CN107619018A - 用于在集成装置中减少正交的分段电极结构 - Google Patents

用于在集成装置中减少正交的分段电极结构 Download PDF

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Abstract

一种集成装置包括例如陀螺仪等MEMS装置，所述MEMS装置具有与衬底间隔开的可移动块，所述可移动块被配置成相对于所述衬底在驱动方向上振荡。所述集成装置另外包括具有与MEMS装置耦合的表面的集成电路(IC)管芯，使得所述可移动块插入在所述衬底与所述IC管芯的所述表面之间。电极结构形成在所述IC芯片的所述表面上，所述电极结构包括与所述可移动块竖直间隔开的多个电极段。开口延伸穿过所述可移动块，并且所述电极段覆盖所述开口。可以激活适当选择的电极段以块朝向与MEMS竖直间隔开的感测电极静电吸引所述可移动块，以减少所述可移动块的正交运动。

Description

用于在集成装置中减少正交的分段电极结构
技术领域
本发明大体上涉及微机电系统(MEMS)领域。更具体地说，本发 明涉及一种用于在MEMS-CMOS集成装置中减少正交的分段电极结构。
背景技术
近年来微机电系统(MEMS)技术已经广泛普及，因为它提供了一 种使用常规成批半导体处理技术在单个衬底上制造非常小的机械结构并 将这些结构与电气装置集成的方法。MEMS的一个常见应用是传感器装 置的设计和制造。MEMS传感器广泛用于例如汽车、惯性导航系统、家 用电器、游戏装置、各种装置的保护系统以及许多其它工业、科学和工 程系统等应用中。MEMS传感器的一个例子是MEMS角速率传感器。 可替换地称为“陀螺仪”、“振动角速率传感器”、“振动速率陀螺 仪”、“陀螺仪传感器”或“偏航率传感器”的角速率传感器感测围绕 一个或多个轴的角速率或角速度。
在振动角速率传感器中，固有的问题是存在不合需要的干扰信号， 称为正交分量或正交误差。正交误差是由于正交运动(例如，校样块在 感测电极上方来回振荡时的平面外运动)引起的。由于制造缺陷，在振 动角速率传感器中可能发生正交运动。当存在正交运动时，正交运动在 感测轴上产生可以与科里奥利加速度相混淆并随后与旋转速率相混淆的 振荡。遗憾的是，正交误差可能导致装置的偏移误差，减小动态范围和 增加噪声。大的正交误差甚至可能使装置受干扰(rail)，使得感测块与 导电电极接触，从而可能导致与碰撞相关的损坏，例如短路。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种集成装置，包括：
微机电系统MEMS装置，所述微机电系统MEMS装置具有与衬底 间隔开的可移动块，所述可移动块被配置成相对于所述衬底在驱动方向 上振荡；
集成电路IC管芯，所述集成电路IC管芯具有与所述MEMS装置耦 合的表面，使得所述可移动块插入在所述衬底与所述IC管芯的所述表面 之间；以及
电极结构，所述电极结构形成在所述IC管芯的所述表面上，所述电 极结构包括与所述可移动块竖直间隔开的多个电极段。
在一个或多个实施例中，所述可移动块和所述电极结构被封闭在空 腔内，所述空腔是通过将所述集成电路管芯与所述MEMS装置耦合而形 成的。
在一个或多个实施例中，所述多个电极段与所述可移动块的第一侧 竖直间隔开，并且所述集成装置进一步包括：
感测电极，所述感测电极形成在所述衬底上并与所述可移动块的第 二侧竖直间隔开，所述第二侧与所述第一侧相对。
在一个或多个实施例中，所述可移动块包括至少一个开口，所述至 少一个开口延伸穿过所述可移动块并且被所述可移动块完全包围，并且 所述电极段的至少一部分覆盖所述至少一个开口，其中所述电极段中覆 盖所述至少一个开口的所述至少一部分的重叠面积随着所述可移动块在 所述驱动方向上振荡而改变。
在一个或多个实施例中，所述多个电极段中的每一个电极段具有近 似垂直于所述驱动方向朝向的纵向尺寸。
在一个或多个实施例中，所述集成装置进一步包括：
控制线路，所述控制线路用于提供正交补偿电压，其中所述多个电 极段中的每一个电极段选择性地连接到所述控制线路，以便将所述正交 补偿电压施加到所述电极段中的所选择的电极段。
在一个或多个实施例中，所述集成装置进一步包括：
开关结构，所述开关结构形成在所述IC管芯的一个或多个布线层 中，所述多个电极段中的所述每一个电极段能够独立地与所述开关结构 互连，并且所述开关结构能够将所述电极段中的独立电极段选择性地连 接到所述控制线路。
在一个或多个实施例中，经由所述开关结构连接到所述控制线路的 所述电极段的数量被配置成响应于所述施加的正交补偿电压调制施加到 所述可移动块的静电力的量值。
在一个或多个实施例中，所述多个电极段包括：
所述电极段的第一子集；以及
所述电极段的第二子集，所述电极段的所述第二子集横向偏离所述 电极段的所述第一子集，其中所述正交补偿电压被施加到所述电极段的 所述第一子集，并且所述电极段的所述第二子集的电压电位被设置为与 所述可移动块相同的电压电位。
在一个或多个实施例中，所述正交补偿电压被施加到所述电极结构 的所述电极段中的第一数量的电极段，所述第一数量小于所述电极结构 的所述电极段的总数量。
在一个或多个实施例中，所述MEMS装置包括陀螺仪，并且施加到 所述电极段的至少一部分的正交补偿电压被配置成调制施加到所述可移 动块的静电力的量值，以减少所述可移动块的正交运动。
根据本发明的第二方面，提供一种用于制造集成装置的方法，包括：
提供具有与衬底间隔开的可移动块的微机电系统MEMS装置，所述 可移动块被配置成相对于所述衬底在驱动方向上振荡；
提供具有表面的集成电路IC管芯；
在所述IC管芯的所述表面上提供电极结构，所述电极结构包括多个 电极段；以及
将所述IC管芯的所述表面与所述MEMS装置耦合，使得所述可移 动块和所述电极结构被封闭在空腔内，所述空腔是通过将所述集成电路 管芯与所述MEMS装置耦合而形成的，并且所述多个电极段与所述可移 动块竖直间隔开。
在一个或多个实施例中，所述可移动块包括至少一个开口，所述至 少一个开口延伸穿过所述可移动块并且被所述可移动块完全包围，并且
所述形成所述电极结构包括：
布置所述多个电极段，使得所述电极段的至少一部分覆盖所述至少 一个开口。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括：
提供用于向所述电极结构施加正交补偿电压的控制线路；以及
在所述IC管芯的一个或多个布线层中形成开关结构，所述多个电极 段中的每一个电极段能够独立地与所述开关结构连接，并且所述开关结 构能够将所述电极段中的独立电极段选择性地连接到所述控制线路，以 便将所述正交补偿电压施加到所述电极段中的所连接的电极段。
根据本发明的第三方面，提供一种系统，包括：
根据本文中所公开的集成装置，以及
控制线路，所述控制线路用于提供正交补偿电压，
其中所述多个电极段中的每一个电极段选择性地连接到所述控制 线路，以便将所述正交补偿电压施加到所述电极段中的所选择的电极段， 所述正交补偿电压被配置成调制施加到所述可移动块的静电力的量值， 以减少所述可移动块的正交运动。
本发明的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见， 且参考这些实施例予以阐明。
附图说明
附图中相同的附图标记在所有单独的视图中指代相同或功能相似 的元件，但是附图不一定按比例绘制，并且与下面的详细描述一起并入 说明书并形成说明书的一部分，用于另外示出各种实施例并且示出根据 本发明的各种原理和优点。
图1以简化和代表性的形式示出了微机电系统(MEMS)陀螺仪的 俯视图；
图2以简化和代表性的形式示出了集成装置的侧视图；
图3示出了图2的集成装置的局部侧视图；
图4示出了MEMS陀螺仪的局部俯视图；
图5示出了根据实施例的图1的MEMS陀螺仪的局部俯视图；
图6示出了包括图1的MEMS陀螺仪和电极结构的集成装置的局 部侧视图；
图7示出了图6的MEMS陀螺仪和电极结构的局部俯视图以及开 关结构和相关联的控制线路；
图8示出了由于接合对准失配而经受位移的MEMS陀螺仪和电极 结构的局部俯视图；
图9示出了利用电极结构的正交补偿系统的框图；
图10示出电极段选择过程的流程图；以及
图11示出正交误差补偿过程的流程图。
具体实施方式
本文公开的实施例包括一种集成装置以及用于制造所述集成装置 的制造方法，所述集成装置包括与例如互补金属氧化物半导体(CMOS) 管芯等集成电路(IC)管芯竖直接合的微机电系统(MEMS)装置。电 极结构形成在IC管芯的面向MEMS装置(例如MEMS陀螺仪)的可移 动块的表面上。电极结构包括通过CMOS管芯上的布线层连接到开关结 构和有源电路的多个电极段。有源电路可用于选择性地激活或去激活特 定电极段以实现与MEMS装置的可移动块的有利的相互作用。也就是 说，电极段可用于向MEMS装置的可移动块施加静电力，以便补偿正交 运动。另外，可以激活特定的电极段以便补偿IC管芯与MEMS装置之 间的接合失准。此外，可以选择性地激活电极段以便通过经由有源电路 切换电极段上的电压偏置电平来允许增量静电力的增大或减小。
提供本公开以用可实现的方式另外说明在应用、制造和使用根据本 发明的各种实施例时的最佳模式。另外提供本公开以增强对其发明原理 和优点的理解和了解，而不是以任何方式限制本发明。本发明仅由所附 权利要求(包括在本申请的在审期间进行的任何修正以及所发布的权利 要求的所有等效方案)限定。
应当理解，可以在本文中使用例如第一和第二、顶部和底部等关系 术语(如果有的话)，仅用于彼此区分实体或动作，而不一定要求或暗示 任何实际的这种关系或这些实体或动作之间的顺序。此外，可以使用各 种阴影和/或阴影线来示出一些附图，以区分在各种结构层内产生的不同 元件。结构层中的这些不同的元件可以利用现有的和将来的沉积、图案 化、蚀刻等微加工技术来生产。因此，尽管在图示中使用了不同的阴影 和/或阴影线，但是结构层内的不同元件可以由相同的材料形成。
参考图1，图1以简化和代表性的形式示出了MEMS装置20的俯 视图。MEMS装置20可以是用于感测围绕输入轴的角速度的振动速率 陀螺仪。因此，MEMS装置20在下文中被称为陀螺仪20。陀螺仪20 通常被配置成感测围绕被称为输入轴22的旋转轴的角速率。在所示配置 中，输入轴22是三维坐标系中的Y轴。陀螺仪20被示为在X-Y平面 24内具有大体上平面的结构，其中Z轴26从X-Y平面24法向于纸面 延伸出来。
陀螺仪20包括第一可移动块28和第二可移动块30，它们各自适用 于在大致平行于X轴34的驱动方向上在下方衬底32的上方来回振荡。 因此，驱动方向与陀螺仪20的输入轴22正交。因此，X轴34在下文中 被称为驱动轴34。如表示驱动运动36的一组左/右箭头所示，第一可移 动块28可被配置成在衬底32的上方来回振荡。第二可移动块30可以被 配置成以类似的方式在衬底32的上方来回振荡，但是与第一可移动块 28异相相差180度，如表示反相驱动运动38的一组左/右箭头大体上所 示。第一可移动块28和第二可移动块30的振荡驱动运动可以用已知的 方式由驱动电极40提供，驱动电极40在图1中由矩形大体上表示并标 记为DR。虽然未详细示出，但是驱动电极40可以包括耦合到衬底32 的固定指状件组，所述固定指状件组与可移动指状件组互相交叉，其中 可移动指状件耦合到第一可移动块28和第二可移动块30并且从第一可 移动块28和第二可移动块30延伸。
第一可移动块28和第二可移动块30可以由各种机械连杆42(例如， 驱动和感测弹簧)支撑在衬底32上方，各种机械连杆42能够实现第一 可移动块28和第二可移动块30沿着驱动轴34的异相振荡驱动运动36、38。另外，机械连杆42响应于围绕输入轴22的角度输入45(即，陀螺 仪20的角运动)，使得第一可移动块28和第二可移动块30的感测运动 44能够大致平行于Z轴26。因此，Z轴26在下文中被称为感测轴26。 可以在衬底32上设置一对感测电极46、48，以检测和测量第一可移动 块28和第二可移动块30的平面外偏转。在图1的图示中，感测电极46、 48被覆盖的可移动块28、30遮挡。因此，在图1中，感测电极46、48 以虚线形式表示，以示出它们相对于第一可移动块28和第二可移动块 30的物理放置。为了简化图示并且为了避免混淆本发明的示例性和非限 制性实施例，在这里未示出驱动电极40、机械连杆42和感测电极46、 48的结构细节。然而，本领域的技术人员将理解，驱动电极40、机械连 接件42和感测电极46、48可以用各种各样的结构配置来实现。
在操作中，可以将驱动电压VDR施加到驱动电极40，以在互相交叉 的驱动指状件之间产生静电力，使驱动指状件相对于彼此静电移动。驱 动电压VDR可以是适用于交替传递到梳形指状件的电荷的时变电压信 号，所述梳形指状件与机械连杆42结合，使得第一可移动块28和第二 可移动块30在X-Y平面24内进行反相的振荡线性运动。一旦第一可移 动块28和第二可移动块30沿着驱动轴34进入振荡驱动运动36、38(反 相)，块28、30的系统就能够检测通过陀螺仪20围绕输入轴22旋转引 起的角度输入45，即，角速度。具体地说，由陀螺仪20围绕输入轴22 的旋转运动产生的科里奥利力使得第一可移动块28和第二可移动块30依据围绕输入轴22的陀螺仪20的角速率(即，角度输入45)相对于感 测电极46、48在平面外移动。此移动具有与陀螺仪20围绕输入轴22 的角旋转速率成比例的幅度，所述幅度可以在感测电极46、48处感测到 从而产生感测信号50。
如前所述，陀螺仪20中的制造缺陷可准许第一可移动块28和第二 可移动块30相对于感测轴26进行正交运动，使得正交误差信号叠加在 感测信号上。在一个结构配置中，第一可移动块28可以包括至少一个开 口52，所述至少一个开口52延伸穿过第一可移动块28的材料结构并且 被第一可移动块28的材料结构完全包围。同样，第二可移动块30可以包括至少一个开口54，所述至少一个开口54延伸穿过第二可移动块30 的材料结构并且被第二可移动块30的材料结构完全包围。更具体地说， 第一可移动块28包括多个开口52，并且第二可移动块30包括多个开口 54。如以下将更详细讨论，电极可以邻近开口52、54与第一可移动块 28和第二可移动块30中的每一个可移动块竖直间隔开。可以向电极施 加直流(DC)偏置电压，以将静电力施加在第一可移动块28和第二可 移动块30上，以减少或者以其它方式消除正交运动。
图2以简化和代表性的形式示出了集成装置60的侧视图。集成装 置60包括MEMS装置(例如，陀螺仪20)和集成电路(IC)管芯62。 在此例子中，IC管芯62可以是被配置成为陀螺仪20提供逻辑功能的 CMOS专用集成电路(ASIC)管芯。IC管芯62具有经由例如间隔元件66与陀螺仪20耦合的表面64。间隔元件66可以完全包围陀螺仪20的 组件和IC管芯的表面64以形成空腔68。电极70、72形成在IC管芯62 的表面64上并且与第一可移动元件28和第二可移动元件30的每一个的 第一侧74竖直间隔开。感测电极46、48形成在陀螺仪20的衬底32上， 并且与第一可移动元件28和第二可移动元件30的每一个的第二侧76 竖直间隔开，其中第二侧76与第一侧74相对。
因此，第一可移动块28和第二可移动块30插入到陀螺仪20的衬 底32与IC管芯62的表面64之间，更具体地说，第一可移动块28和第 二可移动块30、电极70、72和感测电极46、48封闭在通过将IC管芯 62与陀螺仪20耦合而形成的空腔68内。在此理论配置中，电极70、72 可以用于偏置可移动块28、30，以便减少正交运动。相对于电极70、72 和感测电极46、48可以彼此相邻横向安置并且位于可移动块的同一侧上 的配置，具有第一可移动块28和第二可移动块30的相对侧74、76上的 电极70、72和感测电极46、48的这种配置可以实现显著的空间节省和 减小的大小。
现在结合图2参考图3和图4，图3示出了集成装置60的局部侧视 图，图4示出了陀螺仪20的局部俯视图。借助于例子，图3示出了第一 可移动块28的一部分，所述部分具有延伸穿过其的单个开口52，并且 电极70、72邻近开口52与第一可移动块28竖直间隔开。同样，图4 示出了如图3所示的第一可移动块28的同一部分，所述部分具有延伸穿 过其的一个开口52以及大体上位于开口52上方的电极70、72。在此例 子中，电极70、72可用于偏置第一可移动元件28和第二可移动元件30 以减少或消除第一可移动元件28和第二可移动元件30的任何可能的正 交运动。因此，电极70、72在本文中被称为正交补偿电极70、72。正 交补偿电极70被标记为QCU+，且正交补偿电极72被标记为QCU-， 这表示它们可被不同地偏置，例如，极性相反。
理想地，第一可移动元件28应经驱动以用大致平行于感测电极46 的方式振荡，使得振荡块28与感测电极46之间的标称距离D仅仅响应 于科里奥利力的改变而变化。然而，制造缺陷还可能导致平面外正交运 动，如由实线箭头78大体上所示。此平面外正交运动78可以引起振荡 块28与感测电极46之间的标称距离D变化。由于感测信号50(图1) 取决于距离D，所以正交运动78产生的距离D的任何改变将被注入到 感测信号50中，从而降低陀螺仪20准确地感测科里奥利的小改变的能 力。
为了平衡正交运动78，恒定电压偏置VB可以施加到正交补偿电极 70，而正交补偿电极72可以保持在与第一可移动块28相同的电位。因 此，在此例子中，正交补偿电极72将不提供与第一可移动块28的相互 作用。恒定电压偏置VB将在正交补偿电极70与第一可移动块28之间 产生静电力，从而导致正交补偿运动，如虚线箭头80大体上所示。在此 例子中，当可移动块28向右移动时，与正交补偿电极70的重叠面积将 增加，因此增大竖直静电力。随着可移动块28向左移动，与正交补偿电 极72的重叠面积将减小，从而降低竖直静电力。理想地，此正交补偿运 动80近似等于正交运动78并与正交运动78相反，以便大致抵消正交运 动78。
在此理论配置中，两个金属电极(例如，形成在IC管芯62的表面 64上的正交补偿电极70、72)被布置成覆盖延伸穿过第一可移动块28 的开口52。当IC管芯62随后接合到陀螺仪20时，IC管芯62与陀螺仪20接合的失准可能不利地影响正交补偿电极70、72相对于开口52的适 当位置。为了在没有接合失准并且具有例如+/-5微米的驱动运动的情况 下实现此理论配置中的标称操作，移动块28中的开口52需要14微米的 宽度81。一些规格允许+/-10微米的接合失准。因此，对于+/-10微米的 接合失准，开口52的宽度81需要为34微米，以便保持正常操作。开口 52的这种更大的宽度减小了感测面积，因此不合需要地降低了陀螺仪20 的灵敏度。
现在参考图5和图6，图5示出了根据实施例的MEMS陀螺仪20 和电极结构82的局部俯视图，并且图6示出了根据实施例的包括与IC 管芯86耦合的陀螺仪20的集成装置84的局部侧视图。如先前的图示， IC管芯86具有与陀螺仪20耦合的表面88，使得可移动块28、30(图1) 插入在衬底32与IC管芯86的表面88之间。在此简化的图示中，图5 和图6仅示出了第一可移动块28的一部分，所述部分具有延伸穿过其的 单个开口52，因此对应于图3和图4。然而，应当理解，随后的讨论同 样适用于集成装置84包括上述陀螺仪20的整个结构的结构配置。另外， 第一可移动块28被示出为点画以便更好地视觉显示开口52并且以便区 分第一可移动块28与覆盖的电极结构82。
电极结构82形成在IC管芯86的表面88上。根据一个具体实施例， 电极结构82包括与可移动块28的第一侧74竖直间隔开的多个电极段 90(示出为向右和向下指向的宽阴影线)。同样，感测电极46形成在衬 底32上并且与第一可移动块28的第二侧76竖直间隔开。因此，第一感 测块28、具有多个电极段90的电极结构82和感测电极46封闭在空腔 92内，空腔92是经由例如间隔元件(未示出)将IC管芯86与陀螺仪 20耦合而形成的。同样，相对于所有电极(即，感测电极和正交补偿电 极)可以彼此相邻横向安置并且位于可移动块的同一侧上的配置，这样 的配置可以实现显著的空间节省和减小的大小。在非限制性实施例中， 电极段90用作正交补偿电极来代替正交补偿电极70、72。然而，在可 替换的实施例中，电极段90可以用作感测电极。
电极段90适当地形成在IC管芯86的表面88上且覆盖开口52。另 外，每个电极段90具有近似垂直于驱动方向朝向的长度尺寸94，其中 驱动方向大致平行于驱动轴34。另外，电极段90的长度尺寸94近似平 行于输入轴22。当然，考虑到整个结构，电极段90被适当地配置在表 面88上以覆盖每个开口52、54(图1)和每个第一可移动块28和第二 可移动块30中的至少一个可移动块(图1)。
现在参考图5、图6和图7，图7示出了陀螺仪20和电极结构82 的局部俯视图，以及由电压源符号简单地表示的开关结构96和控制线路 98。更具体地说，图7仅示出了第一可移动块28的一部分，所述部分具 有延伸穿过其的单个开口52，因此对应于图3到图6。控制线路98被配 置成提供可替换地称为正交补偿电压VB 102的偏置电压。每个电极段 90可以经由开关结构96选择性地连接到控制线路98，以便将正交补偿 电压102施加到所选择的电极段90。
开关结构96的电互连件和开关可以适当地形成在IC管芯86的一 个或多个布线层104(参见图6)中，并且每个电极段90可单独地与开 关结构96(由各个开关106、108表示)互连，其中一对开关106、108 中的一个开关可以被闭合以将它们的相关联的电极段90连接到正的DC 电压源(QCU+)110或负的DC电压源(QCU-)112。因此，开关结构 96使得各个电极段90能够选择性地连接到控制线路98。
IC管芯86的表面88上的电极结构82面向可移动块28的设计可以 经由开关结构96被细分成多个区域，即，电极段90的子集。如下所述， 这些电极段90的子集可以通过IC管芯86中的布线层104连接到开关 106、108和控制线路98。然后，控制线路98可用于激活或去激活电极 段90的区域或子集，以通过应用例如正交补偿电压来实现与陀螺仪的有 利的相互作用。电极段90的设计使得电极段90的子集由控制线路98 激活，以补偿IC管芯与陀螺仪20之间的晶片接合失准。可替换地或另 外，通过控制线路98激活的电极段90的子集可以另外细分，以通过切 换偏置电平(例如，某些电极段90上的正交补偿电压102的量值)实现 小的增量相互作用力增大或减小。
制造集成装置84的方法可能需要提供上面形成有多个陀螺仪20的MEMS晶片，并提供上面形成有多个IC管芯86的CMOS晶片，其中 每个IC管芯86具有形成在其表面88上的电极结构82。另外，每个IC 管芯86具有形成在CMOS晶片的布线层104中的开关结构96的路线，并且开关106、108和控制线路98被提供为每个IC管芯86的一部分。 CMOS晶片与MEMS晶片耦合以形成包括多个集成装置84的堆叠结构， 如前所述。此后，堆叠结构可以利用常规和未来的晶片制造工艺切割、 锯切或以其它方式分离，以产生集成装置84。
图8示出了由于接合对准失配而经受位移的陀螺仪20和电极结构 82的局部俯视图。开口52的中心由虚线114表示。如果不存在接合对 准失配，那么电极段90的一半将被安置在虚线114的一侧，并且电极段 90的另一半将被安置在虚线114的相对侧。在此例子中，当可移动块28 没有经受振荡驱动运动时，陀螺仪20(由第一可移动块28的所示部分 表示)相对于形成在IC管芯86(图6)的表面88(图6)上的电极结构 82的电极段90向左移位。
具有正交运动补偿的陀螺仪20的标称操作需要将偏置电压(例如， 正交补偿电压102)施加到在第一可移动块28振荡时将跨过开口52的 相对边缘116、118(参见图7)的那些电极段90。边缘116被电极段90 中的一个电极段90遮挡。因此，边缘116在图8中由虚线表示，但是在 图7中可见。因此，在此例子中，在第一可移动块28振荡时将跨过边缘 116的电极段90的第一子集(标号为90A)的开关106闭合，使得在电 极段90A与第一可移动块28之间提供恒定偏置电压(例如，正交补偿 电压102)。相反，在第一可移动块28振荡时将跨过边缘118的电极段 90的第二子集(标记为90B)的开关108可以闭合，以便将电极段90B 设置为与第一可移动块28相同的电位。因此，电极段90B将不与第一 可移动块28相互作用。在另一实施例中，可以在电极段90B与第一可 移动块28之间提供合适的恒定偏置电压(例如，正交补偿电压102)。 因此，电极段90A将被设置为与第一可移动块28相同的电位，使得它 们将不与第一可移动块28相互作用。
因此，在此例子中，电极段90A用作正的正交补偿电极，并且电极 正交补偿段90B用作负电极。取决于发生接合对准(或失准)的位置， 可以接通各种电极段90，以形成正的正交补偿电极或负的正交补偿电 极。开关结构96的配置允许独立控制开关106、108，以产生正或负的 正交补偿电极(QCU+/QCU-)。
因此，可以将正交补偿电压102施加到第一数量的电极段90，例如 电极结构82的三个电极段90A，其中所述数量小于电极段的总数量。此 外，当可移动块相对于驱动轴34振荡时，电极段90A和电极段90B覆 盖开口52的重叠面积改变(即，增大和减小)。因此，此正交补偿电压 102在电极段90A与可移动块28之间产生静电力，这可以减少或消除第 一可移动块28的正交运动。
将结合图10讨论用于确定可选择哪些电极段90用于正交运动补偿 的示例性过程。另外，将结合图11讨论实施电极结构的示例性正交误差 补偿过程。
参考图1、图7和图9，图9示出了利用电极结构82的正交补偿系 统120的框图。更具体地说，正交补偿系统120可以包括电极结构82， 电极结构82具有邻近陀螺仪20的可移动块28、30的开口52、54的电 极段90，如上文所讨论。为了简洁图示，仅示出了可移动块28的一部 分，其中电极段90覆盖在单个开口52上，以对应于图5到图8的图示。 在一个例子中，正交补偿系统120可以实施在IC管芯86(图6)内，以 产生紧凑的形状因数。
正交补偿系统120额外包括例如用于接收从陀螺仪20输出的感测 信号50的正交读出块122形式的有源控制线路98。正交读出块122与 模数转换器(ADC)124通信，ADC 124又与数字控制器126通信。数 字控制器126可以具有与其相关联的存储器元件128，用于借助于例子 存储电极段选择过程130和正交补偿过程132。将结合图10讨论电极段 选择过程130的一个例子，并且将结合图11讨论正交补偿过程132的一 个例子。数字控制器126将数字控制信号N、134输出到数模转换器 (DAC)136。DAC 136将数字控制信号134转换为模拟信号，并将模拟 电压控制信号(VDC)138传达到正和/或负的正交DC电压源110、112。 另外，DAC136可以将模拟开关控制信号(SW)140传达到开关结构 96。此后，正交控制信号(例如，正的DC电压(QCU+)142)可以被 提供给电极段90的子集，而电极段90的另一子集可以保持在与可移动 块28(由QCU-144表示)相同的电位。
本领域的技术人员将认识到，与陀螺仪20相关联的线路可另外包 括驱动模式线路146和感测模式线路148。驱动模式线路146和/或感测 模式线路148的元件可以与正交补偿系统120共享或分开设置。驱动模 式线路146和感测模式线路148中的每一个线路简单地由图9中的框表 示，并且在此不再详细描述，以免不必要地混淆正交补偿系统120的特 征。
正交读出块122包括电容-电压(C2V)单元150和正交采样器152。 电容-电压单元150连接到例如感测测量单元(未示出)的感测电极46、 48(图1)，并且被布置成提供可移动块28、30与作为感测测量电压信 号(SMV)154的感测电极46、48(例如，感测信号50)之间的电容的 测量值。在此例子中，感测测量电压信号154表示沿着感测轴26(即， Z轴)的可移动块28、30的位移。这种位移可以与由围绕输入轴22(即， Y轴)的角旋转速率引起的科里奥利力相关联。
正交采样器152可以连接到时钟采样器(未示出)以接收作为正交 采样时钟(QCLK)156的数字信号。正交采样器152被配置成从电容- 电压单元150接收感测测量电压信号154。正交采样器152被布置成用 正交采样时钟156采样感测测量电压信号154以获得模拟正交采样值 (AQV)158。模拟正交采样值158可以是模拟测量值。这样，ADC 124 被布置成将正交感测采样值158转换成数字正交值(DQV)160。数字 控制器126被配置成接收数字正交值160，以便执行电极段选择过程130 (图10)和/或正交补偿过程132(图11)，并且提供例如控制信号134。 这里描述的正交补偿系统120的架构仅仅是说明性的。本领域的技术人员将认识到，可以为正交补偿系统120的控制线路98实施许多其它架构， 其实现提供正交补偿的相同功能。
参考图1、图7和图10，图10示出可由正交补偿系统120(图9) 的数字控制器126(图9)执行的电极段选择过程130的流程图。更具体 地说，电极段选择过程130可以执行为确定应该闭合哪些开关106、108 以便选择电极段90的子集作为QCU+电极(例如，电极段90A)，并且 选择电极段90的另一个子集作为QCU-电极(例如，电极段90B)。也 就是说，为了补偿正交运动，应将偏置电压(例如，图7的正交补偿电 压102)施加到在第一可移动块28振荡时将跨过开口52的相对边缘116、 118的那些电极段90。电极段选择过程130的执行并不旨在去除现有的 正交运动。相反，电极段选择过程130的目的是找到待激活的电极段90 的最佳数量。一旦发现最佳数量的电极段90，就可以在其上设置偏置电 压，使得正交运动减少或消除。再次，随后的讨论是指与第一可移动块 28和单个开口52相关联的电极段90。然而，应当理解，讨论同样地适 用于与第一可移动块28的多个开口52相关联的电极段90和与第二可移 动块30(图1)的多个开口54相关联的电极段90。
在电极段选择过程130的框162处，驱动第一可移动块28以相对 于驱动轴34振荡。在框164处，将正交电压设置为固定的DC值。也就 是说，正的DC电压源110被设置为某个预定的DC值，使得存在对设 置在第一可移动块28上的电压的偏置或差分。在框166处，闭合开关结 构96的第一开关，所有其余的开关断开。特别参考图7，可以闭合标记 为1061的第一开关106。因此，固定的DC正交电压被施加到第一开关 1061。
接下来在框168处，测量正交值。由于围绕输入轴22的角速度未 被施加在陀螺仪20上，所以正交值通常是与驱动信号同相的感测信号 50的幅度。在框170处，至少临时存储或以其它方式保存所测量的正交 值。在框172处，电极段计数器可以通过递增E＝E+1，以便保持所选择 的电极段90的计数。当然，在电极段选择过程130的第一次迭代期间， 由电极段计数器计数的电极段90的总数将为E＝1。
在框174处，闭合开关结构96的下一个开关。下一个开关可以与 紧邻已被激活的第一电极段90的电极段相关联。特别参考图7，可以闭 合标记为1062的“下一个”开关106。在框176处，测量当前正交值(即， 与驱动信号同相的感测信号50的幅度)。在查询框178处，确定(在框 176处测量的)当前正交值与在框170处存储的其起始值相比是否已经 改变(即，增大或减小)。在某些情况下，可以在当前正交值相对于存储 的正交值超过某个阈值时检测到“改变”。如果当前正交值相对于存储 的正交值改变，那么过程控制循环回到框170以存储最新的正交值，以 在框172处增加电极计数器，并且此后闭合图7中的下一个开关(标号 为1063)。相反，如果当前正交值与先前存储的正交值相比没有显著改 变，那么框180得出结论：已经发现电极段90的最佳数量。此最佳数量 可以是框172处存储在电极计数器中的数量。此后，过程130结束。
结合确定可以被指定为QCU+电极的电极段90的数量来描述电极 段选择过程130，在QCU+电极上将施加正的DC偏置电压(例如，图7 的正交补偿电压102)以便补偿正交运动。可以重复电极段选择过程130 以确定可被指定为QCU-电极的电极段90的数量，QCU-电极将被设置 为与第一可移动块28相同的电位。电极段选择过程130的重复执行可以 需要依次闭合开关108以确定可指定为QCU-电极的电极段90的数量。 另外，可以执行附加处理以潜在的“取消选择”电极段90，其不对正交 运动补偿有显著贡献。简要地参考图8所示的例子，当电极段90相对于 开口52失准时，最右边的电极段90可能不会对正交运动补偿有显著的贡献，因为它们不会跨过边缘118。因此，在一些实施例中，可以断开 与这些电极段90相关联的开关元件108。
现在参考图9和图11，图11示出了正交误差补偿过程132的流程 图。过程132可以由正交补偿系统120的数字控制器126执行以减少或 消除集成装置84(图6)的陀螺仪20的正交运动。
在框182处，启用驱动模式线路146、感测模式线路148和正交补 偿系统120。此后，在框184处，从感测测量电压信号154提取正交误 差，所述感测测量电压信号是表示感测信号50的电压。在框186处，数 字控制器126响应于数字正交值160的接收计算可能需要的补偿量。在 框188处，调整施加到QCU+电极段90和QCU-电极段90的DC电压。 施加到所选择的电极段90的DC电压被配置成调制施加到第一可移动块 28和第二可移动块30(图1)的静电力的量值，以减少第一可移动块28 和第二可移动块30的正交运动。
在框190处，从感测测量电压信号154再次提取正交误差。在查询 框192处，确定是否已经达到最佳正交补偿设置。换句话说，在查询框 192中确定正交运动是否已被充分地减少或完全消除。当未达到最佳正 交补偿设置时，过程控制循环回到框186，以再次响应于所提取的正交 误差计算所需的补偿量。因此，过程控制提供反馈控制以便收敛到施加 到所选择的电极段的最佳电压偏置，这给出最低可能的正交误差水平。 当在查询框192中确定正交运动已经被充分地减少或完全消除时，最佳 正交补偿设置(DC偏置电压)被保存并用于正交补偿。此后，正交误 差补偿过程132结束。当然，在一些配置中，可以周期性地重复过程132 以确定保存的正交补偿设置保持最佳。
应当理解，图10到图11中描绘的某些过程框可以彼此并行执行或 与执行其它过程并行执行。此外，应当理解，图10到图11所示的过程 框的特定顺序可以被修改，并获得大致相同的结果。因此，这些修改旨 在被包括在本发明主题的范围内。
因此，已经描述了一种集成装置和用于制造所述集成装置的方法。 一种集成装置的实施例包括具有与衬底间隔开的可移动块的微机电系统 (MEMS)装置，所述可移动块被配置成相对于衬底在驱动方向上振荡。 集成装置另外包括：具有与MEMS装置耦合的表面的集成电路(IC)管 芯，使得可移动块插入在衬底与IC管芯的表面之间；以及形成在IC管 芯的表面上的电极结构，所述电极结构包括与可移动块竖直间隔开的多 个电极段。
一种制造集成装置的方法的实施例包括提供具有与衬底间隔开的 可移动块的微机电系统(MEMS)装置，所述可移动块被配置成在相对 于衬底的驱动方向上振荡。所述方法另外包括提供具有表面的集成电路 (IC)管芯，在IC管芯的表面上提供电极结构，所述电极结构包括多个 电极段，并且将IC管芯的表面与MEMS装置耦合使得可移动块和电极 结构被封闭在空腔内，所述空腔是由集成电路管芯与MEMS装置的耦合 而形成的，并且多个电极段与可移动块竖直间隔开。
一种系统的实施例包括集成装置，其包括具有与衬底间隔开的可移 动块的微机电系统(MEMS)陀螺仪，所述可移动块被配置成相对于衬 底在驱动方向上振荡。所述集成装置另外包括：具有与MEMS装置耦合 的表面的集成电路(IC)管芯，使得可移动块插入在衬底与IC管芯的表 面之间；以及形成在IC管芯的表面上的电极结构，所述电极结构包括与 可移动块竖直间隔开的多个电极段。所述系统另外包括用于提供正交补 偿电压的控制线路，其中多个电极段中的每一个电极段选择性地连接到 控制线路，以便将正交补偿电压施加到所选择的电极段中，正交补偿电 压被配置成调制施加到可移动元件的静电力的量值以减少可移动块的正 交运动。
因此，实施例包括一种集成装置，其包括与例如CMOS管芯的IC 管芯竖直接合的MEMS装置，以及用于制造所述集成装置的制造方法。 电极结构形成在IC管芯的面向MEMS装置(例如，MEMS陀螺仪)的 可移动块的表面上。电极结构包括通过CMOS管芯上的布线层连接到开 关结构和有源电路的多个电极段。有源电路可用于选择性地激活或去激 活特定电极段以实现与MEMS装置的可移动块的有利的相互作用。也就 是说，电极段可用于向MEMS装置的可移动块施加静电力，以便补偿正 交运动。另外，可以激活特定的电极段以便补偿IC管芯与MEMS装置 之间的接合失准。此外，可以选择性地激活电极段以便通过经由有源电 路切换电极段上的电压偏置电平来允许增量静电力的增大或减小。
本公开旨在说明如何制定和使用根据本发明的各种实施例，而不是 限制其真实的、预期的和公正的范围及其精神。前述描述并不旨在是穷 尽性的或将本发明限制为所公开的精确形式。根据上述教导，修改或变 化是可能的。选择和描述实施例以提供本发明的原理及其实际应用的最 佳图示，并且使本领域的普通技术人员能够以各种实施例以及用适合于 所设想的具体用途的各种修改来利用本发明。所有这些修改和变化在所 附权利要求书(其可以在本专利申请的在审期间进行修改)以及根据公 正、合法以及平等授权的宽度进行解释的其所有等效方案所确定的本发 明的范围内。

Claims (10)

1.一种集成装置，其特征在于，包括：
微机电系统MEMS装置(20)，所述微机电系统MEMS装置(20)具有与衬底(32)间隔开的可移动块(28、30)，所述可移动块(28、30)被配置成相对于所述衬底(32)在驱动方向(34)上振荡；
集成电路IC管芯(62、86)，所述集成电路IC管芯(62、86)具有与所述MEMS装置(20)耦合的表面(64、88)，使得所述可移动块(28、30)插入在所述衬底(32)与所述IC管芯(62、86)的所述表面(64、88)之间；以及
电极结构(82)，所述电极结构(82)形成在所述IC管芯(62、86)的所述表面(64、88)上，所述电极结构(82)包括与所述可移动块(28、30)竖直间隔开的多个电极段(90)。
2.根据权利要求1所述的集成装置，其特征在于，
所述可移动块(28、30)和所述电极结构(82)被封闭在空腔(68、92)内，所述空腔(68、92)是通过将所述集成电路管芯(62、86)与所述MEMS装置(20)耦合而形成的。
3.根据权利要求1或2所述的集成装置，其特征在于，
所述多个电极段(90)与所述可移动块(28、30)的第一侧(74)竖直间隔开，并且
所述集成装置进一步包括：
感测电极(46、48)，所述感测电极(46、48)形成在所述衬底(32)上并与所述可移动块(28、30)的第二侧(76)竖直间隔开，所述第二侧(76)与所述第一侧(74)相对。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的集成装置，其特征在于，
所述可移动块(28、30)包括至少一个开口(52)，所述至少一个开口(52)延伸穿过所述可移动块(28、30)并且被所述可移动块(28、30)完全包围，并且
所述电极段(90)的至少一部分覆盖所述至少一个开口(52)，
其中所述电极段(90)中覆盖所述至少一个开口(52)的所述至少一部分的重叠面积随着所述可移动块(28、30)在所述驱动方向(34)上振荡而改变。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的集成装置，其特征在于，
所述多个电极段(90)中的每一个电极段具有近似垂直于所述驱动方向(34)朝向的纵向尺寸(94)。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的集成装置，其特征在于，进一步包括：
控制线路(98)，所述控制线路(98)用于提供正交补偿电压(102)，
其中所述多个电极段(90)中的每一个电极段选择性地连接到所述控制线路(98)，以便将所述正交补偿电压(102)施加到所述电极段(90)中的所选择的电极段。
7.根据权利要求6所述的集成装置，其特征在于，进一步包括：
开关结构(96)，所述开关结构(96)形成在所述IC管芯(62、86)的一个或多个布线层中，所述多个电极段(90)中的所述每一个电极段能够独立地与所述开关结构(96)互连，并且所述开关结构(96)能够将所述电极段(90)中的独立电极段选择性地连接到所述控制线路(98)。
8.根据权利要求7所述的集成装置，其特征在于，
经由所述开关结构(96)连接到所述控制线路(98)的所述电极段(90)的数量被配置成响应于所述施加的正交补偿电压(102)调制施加到所述可移动块(28、30)的静电力的量值。
9.一种用于制造集成装置的方法，其特征在于，包括：
提供具有与衬底(32)间隔开的可移动块(28、30)的微机电系统MEMS装置(20)，所述可移动块(28、30)被配置成相对于所述衬底(32)在驱动方向(34)上振荡；
提供具有表面(64、88)的集成电路IC管芯(62、86)；
在所述IC管芯(62、86)的所述表面(64、88)上提供电极结构(82)，所述电极结构(82)包括多个电极段(90)；以及
将所述IC管芯(62、86)的所述表面(64、88)与所述MEMS装置(20)耦合，使得所述可移动块(28、30)和所述电极结构(82)被封闭在空腔(68、92)内，所述空腔(68、92)是通过将所述集成电路管芯(62、86)与所述MEMS装置(20)耦合而形成的，并且所述多个电极段(90)与所述可移动块(28、30)竖直间隔开。
10.一种系统，其特征在于，包括：
根据权利要求1到8中任一项所述的集成装置，以及
控制线路(98)，所述控制线路(98)用于提供正交补偿电压(102)，
其中所述多个电极段(90)中的每一个电极段选择性地连接到所述控制线路(98)，以便将所述正交补偿电压(102)施加到所述电极段(90)中的所选择的电极段，所述正交补偿电压(102)被配置成调制施加到所述可移动块(28、30)的静电力的量值，以减少所述可移动块(28、30)的正交运动。
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