活以对该MEMS设备进行自测试和自校准。

18.一种用于为微机电系统MEMS设备提供集成电子器件的方法，该方法包括：

提供一个集成电路衬底，其中，该集成电路衬底包括耦联到至少一个固定电极上的至少一个电路；以及

将一个MEMS子组件耦联到该集成电路衬底上，其中，该MEMS子组件包括至少一个压铆螺母柱、一个带有顶面和底面的柔性板、一个耦联到该柔性板上并且电耦联到该至少一个压铆螺母柱上的MEMS电极以及一个布置在该集成电路衬底上的电介质层，其中，该柔性板包括单晶硅；

其中，作用在该柔性板上的一个力引起该MEMS电极和该至少一个固定电极之间的一个间隙的变化；

其中，该MEMS电极和该电介质层之间的距离小于该间隙。

19.如权利要求18所述的方法，进一步包括：

通过在一个集成电路衬底的至少一个自测试电极和一个耦联到该柔性板上的MEMS电极之间施加一个电势差来创造一个静电力，从而该静电力作用在该柔性板上来引起该柔性板的偏转以对该MEMS设备进行自测试和自校准。

20.如权利要求18所述的方法，进一步包括：

将一个颗粒过滤器耦联到该柔性板上，其中，该颗粒过滤器增强该MEMS设备的环境保护。