CN103852598B - 具有针对热力学应力低敏感度的微机电结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微机电结构，并且更具体地涉及通过采用并调整用于将可移动的检验质量块连接至锚固部的弹性元件来补偿热力学应力影响的系统、装置和方法。检验质量块通过相对于可移动的质量块旋转轴线平移和倾斜而对加速度作出响应。热力学应力在制造、包装和组装的过程中或者在结构的整个寿命内在结构中累积。应力造成了检验质量块上的位移。多个弹性元件连接成支承检验质量块。这些弹性元件的几何形状和结构被调整以减小由热力学应力造成的位移。
Description
技术领域
本发明涉及微机电结构，并且更具体地讲本发明涉及通过采用并调节弹性元件来补偿热力学应力的影响的系统、装置和方法，其中所述弹性元件被用于耦联微机电结构内所包含的可移动的检验质量块与锚固部。
背景技术
微机电结构广泛用作为传感器，以检测加速度、旋转、压力、温度以及多种其它物理参数。微机电结构通常利用导致几个微米特征结构尺寸的微机加工工艺在硅基材上被形成。此类小型化的装置可以将机械运动转换成电特征。一种典型的微机电结构是微机加工的电容式加速度计，其包括在硅基材上方悬置的检验质量块。
图1A示出了z轴电容式加速度计100，并且图1B示出了该加速度计针对面外加速度的响应150。z轴电容式加速度计100具有可移动的检验质量块102，该检验质量块经由锚固部106锚固至基材104。电极在检验质量块102以及静止的基材这两者上形成，从而两个电容器108A和108B形成并且在锚固部106的两侧设置。响应于沿z轴的面外加速度，检验质量块102相对于其旋转轴线106倾斜。检验质量块102与对应的电极110A和110B之间的间隙不同地发生变化，并且导致了电容器108A与108B之间的不匹配。这种电容的不匹配通过接口电路被处理，以输出表明面外加速度幅度的信号。
即使没有面外加速度施加，热力学应力也可以向输出引入固有偏移或偏差。在理想的情况中，电容器108A与108B之间的电容不匹配应当仅仅与面外加速度相关，并且在没有涉及面外加速度时，这种电容不匹配不会出现。然而，在焊接和包装的过程中，热力学应力可以在基材104中聚集，不可避免地造成了基材卷边。在这种卷边相对于锚固部106是对称的时，电容器间隙变化碰巧抵消并且导致了电容器108A与108B之间没有电容不匹配。在多数情况中，基材卷边是非对称的。与电容器的靠近程度无关，电容器108A和108B的间隙变化总是不同的。这种非对称的间隙变化从接口电路被引入到最终的输出中，并且导致了所检测的加速度中的偏移以及加速度计100的灵敏度偏差。
显然地，电容式加速度计100的装置性能由于基材104中的热力学应力而被折衷。这种性能降级通常由这样的微机电结构所享有，其中所述微机电结构依赖用于检测和转换机械运动的悬置的检验质量块。存在在制造、包装、组装以及有效期操作过程中在基材104中累积的热力学应力补偿的需求。
发明内容
本发明的不同实施例涉及微机电结构，并且更具体地涉及通过采用并调整用于将在微机电结构内包含的可移动的检验质量块和锚固部相连的弹性元件来补偿热力学应力影响的系统、装置和方法。
本发明的一个方面为微机电结构，其包括基材、检验质量块、至少一个锚固部和多个弹性元件。检验质量块在所述基材上方悬置，所述检验质量块通过相对于位于其所在平面中的可移动的质量块旋转轴线平移和倾斜而对加速度作出响应。至少一个锚固部在所述基材上固定，所述至少一个锚固部被连接成支承所述检验质量块。所述弹性元件在所述至少一个锚固部与所述检验质量块之间连接，以支承检验质量块。这些弹性元件的几何形状和结构被调整成减少由热力学应力导致的检验质量块的位移。
本发明的一个方面为补偿微机电结构内累积的热力学应力的方法。首先确定在所述结构内累积的热力学应力的程度。所述热力学应力使得检验质量块出现位移，其中所述检验质量块通过相对于可移动的质量块旋转轴线平移和倾斜而对加速度作出响应。随后根据热力学应力的程度确定偏移值和灵敏度偏差，并且这些值与通过所述结构响应于所述加速度而产生的输出相关。调整多个弹性元件的几何形状和结构，以补偿所述偏移值和灵敏度偏差。
本发明的一个方面为面外加速度计。检验质量块在所述基材上方悬置，并且通过相对于位于其所在平面中的可移动的质量块旋转轴线平移和倾斜而对沿z轴线的加速度作出响应。弹性元件连接成支承检验质量块，并且弹性元件的几何形状和结构被调整成减少在检验质量块的两侧由热力学应力导致的位移。
本发明的特定特征和优点已经在该发明内容部分中被大体上描述；然而，附加的特点、优点和实施例在此提出或者考虑到附图、说明书及其权利要求书将对本领域技术人员是明显的。因此，应当理解本发明的范围并不由发明内容部分中所公开的具体实施例限制。
附图说明
将参看本发明的实施例，其实例在附图中示出。这些附图是示意性的、而非限制性的。虽然本发明以这些实施例的方式大体上被描述，但是应当清楚并不打算将本发明的范围限于这些具体的实施例。
图1A示出了z轴电容式加速度计，并且图1B示出了该加速度计针对面外加速度的响应；
图2A和图2B示出了根据本发明的不同实施例的面外加速度计的示意性俯视图以及示意性剖视图；
图3A至3C根据本发明不同实施例的在电容器间隙上基材卷边的影响；
图4A示出了根据本发明的不同实施例的T形弹性元件的示意图；
图4B示出了根据本发明的不同实施例的T形弹性元件的另一示意图；
图4C示出了根据本发明的不同实施例的在一个臂上采用迂回部的T形弹性元件；
图5示出了面外加速度计的示意图，其中该面外加速度计根据本发明的实施例节约了芯片资产；
图6示出了根据本发明的不同实施例的补偿热力学应力的方法的流程图。
具体实施方式
在以下的说明中，出于解释的目的，提出了具体的细节从而提供本发明的理解。然而，应当清楚本领域技术人员将理解本发明如下所述的实施例可以以不同的方式并且利用各种质量块被执行。本领域技术人员还将清楚附加的改进、应用以及实施例是在本发明的范围内，就像是本发明可以提供应用的附加领域。因此，以下描述的实施例是本发明的具体实施例的示意性说明并且意味着避免使本发明难以理解。
在说明书中参看“一个实施例”或“实施例”意味着结合实施例所描述的具体特征、结构、特性或功能被包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书中不同地方处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”等并不必全都指的是同一实施例。
此外，在附图中各部件之间的或各方法步骤之间的连接并不限于直接实现的连接。实际上，在不脱离本发明的教导的前提下，在附图中示出的各部件之间的或各方法步骤之间的连接可以被改型或者通过对其附加中间部件或方法步骤而改变。
本发明的不同实施例涉及微机电结构（MEMS），并且更具体地讲涉及通过采用并调节弹性元件来补偿热力学应力的影响的系统、装置和方法，其中所述弹性元件被用于耦联微机电结构内所包含的可移动的检验质量块与锚固部。结构中的热力学应力源自于结构的整个寿命中或制造、包装以及组装过程中所经历的温度变化。热力学应力可以对结构中所包含的不同部分的位置产生影响，并且因此可移动的检验质量块经受不同的相对位移。诸如灵敏度的装置性能、结构的偏移和全刻度量程可以从根本上被折衷。这种热力学应力影响大多数基于MEMS的传感器，这是因为在传感器的制造过程中或者在传感器的整个寿命中温度变化不可避免。在本发明的公开内容中，z轴面外加速度计被用作为一个具体实施例，以说明依赖弹性元件的结合与调节的应力补偿系统、装置和方法。
图2A和2B示出了根据本发明的不同实施例的面外加速度计200的示意性俯视图以及示意性剖视图。面外加速度计包括可移动的检验质量块（movable proof mass）202，该可移动的检验质量块借助于弹性元件204A和204B锚固至基材250。弹性元件204A和204B被构造成补偿由热力学应力导致的面外位移。因此，面外加速度计200针对热力学应力是比较不敏感的。
加速度计200相对于y轴线是对称的，其中所述y轴线平行于检验质量块202并且经过其中心。在y轴线的每侧，可移动的检验质量块202包括一个耦联部位/连接部位208A或208B。多个锚固部在基材250上固定并且相对于y轴线在检验质量块202的两侧上是对称布置的。检验质量块202经由弹性元件和锚固部耦联/连接至基材250。
在该具体实施例中，四个锚固部210A、210B、210C和210D被应用。在y轴线的一侧，第一弹性元件204A用于在耦联部位208处将检验质量块202连接至锚固部210A和210B。在y轴线的另一侧，第二弹性元件204B用于在耦联部位208B处将检验质量块202连接至锚固部210C和210D。
在一个实施例中，耦联部位208A和208B朝向y轴线凹设。在一个实施例中，每个弹性元件204A和204B被构造成T形结构，该T形结构在对应凹设的耦联部位处将一对锚固部连接至检验质量块。
x轴线在检验质量块上连接耦联部位208A和208B，并且将可移动的检验质量块202分成两个面板202A和202B。x轴线构成了可移动的质量块旋转轴线，检验质量块可相对于该可移动的质量块旋转轴线倾斜。两个分开的电极212A和212B在基材上形成，并且相应地在面板202A和202B下方耦联。在本发明的不同的实施例中，面板202A和202B可以根据加速度计200的需求具有相同的或不同的尺寸。同样，电极212A和212B也可以采用相同的或不同的尺寸，其中它们的尺寸不必等于面板202A和202B的尺寸。两个分开的电容器相应地在电极212A与面板202A之间并在电极212B与面板202B之间形成。在一个实施例中，电极212A和212B具有相同的尺寸，从而与面板的尺寸无关地，如果电容器间隙是相同的则这两个电容器具有相匹配的电容值。
在一个实施例中，面外加速度计200由表面微机加工工艺生产。考虑到线A处的横截面（图2B），基材250由硅制成，并且一层导电膜在基材250上沉积。该层膜是多晶硅或金属制成的，并且电极212A和212B都在该层膜上形成。牺牲层然后被沉积以覆盖电极212A和212B，并且在牺牲层上蚀刻出开口以为锚固部210A至210D保留部位。当附加层的质量材料被沉积在牺牲层的顶部上后，这些开口被填充。检验质量块202、弹性元件204A和204B、以及锚固部210A至210D随后自该层质量材料被造型出。表面微机加工过程以去除牺牲层并释放加速度计200的最终步骤结束，并且检验质量块202经由锚固部210A至210D被悬置且锚固于基材250。
在特定的实施例中，附加层的质量材料可以被沉积在面板202A和202B上，并且检验质量块202可以具有与弹性元件厚度不同的厚度。这些附加层的质量材料并不必与用于弹性元件的质量材料是相同的。
这种加速度计200必须在检测系统中被电连接、安全地包装并组装。在不同的实施例中，加速度计200是在套接包装（socket package）或气密包装中被保护的独立装置。气密包装能够以晶片键合工艺被制造。在不同的实施例中，晶片键合依赖于基材250与包装套之间的玻璃至硅、硅至硅、金属至金属或硅至金属键合。电极212A至212B与检验质量块202都在气密包装以外被连接。在特定的实施例中，加速度计200是与在同一基材250上形成的读取电路集成的装置。集成的加速度计200必须在包装内被类似地保护并且在包装以外被电连接。
在上述制造、包装和组装过程中，热力学应力被引入。电极和检验质量块可以在增高温度的环境中被形成。气密包装和键合过程也可以与增高温度相关。在加速度计200被冷却并在室温操作时，热力学应力产生，同时造成了轻微的基材卷边以及检验质量块变形。在检验质量块的可移动的质量块旋转轴线、即x轴线的两侧由热力学应力造成了位移。
图3A至3C示出了根据本发明不同实施例的基材卷边对电容器间隙的影响。由于理想的制造与包装工艺，两个电容器220A和220B的间隙是相同的，并且因而它们的电容彼此相互匹配（图3A）。在很少的情况中，基材卷边相对于x轴线是对称的，并且间隙g1和g2沿相同的方向偏移（图3B）。尽管电容器220A和220B的电容偏差碰巧抵消，但是加速度计的灵敏度由于间隙变化而变化。
在大多数情况中，与电容器的变化是多小无关地，电容器220A和220B的电容变化是不匹配的（图3C）。偏移以及灵敏度偏差可以被结合到所检测的面外加速度中，这是因为这种加速度源自于电容变化。
在本发明的不同实施例中，弹性元件204A和204B被构造成补偿热力学应力。在一个实施例中，每个弹性元件204A和204B沿着y轴线、即相对于x轴线非对称地被主要地调整，从而补偿热力学应力在这两个电容器上的影响。这主要是由于以下原因，即电容器220A和220B在x轴线的两个相反侧布置。
图4A示出了根据本发明的不同实施例的T形弹性元件400的示意图。除了长度L1、L2、L3以外，每个单独的臂或腿的宽度（W1、W2、W3）也是可调节的。凹部208A至208B以及锚固部210A至210D的位置相应地被调整，从而适应期望的长度和宽度。此外，T形弹性元件400的厚度也可以被全面地改变。这些几何参数与弹性元件400的刚度相关，并且这些几何参数的调整可以影响相应的传感器性能、例如灵敏度以及全刻度量程。
为了高效地补偿热力学应力，T形的两个臂的宽度和长度必须被特别地构造。两个弹性元件400被应用以支承加速度计200，并且这两个弹性元件是相对于y轴线彼此镜像的相同的弹性元件。每个弹性元件必须采用两个臂，以补偿热力学应力，并且这两个臂不必是对称的。在一个实施例中，相应地与臂404的宽度W2和长度L2相比，臂402具有更大的宽度W1但是更短的长度L1。图4B示出了根据本发明的不同实施例的T形弹性元件的另一示意图450。臂402和404具有呈锥形的宽度，其中所述宽度以不同的角度被加宽。
图4C示出了根据本发明的不同实施例的T形弹性元件的示意图480，其中所述T形弹性元件在一个臂上采用了迂回部。迂回部482被用于调节源自基材变形的间隙变化。迂回部的尺寸、位置和形状根据基材变形程度以及弹性元件的结构被确定。
在一个实施例中，另一个臂还采用了可以具有不同尺寸、形状或位置的另一迂回部。在特定的实施例中，不止一个迂回部可以沿着一个臂或沿着两个臂被应用。迂回部的数量也根据基材变形程度以及弹性元件的结构被确定。在特定的实施例中，一个臂的相应区段由迂回部整个替代，并且臂采用蛇形（蜿蜒）的形状。
图5示出了根据本发明不同实施例的面外加速度计500的示意图，该面外加速度计节省芯片面积（chip estate）。锚固部210A至210D也朝向y轴线凹设并且在检验质量块202的轮廓覆盖区内被完全包围。弹性元件204A和204B被构造成补偿在制造、包装和组装过程中产生的热力学应力。检验质量块202的几何形状被调整以适应弹性元件的结构。因此，芯片面积可以被节约，同时检验质量块的尺寸为了提高的灵敏度也被最大化。
图6示出了根据本发明不同实施例的补偿在MEMS装置中累积的热力学应力的方法的示意性流程图600。热力学应力造成了检验质量块两侧的位移，其中所述检验质量块通过相对于可移动的质量块旋转轴线、即x轴线的平移和倾斜而对加速度作出响应。在步骤602，热力学应力的程度针对不同的装置被记录，其中所述不同的装置根据特定的生产被制造、包装和组装。这些根据经验的热力学应力程度利用Monte Carlo方法被分析，以提供可以用于构造弹性元件的标称应力级别。
在步骤604，热力学应力程度被转换成偏移值和灵敏度偏差。在一个实施例中，偏移值和灵敏度偏差与所检测的面外加速度相关，并且因此以g（即重力加速度）单位被表示。在步骤606，多个弹性元件被采用以支承检验质量块，并且各元件的几何形状和结构被调整以补偿偏移和灵敏度偏差。弹性元件在检验质量块的两个相反侧上对称设置的耦联部位处被连接。在本发明的不同实施例中，弹性元件的臂可以采用不同的宽度、长度和形状，或者弹性元件的臂上可以采用一个或多个迂回部。
本领域技术人员清楚面外加速度计200被用作为基于可移动的检验质量块的MEMS装置的实例。该MEMS装置可以被应用成检测除了加速度以外的其它参数。MEMS依赖于检验质量块以对任何其它参数作出响应，并且检验质量块通过弹性元件连接于至少一个锚固部。在这种MEMS装置中产生的热力学应力可以通过根据本发明详述的方法调整弹性元件的几何形状和结构被补偿，其中所述弹性元件被用于支承检验质量块。
尽管本发明适于不同的改型和替代形式，但是它们的实例已经在附图中示出并且在此被详细说明。然而，应当清楚本发明并不限于所述的特定形式，相反地，本发明将覆盖落入权利要求书的范围内的所有改型、等价物和替代例。
Claims (16)
1.一种微机电结构，其包括：
基材；
在所述基材上方悬置的检验质量块，所述检验质量块通过相对于位于其所在平面中的可移动的质量块旋转轴线平移和倾斜而对加速度作出响应；
至少一个在所述基材上固定的锚固部，所述至少一个锚固部被连接成支承所述检验质量块；以及
多个弹性元件，所述弹性元件在所述至少一个锚固部与所述检验质量块之间连接，所述多个弹性元件的几何形状和结构被调整成减少由热力学应力导致的检验质量块的位移，所述多个弹性元件中的第一组弹性元件与第二组弹性元件被布置成从两个相反侧支承所述检验质量块，所述第一组弹性元件和所述第二组弹性元件的几何形状和结构相对于一中心线彼此镜像，其中所述中心线垂直于所述可移动的质量块旋转轴线并经过所述检验质量块的中心。
2.根据权利要求1所述的微机电结构，其特征在于，还包括两个在可移动的质量块旋转轴线的两侧连接至基材的电极，所述两个电极与所述检验质量块形成两个单独的电容器，这两个电容器的电容之间的不匹配与加速度和热力学应力这两者相关。
3.根据权利要求1所述的微机电结构，其特征在于，所述微机电结构被应用成检测垂直所述检验质量块所在平面的面外加速度。
4.根据权利要求1所述的微机电结构，其特征在于，所述多个弹性元件中的至少一个弹性元件是T形元件，该T形元件的腿在所述检验质量块上相连，并且该T形元件的臂在所述至少一个锚固部上锚固。
5.根据权利要求4所述的微机电结构，其特征在于，所述T形元件的臂位于所述可移动的质量块旋转轴线的相反两侧，并且彼此采用不同的宽度和长度。
6.根据权利要求4所述的微机电结构，其特征在于，所述T形元件的臂位于所述可移动的质量块旋转轴线的相反两侧，并且采用呈锥形的宽度，其中所述呈锥形的宽度与有区别的锥角相关。
7.根据权利要求4所述的微机电结构，其特征在于，所述T形元件的至少一个臂包括至少一个迂回结构。
8.根据权利要求1所述的微机电结构，其特征在于，所述检验质量块沿着所述可移动的质量块旋转轴线在所述多个弹性元件所连接的耦联部位处凹设。
9.根据权利要求8所述的微机电结构，其特征在于，所述检验质量块在针对所述至少一个锚固部的部位处被进一步凹设，以使得所述至少一个锚固部和所述多个弹性元件都被包含在所述检验质量块的轮廓内。
10.一种补偿如权利要求1至9任一所述的微机电结构内累积的热力学应力的方法，其包括以下步骤：
确定在所述结构内累积的热力学应力的程度，所述热力学应力使得检验质量块出现位移，其中所述检验质量块通过相对于可移动的质量块旋转轴线平移和倾斜而对加速度作出响应；
确定与根据热力学应力的程度的输出相关的偏移值和灵敏度偏差，所述输出通过所述结构响应于所述加速度而产生；以及
调整多个弹性元件的几何形状和结构，以补偿所述偏移值和灵敏度偏差，所述多个弹性元件在至少一个锚固部与所述检验质量块之间连接，应用成支承所述检验质量块，所述多个弹性元件中的至少一个弹性元件是T形元件，该T形元件的腿在所述检验质量块上相连，并且该T形元件的臂在所述至少一个锚固部上锚固，所述T形元件的臂位于所述可移动的质量块旋转轴线的相反两侧，并具有被设计成减少在相反两侧由热力学应力导致的位移的宽度和长度。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述T形元件的臂位于所述可移动的质量块旋转轴线的相反两侧，并且采用呈锥形的宽度，其中所述呈锥形的宽度与有区别的锥角相关。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述T形元件的两个臂中的至少一个臂包括至少一个迂回结构。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述检验质量块沿着所述可移动的质量块旋转轴线在所述多个弹性元件所连接的耦联部位处凹设。
14.一种面外加速度计，其包括：
基材；
在所述基材上方悬置的检验质量块，所述检验质量块通过相对于位于其所在平面中的可移动的质量块旋转轴线平移和倾斜而对沿z轴线的加速度作出响应；
至少一个在所述基材上固定的锚固部，所述至少一个锚固部被连接成支承所述检验质量块；以及
多个弹性元件，所述弹性元件在所述至少一个锚固部与所述检验质量块之间连接，所述多个弹性元件的几何形状和结构被调整成减少在检验质量块的两侧由热力学应力导致的位移，所述多个弹性元件中的第一组弹性元件与第二组弹性元件被布置成相应地从检验质量块的相反两侧支承所述检验质量块，所述第一组弹性元件和所述第二组弹性元件的几何形状和结构相对于一中心线彼此镜像，其中所述中心线垂直于所述可移动的质量块旋转轴线并经过所述检验质量块的中心。
15.根据权利要求14所述的面外加速度计，其特征在于，所述多个弹性元件中的至少一个弹性元件是T形元件，该T形元件的腿在所述检验质量块上相连，并且该T形元件的臂在所述至少一个锚固部上锚固。
16.根据权利要求14所述的面外加速度计，其特征在于，所述检验质量块沿着所述可移动的质量块旋转轴线在所述多个弹性元件所连接的耦联部位处及在针对所述至少一个锚固部的部位处都被凹设，以使得所述至少一个锚固部和所述多个弹性元件都被包含在所述检验质量块的轮廓内。
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