确定MEMS设备中的粘附失效的系统和方法
相关专利申请的交叉引用
本申请要求Giorgio Massimiliano Membretti,Roberto Casiraghi,IginoPadovani于2013年10月7日申请的、名称为“Systems and Methods to DetermineStiction Failures in MEMS Devices”的美国临时申请NO.61/887,880的优先权,以引用的方式将该申请的全部内容并入本文中。
技术领域
本发明涉及集成式微机械系统,并且更具体地涉及减小微机电系统(MEMS)传感器中粘附失效的系统、装置和方法。
背景技术
粘附现象在具有可动部件的MEMS类型设备中是众所周知的问题。当外力以使可动部件的表面与相邻固定部件的表面有物理接触并且附着到该相邻固定部件的表面的方式偏转时,粘附效应典型地发生在这两个表面之间。
传感器类型的MEMS设备特别容易受到粘附,该粘附可以在装置的规则使用过程中或者制造加工过程中断续产生。粘附对装置性能会有不利影响,并且可能由各种力(包括存在水分带来的毛细力,以及由表面污染带来的范德瓦尔斯力)引起,表面污染例如是可以根据表面制备加工而波动变化的抛光残余。
例如,在MEMS加速度传感器中,诸如机械震动之类的外界干扰会引起悬挂的检验质量块以使得质量块表面的一部分接触并附着到相邻晶片基底的表面的方式偏转。当两个表面之间的总附着力大于检验质量块固有的机械回复力时,会产生粘附并且暂时使检验质量块固定不动,从而妨碍检验质量块回复到其原始位置,即使外界干扰不再作用到传感器上。这样就妨碍加速度计产生准确的加速度信号,直到粘附力例如被足够大的反作用力克服。
由于粘附使得检验质量块附着到基底,这两个部分不再彼此分离开,从而阻碍了检验质量块的运动,并且在一些情况下,还引起破坏两个表面之间的电场的短路事件。因此,传感器不再能够测量用以在粘附条件的时间期间内得出加速度值的电容变化,这既影响装置的可靠性又影响装置的性能。
现有技术中的一些方法能够例如通过增加材料硬度来改进MEMS设备的粘附的鲁棒性,并且因此机械回复力用于帮助释放装置被附着的部分。其它方法试图改进制造加工过程中的表面条件,从而最小化粘附。然而,这些改进方法是在得到降低的装置性能、增加的装置尺寸和/或提高制造成本中进行设计权衡的结果。针对MEMS设计者所需要的是用以克服前述的局限而不增加装置尺寸或牺牲装置性能的工具。
发明内容
所公开的系统和方法通过允许从经受实际粘附或者易于产生粘附效应的产品批量单元中进行检测和筛选来提高MEMS设备的可靠性,所述粘附例如由制造处理过程中的表面污染造成的。检测包括执行帮助识别存在的或预期的粘附失效的应力测试。
在特定实施例中,高压智能电路允许使用应力测试设备来在运行的规则加速度读取模式与粘附测试模式之间进行选择。应力测试设备包括专用电路,被配置为选择性地施加电压到固定电极以产生静电力,该静电力以使得可动质量块与静止部分接触的方式来吸引MEMS设备内可动检验质量块。在一个实施例中,专用电路包括外部高压源,所述外部高压源被配置为施加高压到一个或多个固定电极上从而产生接触。当传感器耦合到高压源时,专用电路保护主前端电路免受过电压应力。
在一个实施例中,应力测试包括直接地或间接地确定可动部分与固定电极之间的电容值,例如,根据可动部分相对于固定电极的位置。一旦移除电压,能够获得关于存在或未来的粘附事件的信息(包括粘附的起因和程度)。在一些实施例中,逐渐移除电压以产生滞后曲线,根据该滞后曲线可以获取附加信息,这允许表征并深入分析特定的粘附效应。
在这里已经大体描述过了本发明的一些特点和优点;然而对于本领域技术人员而言,参照附图、说明书和权利要求书之后,附加的特点、优点和实施例是显而易见的。因此,应当理解,本发明的范围并不由该发明内容部分的特定实施例限定。
附图说明
本发明的实施例将参照在附图中示出的示例。这些图是示意性的,并非限制性的。尽管在这些实施例的内容中对本发明进行了大体描述,但应当理解的是这并不意在将本发明的范围限制于这些特定实施例。
图(“FIG”)1A示出了现有技术中MEMS传感器前端读出电路的框图。
图2示出了现有技术中用于差分读出的MEMS传感器。
图3A示出了表示图2中的MEMS传感器的通常机械模型。
图3B示出了在图3A中所示的MEMS传感器的通常电子等效电路表示。
图4示出了根据本发明的不同实施例的用以检测MEMS传感器中的粘附失效的测试系统的示意性框图。
图5示出了根据本发明不同实施例的采用高压控制电路的图4的测试系统。
图6描绘了根据本发明不同实施例的在粘附测试模式期间的测试系统的方面。
图7A示出了根据本发明不同实施例的用于执行粘附测试的示例性步骤。
图7B示出了根据本发明不同实施例的用于表示MEMS结构特征的示例性C/V曲线。
图8是根据本发明不同实施例的用以确定MEMS设备中的粘附失效的示意性过程的流程图。
具体实施方式
在下面的说明中,出于解释的目的,列出了具体的细节以提供对本发明的理解。然而,对于本领域技术人员而言没有这些细节也能够实施本发明是显而易见的。本领域技术人员将认识到可以采用各种方法并且采用各种装置来实施以下描述的本发明的这些实施例。本领域技术人员还将认识到附加的变型、应用和实施例都在本发明的范围内,也在本发明可以提供实用性的附加领域内。因此,以下描述的实施例是本发明示意性的具体实施例并且意在避免使本发明难以理解。
说明书中引用的“一个实施例”或“实施例”意在与实施例相关的特定的特征、结构、特性或功能包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中多处出现的用语“在一个实施例中”、“在实施例中”或者类似的用语不必指代同一实施例。
此外,附图中部件之间或方法步骤之间的关联并不限定为直接的关联。相反,附图中示出的部件之间或方法步骤之间的关联可以通过附加的中间部件或方法步骤进行改变或者还可以变化,而不脱离本发明的教导。在本文件中使用的质量块和震动质量块是可以互换的。
图1示出了现有技术中MEMS传感器前端读出电路100的框图。电路100包括电压激励产生器102,MEMS传感器106,以及前端放大器110。电压激励产生器102耦合到MEMS传感器106,MEMS传感器106输出差分检测信号120、122到低噪声主前端放大器110。在本实施例中,MEMS传感器106是被配置为读出检验质量块(未示出)的位置的加速度传感器,并且响应于输出电压Vout 130。
在操作过程中,电压激励产生器102提供电压激励到传感器106内的电极(未示出),以确定差分电容108、118的变化。MEMS传感器106响应于从传感器电极接收到的加速度信息,产生差分输出信号120、122。前端放大器110放大信号120、122以产生输出信号Vout130。
图2示出了现有技术中用于差分读出的MEMS传感器。MEMS传感器200包括可动检验质量块202,检测电极208、218,以及止动电极210、220。可动检验质量块202典型地是锚固到基底上的震动检验质量块,MEMS传感器200构建在该基底上。锚固点悬挂检验质量块202并且将其与基底(未示出)隔开。质量块202被配置为围绕中心206枢转。实线表示实施静电力之前的初始位置。
一旦对检测电极208、218施加偏置电压,可动检验质量块202由于静电力的作用顺时针或逆时针旋转。如果电压施加到第1电极208上,可动检验质量块202就会从其初始位置逆时针旋转,这样其左端就朝向止动电极210旋转,如虚线204所示。相反,如果电压施加到第2电极208上,可动质量块202就会朝向止动电极220顺时针旋转。静止的止动电极210、220充当接触面,所述接触面当MEMS传感器200运动变得过大时阻止质量块202的旋转运动,例如,在大的摆动或机械震动导致的加速度非常大的阶段期间。
一旦传感器电极208、218被偏置,容性电极板上的电荷引起的静电力增加到对检验质量块202所施加的合力中。纯静电力Fel可以表示为方程:
FEL=aX(VE1+-VM)2-a-X(VE2--VM)2
其中,VE1+和VE2-是偏置电压;VM是施加到质量块202的激励,并且系数aX和a-X是取决于传感器200的具体几何尺寸的比例因子,具体几何尺寸例如是检验质量块202与传感器电极208、218之间的间距。
理想情况下,施加到电极208、218上的静电力的总和保持平衡,以使得抵消机械系统的纯外力。因此,施加偏置电压应当不会对检验质量块产生可能对读出电压Vout产生干扰或不利影响的任何附加力。
在粘附条件下,可动质量块202与止动块210表面之间的接触力将大于可动质量块202的回复力,使得可动质量块202不能返回到其标称位置,直到回复力超过粘附力,例如响应于随后的震动而释放两个表面。
现有的最小化粘附事件发生的方式包括增加检验质量块202的回复力以抵消粘附力。典型地,回复力与可动质量块202的材料硬度成比例。由于材料硬度依次是材料弹性和几何形状弹性的函数,因此,设计和制造具有恰当硬度的震动质量块202可以增加回复力。但是,这种方式的一个缺点源自以下事实:较硬的震动质量块202对将被测量的信号的灵敏度有不利影响,因为减少材料的偏转,由此限制了加速度计的灵敏度。
最小化粘附的一种方式包括系统设计级的优化,例如最小化通常运行过程中的静电力,当加速度计被读出时。另一种方式是最小化电极目标制造过程(processes)与表面条件之间的粘附力。例如,为了减小具有相互附着倾向的两个表面之间的接触面积,可以增加例如止动块210、220和可动质量块202的表面粗糙度,从而减小材料层之间的附着力。在本文中,可以在制造过程中使用耐粘附的材料,从而减小粘附事件的可能性。但是,这种处理方案非常耗费成本并且通常不能适应大量市场需求时的批量生产。
因此,希望有能够检测并筛选出易于遭受粘附失效的有缺陷传感器和异常处理产品的系统和方法。
图3A示出了表示图2中的MEMS传感器的通常机械模型。传感器300是惯性MEMS加速度传感器。该机械模型表示具有自然共振频率的谐波共振器。该共振器包括检验质量块202、弹簧304,以及阻尼元件306。如图3A所示,检验质量块202是连接到弹簧304和阻尼元件306的平行结构。该平行结构锚固到基底308。检验质量块202的质量限定为m,弹簧304的弹簧常数限定为k,且阻尼元件306的阻尼系数限定为b。
位移312限定为惯性加速度力Fin(t)310作用到检验质量块202上引起的检验质量块202位置x的移动。位移312可通过电容测量得到,并且被转换为被测量的加速度值。除了重力之外,加速度力、弹簧力Fk和阻尼力Fb之和决定了作用到检验质量块202上的随时间变化的合力F(t)310。力F(t)310通过下面的二阶差分方程与传感器300的机械模型中的检验质量块202的位移312相关联:
该方程可通过数值分析求解出来。
图3B示出了图3A中所示的MEMS传感器的通常的电子等效电路表示350。电子模型包括典型地耦合在可动质量块302与感测电路(未示出)之间的一对平行可变电容器108、118,可动质量块具有加速度的惯性阻抗,所述感测电路与电容器108、118耦合。电容器108、118的差分电容的变化与可动质量块302的移动相关联。
图4描绘了根据本发明不同实施例的用以检测MEMS传感器中粘附力失效的测试系统的示例性框图。系统400包括电压激励产生器102,MEMS传感器106,辅助前端电路404,高压智能电路412,强制驱动器440,以及主前端放大器410。强制驱动器440和主前端放大器410选择性地耦合到MEMS传感器106。类似地,电压激励产生器102和辅助前端电路404通过高压智能电路412选择性地耦合到MEMS传感器106。MEMS传感器106可以是与图1类似的电容性MEMS加速度传感器并且包括可动检验质量块M202,可动检验质量块与形成电容电桥的固定电极208、218电容性耦合,该电容电桥被配置为读出可动质量块202的位置并输出差分输出信号102、122。
在一个实施例中,在通常的加速度读取模式中,电压激励产生器102和主模拟前端放大器电路410耦合到MEMS传感器106,而辅助前端电路404和强制驱动器440从MEMS传感器106解耦。在该实施例中,电压激励产生器102提供电压激励105,电压激励105被施加到传感器106的可动质量块202。电极208、218耦合到主前端放大器电路410,主前端放大器电路410确定传感器电极208、218的电容变化。可动质量块414与电极208、218之间的电容不平衡产生差分读出信号120、122,该差分读出信号由电容电桥输出。主前端放大器电路410是低噪声模拟放大器,低噪声模拟放大器接收信号120、122并将其放大,以产生输出信号Vout130,从该输出信号Vout 130可以提取出加速度值。
在粘附测试模式的运行期间,辅助前端电路404和强制驱动器440耦合到MEMS传感器106,而电压激励产生器102和主前端放大器电路410从MEMS传感器106解耦。在一个实施例中,强制驱动器440交替地对电极208、218施加相对高的电压以产生静电力,该静电力选择性地使可动质量块202旋转从而更靠近两个固定电极208、218的其中之一。强制驱动器440可以被实施为外部高压源,其采用算法来逐渐增大或减小偏置电压。
在该示例中,辅助前端电路404耦合到可动质量块202,以检测可动质量块202与每个电极208、218之间的距离,例如,通过选择性地感测可动质量块202与相应的电极208、218之间的绝对电容值。该电容值被限定为几何尺寸的函数,并表示可动质量块202与相应的电极208、218之间的相对位置。在一个实施例中,获取的电容用于确定在移动部分与静止部分之间是否已经发生了接触。
运行模式之间的切换通过高压智能电路412来完成。在粘附测试模式期间,强制驱动器440对电极208、218施加相对高的电压(例如大于5V),以向传感器106提供静电力,从而使得可动质量块202与电极210、220的其中之一接触。但是,这样的高压的范围通常不能被模拟主前端410容许,该模拟主前端410被典型地设计为低电压(例如小于2V)电路。参照图5将要进一步说明的,电压智能电路412的运行保护了主前端电路410的免受过压应力。
本领域技术人员可以意识到的任意一种已知方法都可用于接近电容的变化。例如,不是通过电压,而是通过电流或电荷来确定电容的变化。
图5描绘了根据本发明多个实施例的采用高压控制电路的图4的测试系统。为了清楚起见,与图4中所示的类似的部件以相同的方式来标注。为了简短的目的,它们的描述或功能在这里就不再重复。
测试系统500的高压控制电路412包括MEMS传感器106、传输门T1 520和T2 522,逻辑电路540,电荷泵542,以及晶体管550、552。在该示例中,晶体管M1 550和晶体管M2 552实施为MOS管(MOSFETs)。传输门T1 520耦合在电压激励产生器102与MEMS传感器106之间。传输门T2 522耦合到辅助前端电路404和MEMS传感器106。逻辑电路540耦合在传输门520、522与电荷泵542之间。在图5的示例中,测试系统500包括选择器544,选择器544选择电荷泵542或外部高压源546的其中之一使强制驱动器440极化(polarize)。传输门T1 520和T2 522能够选择性地使可动质量块202分别与电压激励产生器102和辅助前端电路404耦合和解耦。逻辑电路540控制MEMS传感器106与接口电子电路之间的连接。电荷泵542控制晶体管M1550和M2 552。
在通常的加速度读取模式中,控制电路412控制电荷泵542开启晶体管M1 550和M2552。这允许加速度信号120、122被发送到主前端电路410的输入端。相反,在粘附测试模式中,关闭晶体管550、552以保护来自由强制驱动器440产生的高压的主前端放大器输入。晶体管550、552被设计为使得在其关闭状态也可以承受强制驱动器440施加的相对高的电压。电荷泵542被设计为操作高压晶体管M1 550和M2 552,其相对于已有的前端接口设计中使用的低电压晶体管具有较高的开启门电压(大于2V),低电压晶体管由低于2V的电源电压驱动。当在粘附测试模式运行时,利用外部高压源电路546来偏置强制驱动器440的一个优点是如果进行测试,例如仅在制造过程的最后阶段期间,就能够以较少的元件来设置控制电路412,并且由此更加节省费用。
具体地,图6描绘了根据本发明的多个实施例的在粘附测试模式期间的测试系统的方面。系统600包括耦合在辅助前端电路404与强制驱动器440之间的MEMS传感器106。传感器106内的可动质量块202通过该电容C1 108和C2 118耦合到电极208、218。
在运行中,控制强制驱动器440以向电极208、218的其中之一施加偏置电压,而没有电压或零电压施加到另一个电极和可动质量块202。在图6的示例中,强制驱动器440施加电压VE1到电极E1 208,而电极E2 218的端部接地。应当注意的是,当VE1施加到电极E1 208而不是施加到接地电极E2 218时,第二电压VE2可以施加到E2 218,由此VE2与施加到可动质量块202的激励电压VM的幅值相等并且方向相反。
参照图2,向电极E1 208所施加的偏置电压将在可动质量块202与电极E1 208之间产生静电力,引起可动质量块202逆时针旋转。所施加的电压与静电力的平方根成比例,吸引两个部分,并且假定一足够高的偏置电压,可动质量块202将会旋转直到其接触静止的止动电极210(图2中标注为STP1)为止。因此,与相等的偏置电压施加到两个电极中以产生力平衡的规则运行过程不同,本实施例的目的不是平衡静电力。因此,前面提及的关于图2的描述纯静电力Fel的方程简化为以下表达式:
FEL=aX(VE1+)2
其中VE1+是施加到电极E1 208的偏置电压。类似地,当偏置电压施加到电极E2 218时,可动质量块202与电极E2 218之间的静电力将使得可动质量块202顺时针旋转。在这个方案中,纯静电力Fel可以表示为:
FEL=-a-x(VE2-)2
一旦偏置电压(即静电力)被移除,可以通过检测结构200的响应来确定接触表面是否易于受到粘附。例如,如果在解除静电力后可动质量块202仍然与第1止动电极210保持接触,例如由于第1止动电极210表面上的过程残余带来的强的范德瓦尔斯力,传感器200被视为具有潜在的粘附问题。相反,如果在移除静电力后可动质量块202回复到其初始位置,则可以推断传感器200不易于受到粘附。
在一个实施例中,通过专门的电容感测来确定可动质量块202的位置。返回图6,辅助前端电路404交替地检测检验质量块202与电极E1 208之间以及检验质量块202与电极E2218之间的电容,以在粘附测试模式期间检测可动质量块202的位置。
辅助前端电路404可包括具有反馈电容器的普通电荷感测放大器,其将电容转换成电压信号。但是,这并不意在限制性的。本领域普通技术人员应当理解,任意电容感测的方法都可用于确定可动质量块202的位置,从而确定粘附条件的存在。
图7A示出了根据本发明不同实施例的用于执行粘附测试的示例性步骤。如图7A所示,选择电极E1用于粘附测试。首先,电压VE1 702通过电压源(例如图6所示的强制驱动器)施加到被选择的电极上。在离散的步骤706中,电压源逐渐增加电压VE1 702,使得在每个步骤中都可以测量电容值。例如,通过利用图6中示出的辅助前端电路测量与电容值成比例的第二电压。旋转可动质量块所需要的电压702的幅值是弹簧-质量块系统的设计的函数。例如,可动质量块的较大的材料硬度,就需要较高的电压702和较大的静电力来产生转动。
如图7B所示,一旦偏置电压VE1 702的增加不再引起所测量的电容C1 752的进一步增加,这就表示达到了最大或最终的电容值752。此时,可以控制电压源,在离散步骤中逐渐减小电压VE1 702,同时测量电路继续测量电容C1 752。但是,由于两个表面之间的附着作用,施加到被选电极的偏置电压VE1 702与测量电容值C1 752之间的关系可能无法逆转,相反随着电压VE1 702减小而引起滞后效应。
如图7B所示,C/V曲线750的反向路径可能存在滞后,这是由于表面力继续作用到两个部分上并且使得两个部分继续保持接触直到电压VE1 702足够低,以使得这些部分能够克服表面力并分离开,从而减小电容C1 752。
根据滞后曲线750,控制逻辑于是可以确定由于接触和表面力,附着效应存在于可动质量块与止动电极之间。可动质量块没有被立即释放,因为表面力使两个部分继续保持相接触,直到电压VE1 702以及由此的静电力足够被充分减小到低于允许两个部分分离的接触电压710的等级。
在不能克服表面力的方案中,被测电容C1 752仍然保持在响应于减小偏置电压VE1702的高饱和值760,控制逻辑可以推断出粘附条件存在,即粘附阻碍了可动质量块重新得到其原始位置,尽管电压VE1 702(例如0V)和静电力显著减小。
在这种方式中,方法700能够为一组传感器内的每个MEMS传感器的每个电极产生C/V曲线750。根据C-V曲线以及增加和减小电压曲线之间的滞后,根据运行中的灵敏度和受到摩擦力的趋势可以直接或间接地限定出给定的MEMS结构。粘附测试还可以用于测量和分析整个C-V曲线,例如,为了建立失效准则,该准则可以从良性延伸到恶性的变化,或者为了限定表面条件,材料质量,微粒数量,几何尺寸等。因此,测试的传感器可以被认为是不合格的,因为不能够满足预定规格。
在一个实施例中,例如,为了减少测试时间,代替产生完整的C/V曲线750,将足够高的偏置电压VE1 702施加给测试中的每个电极,以使得在止动电极与可动质量块之间施加接触。于是,一旦移除电压VE1 702,辅助模拟前端电路就可以确定电容C1 752是否已经进行了足够的改变,以使得粘附是否实际上已经发生能够被推断出。
在一个实施例中,迟滞曲线750用于预测可靠性。粘附条件的确定与静电力结合,静电力模拟MEMS传感器经受粘附条件时的真实应用环境,例如,因此大的加速度或冲击引起可动质量块接触并附着到止动电极其中之一,不仅用于检测零寿命粘附失效,还用于检测易于受到粘附失效的部分。
图8是根据本发明的多个实施例的确定MEMS设备中的粘附失效的示意性过程的流程图。当激励信号产生器从MEMS设备解耦时,用以确定粘附失效的过程800从步骤802开始。
在步骤804中,第一前端电路从MEMS设备解除耦合。
在步骤806中,电压源连接到MEMS设备。
在步骤808中,例如通过第二前端电路来将偏置电压施加到MEMS设备。
在步骤810中,例如通过确定MEMS设备中可动部分与静止部分之间的距离来确定与MEMS设备相关的电容。
在步骤812中,电压源解除连接。
在步骤814中,检测电容值的变化以确定在MEMS设备中存在的或潜在的粘附失效。
本领域技术人员可以意识到,可以在不脱离本发明的范围的情况下,将较少的或附加的步骤与本文所例示的步骤结合。流程图中或本文描述的框图布置并不暗示任何特定的顺序。
应当进一步理解,前述的示例和实施例都是示例性的,并用于清楚和理解的目的,而不限定本发明的范围。在阅读说明并研究附图之后,对本领域技术人员显而易见的本发明的所有变换、增强、等效替换、组合以及改进都包含在本发明的范围内。因此,应当理解,权利要求包含落入本发明的实际精神和范围内的所有这样的变型、变换以及等同形式。