CN108027241A - 用于微机电装置的电极 - Google Patents

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Abstract

一种微机电装置结构包括支承结构晶片(310)。在支承结构晶片中的腔内形成腔电极(130)。腔电极形成从腔的基部朝向功能层(300)的突出结构，并且腔电极连接至限定电位。腔电极包括在支承结构晶片中的腔内的硅柱，该硅柱部分地或完全地被腔包围。可以使用一个或多个腔电极来调节在功能层内发生的振荡的频率。

Description

用于微机电装置的电极
技术领域
本发明涉及如独立权利要求的前序部分所限定的微机电装置。提出了一种作为这种微机电装置的具体示例的陀螺仪。
背景技术
微机电系统或MEMS可以被定义为小型的机械和机电系统，其中至少一些元件具有机械功能。由于MEMS装置是用与制造集成电路相同的工具制造的，因此甚至可以在同一硅片上制造微机械和微电子器件，以实现先进的装置。
MEMS结构可以应用于快速且准确地检测物理特性的微小变化。例如，微机电陀螺仪可以应用于快速且准确地检测非常小的角位移。运动具有如下的六个自由度：三个正交方向的平移和三个正交轴的旋转。后三者可以通过也被称为陀螺仪的角速度传感器测量。MEMS陀螺仪利用科里奥利效应来测量角速度。当质量体在一个方向上移动并施加旋转角速度时，由于科里奥利力的作用，质量体在正交方向上受力。然后可以用例如电容的、压电的或压阻的感测结构来读取所产生的由科里奥利力引起的物理位移。
在MEMS陀螺仪中，由于缺乏适当的轴承，主要运动通常不像常规陀螺仪那样连续旋转。相反，机械振荡可以用作主要运动。当振荡的陀螺仪受到与主运动方向正交的角运动时，会产生波动的科里奥利力。这产生与主运动以及角运动的轴正交并且在主振荡的频率处的次振荡。这个耦合振荡的幅度可以用作角速度的度量。
陀螺仪是非常复杂的惯性MEMS传感器。陀螺仪设计中的基本挑战是科里奥利力非常小并且因此与陀螺仪中存在的其他电信号相比所产生的信号往往是极小的。假性响应和对振动的敏感性困扰许多MEMS陀螺仪设计。
在先进的现有技术MEMS陀螺仪设计中，例如在US 7,325,451中描述的设计，外部施加的角速度被配置成引起两个平行定位的平面震动质量体相反相位的运动。这种运动可以用线性电容梳状电极来检测。由于具体的现有技术配置的围绕Z轴的主要运动和围绕X轴的检测运动的明确的振荡方向，主要模式振荡和检测模式振荡被有效地保持分开，从而已经提供了一种对外部冲击高度不敏感的稳固的传感器结构。
在诸如陀螺仪之类的感测装置或任何其他类型的微机电传感器的绝缘体上腔硅(CSOI)MEMS装置中，被称为结构晶片的硅层——即功能层——被图案化以形成微机电传感器装置的大部分功能部件。这样的功能部件可以包括例如诸如震动质量体的能移动的部件、用于引导运动的弹簧和梁、诸如电容梳状结构的激励和检测结构及其电连接件。梳状结构可以仅部分地移动，例如梳的一半是移动电极(转子电极)，另一半形成固定电极(定子电极)。另外，可以在功能层中形成不能移动的支承结构，例如悬挂结构(锚定件)。也被称为衬底的处理晶片通常形成对MEMS装置的机械刚性支承结构。在常规的MEMS装置中，处理晶片是装置的电无源(electrically passive)部分。通常，固定到衬底(也称作处理晶片)的盖或帽封装MEMS装置结构，使得衬底和帽一起形成保护MEMS传感器装置不受外部条件影响的外壳。可替选地，功能层可以包括固定框结构，该固定框结构为由衬底和帽形成的壳体提供壁。MEMS装置的功能部件可能需要环境保护，其不限制结构的能移动部件的移动。例如，在上述结构中，运动质量体和激励结构处于被围绕在处理晶片和帽晶片之间的功能层中，并且在处理晶片和/或帽晶片中经常产生腔以便允许结构晶片的能移动部分移动而不与保护帽和/或衬底接触。常规的加速度计和陀螺仪被认为是最简单的MEMS装置之一，因为它们与外界没有机械接触。
在预期的功能状态下，陀螺仪的主模式振荡频率和次检测模式振荡频率基本上重合。然而，由于制造过程中的非理想特性，所述振荡模式中的任一者或两者可能经受相对预期的振荡频率的一些偏差，使得这些模式的频率不完全一致，这导致陀螺仪功能性的问题。可以对所述振荡模式中的任一者或两者的谐振频率进行电调节，使得两个振荡模式基本重合。这种调节可以通过使用与要调节的振荡模式的方向正交放置的电容电极来实现。然后，电容电极之间的静电力主要处于要调节的振动模式的方向。本质上的重合在此意味着两种模式的频率分离大致在0Hz到100Hz的范围内。通常，频率的调节是使用功能层中的平行板梳或者将平面金属电极放置到在帽晶片来实现的。美国专利申请US2008016838提出了在帽晶片上的金属电极。
美国专利申请US2004021403提出了一种压电谐振器，其具有如下布置：通过向位于SOI衬底的处理层和谐振器本体之间的电容器施加DC电压来微调中心频率。通过蚀刻掉平面处理层和谐振器本体两者之间的氧化物层而在平面处理层和谐振器本体之间产生间隙，从而可电调节调谐效果。
如本领域技术人员所知，用于实现电容频率调节的功能原理可以基于由具有不同电位的两个电极之间的电容变化引起的静电效应。一个电极可以是静止的，而另一个电极可以是移动的，即附着到移动质量体，或者由移动质量体组成。我们将这种移动电极称为可动电极。当两个电极之间的相对距离改变时，两个电极之间的电容将改变，这进而导致两个电极之间的静电力改变。可以通过控制两个电极之间的电位差动态地调节这个力。在通常的情况下，将DC偏置电压馈送到至少一个电极以调节振荡的频率。
使用平行板梳以电容方式调节频率的问题在于，它们需要相对较大的硅面积，从而使功能元件变得较大，使得整个传感器装置变得大且笨重。而且由于外力使得频率调节更不精确，所以大量的平行梳状件通常更容易受其位置变化的影响。另外，由于制造过程的非理想性，平行板梳状件齿间隙可能在制造上有变化，导致调节频率所需的静电力的更多变化。将平面金属电极放置到帽晶片的问题在于，这可能需要对帽晶片的另外的处理步骤。使用附接至帽晶片的金属电极的问题是帽晶片通常更容易受到封装引起的失真的影响，使得频率调节更不精确。另外，在一些制造工艺中，帽晶片间隙在制造中变化更大，从而导致调节频率所需的静电力的更多变化。使用处理晶片的平坦表面作为微调电容器电极与移动电极相比缺乏调节电容器尺寸和位置的能力，因此缺乏调节频率调节的灵敏度的能力。此外，处理晶片与能移动部件之间的距离非常小，导致两个电极相互接触或者甚至相互粘连的风险。
发明内容
微机电装置的功能层是指装置的包括至少装置的移动部件的层。
术语支承结构晶片是指处理晶片和/或帽晶片。支承结构晶片形成功能层的机械刚性支承结构。支承结构晶片可以包括诸如硅晶片的单一均质材料层，或者其可以包括通过机械刚性的、基本上非柔性的绝缘材料层彼此附接的不止一个的均质晶片层和层部分。这种用于硅晶片的绝缘材料层的示例是二氧化硅层。支承结构晶片在具有绝缘材料层的层和/或层部分中的划分允许单独地调节这些部分的电位。
术语基底层指的是形成水平划分的支承结构晶片的机械稳定且刚性的部分的层，该层与功能层远离对齐。基底层的表面可以形成微机电装置的平坦的外表面。术语顶层是指水平划分的支承结构晶片的层，其朝向微机电装置的功能层对齐，因此位于基底层和功能层之间。结构晶片的顶层可以包括与功能层的至少一些部件电相互作用的功能部件。应该理解的是，术语基底层和顶层由层相对于微机电装置的功能层和外表面的位置限定，并且不应该理解为如此限制层的定向。
术语腔是指诸如硅晶片的基本上平坦的晶片的表面上的凹陷区域。腔可以在晶片的表面形成凹部(basin)。可以在支承结构晶片的表面形成腔。如果支承结构晶片被水平划分，则可以在顶层的面处形成腔。
本发明的目的是提供一种装置和方法，以克服现有技术的缺点。本发明的目的通过根据权利要求1的特征部分的微机电装置结构来实现。
在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。
本发明基于制造在支承结构晶片内的用于微机电装置的腔电极的构思。这些腔电极可以用于调节装置内的运动质量体的振荡频率。
根据第一方面，提供了一种微机电装置结构，该微机电装置结构至少包括包含第一材料的支承结构晶片；功能层；以及由与第一材料相似的第二材料制成的腔电极。腔电极形成在支承结构晶片中的腔内。腔电极与支承结构晶片的至少一部分电连接。腔电极和支承结构晶片的至少一部分被配置成连接至限定电位。
根据第二方面，腔电极形成其中形成有腔电极的支承结构晶片的至少一部分的基本上均质的结构材料层的一体的部分。
根据第三方面，腔电极包括从腔的基部朝向功能层的突出结构。
根据第四方面，腔电极包括在腔内的至少部分地包含在支承结构晶片的至少一部分中的硅柱。
根据第五方面，腔电极设置成用作平行板电容器的电极，并且平行板电容器的可动电极与在装置的功能层中的基本上平面的能移动元件相关联。
根据第六方面，平行板电容器被设置成用于调节在微机电装置中发生的机械振荡的频率。
根据第七方面，调节频率是通过以下方式中至少一者来实现的：i)调节腔电极的电位，以及ii)调节布置在功能层中的可动电极的电位。所述频率能够通过改变平行板电容器的两个电极之间的相对DC电位调节。
根据第八方面，所述腔电极被配置成通过布置在所述支承结构晶片的所述至少一部分与所述功能层之间的至少一个导电插塞连接至设定电位。所述至少一个导电插塞延伸穿过在所述支承结构晶片的所述至少一部分与所述功能层之间的绝缘材料层。
根据第九方面，腔电极被配置成通过布置在支承结构晶片的基底层与支承结构晶片的顶层之间的至少一个导电插塞连接至设定电位。所述至少一个导电插塞延伸穿过在支承结构晶片的基底层与顶层之间的绝缘材料层。
根据第十方面，支承结构晶片包括处理晶片和帽晶片中至少一者。
根据第十一方面，所述装置结构包括电连接至相同电位的至少两个腔电极。
根据第十二方面，所述装置结构包括至少两个腔电极，所述至少两个腔电极能通过至少两个导电插塞电连接至至少两个不同的电位，并且相应的支承结构晶片被电隔离结构材料层划分成至少两个部分，所述至少两个部分包括用于能电连接至不同的电位的每个腔电极的至少一部分。
根据第十三方面，在功能层内形成的至少一个检测电极被放置在腔电极上，所述至少一个检测电极通过绝缘材料层与腔电极电隔离。
根据第十四方面，形成在功能层内的至少一个悬挂结构被放置在腔电极上，所述至少一个悬挂结构通过绝缘材料层与腔电极电隔离。
根据第十五方面，该装置包括传感器。
根据第十六方面，该装置包括陀螺仪。
根据另一方面，一种调节在微机电装置中发生的机械振荡的频率的方法，所述方法包括：提供根据上述方面中的任一方面的微机械装置结构；以及调节机械振荡的频率。所述调节包括以下至少一者：调节腔电极的电位；以及调节布置在功能层中的可动电极的电位。所述频率能够通过改变平行板电容器的两个电极之间的相对DC电位调节。
本发明提供的优点是，在支承结构晶片内形成的腔电极是机械稳定的，这使得与在功能层内具有电极或在帽晶片中具有金属电极的已知解决方案相比，频率调节稳定并且不易受由元件封装引起的失真的影响，因此微机电传感器元件的谐振频率可以被精确地调节。特别地，已知的是处理晶片是机械稳定的刚性结构，因此提供了用于放置腔电极的优选选择。然而，在一些制造工艺中，帽晶片可以是足够刚性且稳定的以用作腔电极的定位，并且在一些实施方式中，可以增加帽晶片的厚度以使其更适合于腔电极的放置。此外，可以将功能层的诸如被称为锚定点的悬挂结构之类的机械或电功能元件以及检测电极放置在腔电极上(上方或下方)，而不电(电流)接触至腔电极。在腔电极和功能元件之间设置绝缘材料层，用于将之后被称为隔离的功能元件的功能元件与腔电极电隔离。为简单起见，我们将使用术语“在……上”来指示这种结构的堆叠，即使至少一个诸如绝缘体材料层的材料的中间层可能设置在其间，也是如此。如果在腔电极上创建这种隔离的功能元件，则可以经由相对的晶片向隔离的功能元件提供电流接触。如果隔离的功能元件位于处理晶片上，则可以从帽晶片侧提供电接触，并且如果隔离的功能元件位于帽晶片上，则可以从处理晶片侧提供电接触。这种电流接触可以用于例如获得用隔离的检测电极检测到的电信号。另一方面，如果放置在腔电极上的隔离功能元件是锚定结构或悬挂结构，则不需要电气/电流连接。
提出的使用至少一个腔电极的解决方案提高了来自已知解决方案的功能层中的元件的可实现的平面外运动的品质因数(Q值)。通过适当选择腔电极的位置和/或尺寸，可以调节频率调节的有效性，并且可以避免功能部件移动期间电极之间的不希望的接触和电极粘连。
附图说明
下面将参照附图结合优选的实施方式更详细地描述本发明，其中：
图1a示出了主运动中的陀螺仪结构。
图1b示出了次运动中的同一陀螺仪结构。
图2示出了具有腔电极的陀螺仪结构。
图3示出了包括腔电极的第一示例性微机电传感器装置的截面。
图4示出了包括可具有相互不同的电位的腔电极的第二示例性微机电传感器装置的截面。
图5示出了包括可具有相互不同的电位的腔电极以及胶合的帽晶片的第三示例性微机电传感器装置的截面。
图6示出了具有腔和多个腔电极的处理晶片。
图7示出了具有腔和腔电极的处理晶片。
图8示出了包括在处理晶片和帽晶片两者中的腔电极的第四示例性微机电传感器装置的截面。
具体实施方式
在所公开的实施方式中，将示出在处理晶片中设置一个或多个腔电极的解决方案。可以在帽晶片中可选地设置类似的腔电极结构，其可以通过上下颠倒该结构来示出。尽管这些实施方式仅仅是说明性的，但是这些尺寸可以与实际的物理装置的尺寸不同。
图1a和图1b示出了可以应用于本发明的示例性陀螺仪结构的功能层。图1a示出了这种陀螺仪结构的示例性主运动，图1b示出了次运动。为了说明的目的，已经对质量体的运动的幅度进行了夸大，使一些质量体特别是在主运动中似乎交叠。在实际的装置中，实际的运动幅度(振幅)较小，因此同一平面上的元件不发生交叠。
示例性陀螺仪结构包括平面第一震动质量体(100a)、平面第二震动质量体(100b)和设置有用于将第一震动质量体(100a)和第二震动质量体(100b)悬挂在另一本体元件(未示出)上的悬挂结构(102a，102b)的第一弹簧结构(101a，101b)，其中第一震动质量体(100a)的平面和第二震动质量体(100b)的平面形成装置的参考平面。该参考平面对应于处于静止状态时——即不被激励以进行任何移动时——的质量体的平面。所述另一本体元件可以是例如处理晶片或帽晶片。两个震动质量体(100a，100b)相对于彼此平行地定位：在静止时，其较长的边缘基本上沿着被非零距离分开的两个平行轴(y，y')对齐。
微机电陀螺仪结构还包括激励装置(110)和第一检测装置(120)。在当前的示例中，激励装置(110)包括电容线性梳状结构。图1a和图1b仅示出了激励线性梳状结构的移动的一半，而为了清楚的原因，未示出形成线性梳状结构的配对固定电极的梳状件的固定部分。本领域技术人员了解激励梳状件是如何运行的。代替这种线性梳状结构，可以使用压电元件进行激励。如本领域技术人员所熟知的，压电激励通常通过附接至弹簧的激励装置来发生。
第一弹簧结构包括：在第一震动质量体(100a)的平面内的第一悬挂结构(102a)，其用于将第一震动质量体(100a)附接至另一本体元件，例如处理晶片或帽晶片；以及第一弹簧组件(101a)，其附接在也被称为锚定件或锚定点的第一悬挂结构(102a)与第一震动质量体(100a)之间，其中第一弹簧组件(101a)能够使第一震动质量体(100a)围绕垂直于所述装置的平面的第一激励轴线(z)旋转振荡。第一弹簧结构还包括：在第二震动质量体(100b)的平面内的第二悬挂结构(102b)，其用于将第二震动质量体(100b)附接至另一本体元件，例如处理晶片或帽晶片；以及第二弹簧组件(101b)，其附接在也被称为锚定件或锚定点的第二悬挂结构(102b)与第二震动质量体(100b)之间，其中第二弹簧组件能够使第二震动质量体(100b)围绕垂直于所述装置的平面的第二激励轴线(z')旋转振荡。为了便于观察，已经在图中标出第一激励轴(z)和第二激励轴(z')的大致位置。第一激励轴(z)和第二激励轴(z')在装置的平面(xy平面)内以非零距离分开。
第一弹簧组件还能够实现第一震动质量体(100a)围绕位于设备的平面内的第一检测轴线(x)的旋转振荡，并且第二弹簧组件还能够实现第二震动质量体(100b)围绕位于设备的平面内的第二检测轴线(x')的旋转振荡。第一检测轴线(x)和第二检测轴线(x')与共同的第二轴线(未标记)对齐。这种旋转振荡可以被称为由科里奥利效应引起的陀螺仪的次振荡。次振荡如图1b所示。
激励装置(110)被配置成驱动第一震动质量体(100a)和第二震动质量体(100b)以分别围绕第一激励轴线和第二激励轴线(z，z')以相反的相位振荡。
检测装置(120)被配置成检测第一震动质量体(100a)围绕第一检测轴(x)的旋转振荡和第二震动质量体(100b)围绕第二检测轴(x')的旋转振荡。优选地，第一震动质量体和第二震动质量体的旋转振荡处于相反的相位。
在所给出的示例性装置中，利用线性梳状结构(110)实现了激励动作，并且还利用线性梳状结构实现了主振荡和次振荡的检测动作。当两个震动元件(100a，100b)的激励振荡和检测振荡都以相反的相位发生时，该陀螺仪中的检测可以是完全不同的，这使得能够对冲击和振动具有高的容限，并且使得该装置对于由设备封装引起的干扰不敏感。
图1a示出了示例性陀螺仪装置的主振荡。第一震动质量体和第二震动质量体(100a，100b)的主振荡由激励装置(110)驱动，这使得激励框(105)基本上在装置的平面中在y轴方向上基本线性振荡。布置在激励框(105)与第一震动质量体和第二震动质量体(100a，100b)之间的多个弹簧将激励框(105)的振荡耦合到振动质量体(100a，100b)，同时改变所引起的震动质量体(100a，100b)的主振荡的轴线，使得它们的主振荡分别基本上围绕预期的主轴线(z，z')发生。
图1b示出了在主振荡时影响第一震动质量体和第二震动质量体(100a，100b)的由科里奥利力引起的陀螺仪装置的次振荡。联接在第一震动质量体(100a)和第二震动质量体(100b)之间的联接杆(108)使震动质量体(100a，100b)的次振荡的相位基本上彼此相反。
尽管经过精心设计，但是图1a和图1b中描述的陀螺仪可能存在问题，即震动质量体(100a，100b)的主振荡和次振荡的频率不相同，而是由于制造过程的非理想性而向频率引入了离差(dispersion)。这进而可以引起增益变化和偏移中的至少一者。通过引入腔电极获得了解决这个问题的办法，这可以用来调节次振荡的频率。通过电容电极在z轴方向上引起静电力，可以减小次振荡的频率，使得两个频率基本相同。
图2示出了具有调节震动质量体(100a，100b)的z轴定向振荡频率的能力的陀螺仪元件。换言之，腔电极用于调节在装置晶片的平面外发生的振荡的频率。这种能力是通过引入多个腔电极(130a，130b，130c，130d)从而能够对检测运动的频率进行电气调节来实现的。腔电极(130a，130b，130c，130d)的材料优选是导电的。在图2中，在功能层(300)下方的处理晶片中形成的示例性腔电极(130a，130b，130c，130d)的位置在陀螺仪元件的每个角附近用灰色区域标记。充当固定电极的每个腔电极(130a，130b，130c，130d)形成具有可动电极的可调电容元件，该可动电极由位于腔电极上方的震动质量体的区域或附接至震动质量体(100a，100b)的平面电极的区域形成，使得两者在实践中形成平行板电容器。如果没有单独的电极附接至震动质量体(100a，100b)，则与相应的腔电极(130a，130b，130c，130d)共位(交叠)的震动质量体的区域用作平行板电容器的可动电极。如果电极附接至震动质量体(100a，100b)，则与相应的腔电极(130a，130b，130c，130d)共位(交叠)的附接电极的区域形成电容器的可动电极。我们将使用术语可动电极来指代与震动质量体(100a，100b)相关联并随之移动的电极，例如根据任一上述布置，或者用于将可动电极与功能层(300)内的震动质量体相关联的任何可替选的布置，其中可动电极根据震动质量体的移动而移动。频率的调节是通过调节由可动电极和腔电极形成的平行板电容器的两个电极之间的电位差来实现的。可以在一个陀螺仪中引入多个平行板电容器。为了在相应的震动质量体(100a，100b)上产生对称的力，腔电极(130a，130b，130c，130d)优选对称地放置在它们用于进行调节的振荡轴线的相反侧上。在这个示例中，腔电极130a和130c相对于x轴与x轴相距等长距离地对称地放置在第一震动质量体(100a)的下方，腔电极130b，130d相对于x'轴与x'轴相距等长距离地对称地放置在第二振荡质量体(100b)的下方。
在一个实施方式中，可以将固定腔电极(130a，130b，130c，130d)设置为地电位(0V)，并且为了频率调谐目的而对移动的震动质量体(100a，100b)侧上的电极的DC电位进行调节。这种布置的好处是，虽然腔电极(130a，130b，130c，130d)是处理晶片的形成元件外表面的主要部件的部件，但在装置的外表面上没有可见的非零DC电位。然而，为了频率调节的目的，只有两个电极之间的相对电位是重要的，并且每个腔电极(130a，130b，130c，130d)的电位可以被交替地设置为任何电位。每个电容电极对的两个或任一个电极的电位可以制作成可调节的。当固定腔电极和可动电极之间的电位差不变时，两个电极之间的力根据两个电极之间的距离而改变。
在所描述的平行板电容器布置中，谐振器的频率f0e与平行板电容器电极之间的电位的平方成比例，如下所示：
其中，f0是振荡器的固有频率，avcf是频率的电压系数，并且V是电位差。
在所描述的布置中，平行板电容器的平板电极由在与震动质量体的平面对齐的两个不同平面中的两个基本上平面的电极形成，并且由该电容器引起的力具有垂直于震动质量体/平板电极的平面的方向(z，z')。因此，平行板电容器产生影响在装置的平面(由装置层形成的平面)之外发生的检测(次)振荡的力，并且调节电极的相对电位将改变检测振荡的频率。当激励振荡发生在电容器的极板的平面的方向上，即在震动质量体平面中时，平行板电容器的变化不会改变主(激励)振荡(围绕z轴和Z'轴)的频率。
在可替选装置中，驱动振荡和检测振荡的方向可以有不同的选择：如果驱动振荡发生在震动质量体平面外的z轴方向上，则平行板电容将影响驱动振荡的频率。可以理解的是，在由具有与震动质量体的平面相似的方向的腔电极(130a，130b，130c，130d)形成的平面电容器的电极与在震动质量体的平面中由平面震动质量体形成或有效地附接至平面震动质量体的电极之间引起的电位将产生影响震动质量体(100a，100b)的垂直于两个电极的平面(xy)的方向的运动的力，并且这个力可以用于调节震动质量体(100a，100b)的运动的频率。
示例性设计还包括位于功能层中的相应腔电极(130a，130b，130c，130d)的区域内的另外的感测电极(140a，140b，140c，140d)。腔电极布置允许在腔电极(130a，130b，130c，130d)上放置(电的或机械的)另外的功能部件。在这个示例中，次感测电极(140a，140b，140c，140d)被布置在每个腔电极(130a，130b，130c，130d)上，并且与腔电极(130a，130b，130c，130d)电隔离，即与腔电极(130a，130b，130c，130d)没有电流连接。次感测电极是隔离功能元件的一个示例。隔离可以基于腔电极与放置在腔电极上的相应的次感测电极之间的绝缘材料层。这样的布置允许装置设计节省所需的硅面积。可以在腔电极(130a，130b，130c，130d)上放置悬挂结构来代替感测电极。这种解决方案将为装置的功能层的设计带来更多的灵活性。
在所描述的示例性陀螺仪中，激励振荡可能经历由旋转的质量体在腔电极上方的震动质量体的平面内的移动引起的一些正交运动，从而导致对激励振荡的相位的次信号分量。对激励振荡中的正交运动的这种微小的增加可以以范围之外的其他已知的方式补偿，因此这里不再描述。
图3示出具有腔电极(130)的微电子装置的第一示例性截面。腔电极(130)包括位于震动质量体下方的突出结构，例如处理晶片上的硅柱。如前所述，这些腔电极包括导电材料。在实施方式中，腔电极的材料包括与其中形成有腔电极(130a，130b，130c，130d)的支承结构晶片的材料类似的材料。每个腔电极(130)形成从诸如处理晶片(310)的支承结构晶片的面上的腔(135)的基部(base)朝向功能层(300)的突出结构。硅柱的位置、形状和大小是完全可调的。此外，功能层(300)与腔电极(130)之间的间隙是完全可调的，因为形成腔电极(130)的硅柱的高度和功能层内的结构的厚度和/或凹陷在制造过程中也是可调的。可以例如在蚀刻工艺中当在处理晶片中形成腔时用去除硅柱周围的材料的工艺来制造这些硅柱，或者可以通过对处理晶片进行表面微加工来构建柱，添加材料层以在腔区域内形成硅柱。
在常规的MEMS装置中，处理晶片(310)是电无源机械结构，其不连接至任何特定电位，而是具有浮置电位。处理晶片(310)与功能层(300)之间的绝缘硅氧化物层(320)将两者电分离。通过在包括在功能层(300)中的至少一个结构元件与处理晶片(310)之间引入至少一个导电插塞结构(330)，处理晶片(310)可以连接至限定电位(V1)。至少一个导电插塞结构(330)可以延伸穿过绝缘材料层，诸如功能晶片(300)和处理晶片(310)之间的硅氧化物层(320)。帽(350)覆盖功能层(300)。在功能晶片(300)下方的处理晶片(310)上形成的一个或多个腔电极(130)必须与装置晶片(300)的能移动元件在能移动元件下方形成的腔(135)内具有合适的距离，从而允许能移动元件进行振荡运动所需的空间。应该理解的是，在该截面中示为不同腔(135)的区域实际上可以是围绕至少一个腔电极(130)的同一腔的一部分。另一方面，腔电极(130)可以仅被腔(135)部分地包围。腔电极(130)可以通过至少一个导电插塞(330)连接至限定电位(V1)，可以相对于该限定电位(V1)调节由能移动元件形成或附接至能移动元件的电极的电位。在该示例中，包括具有至少一个腔电极(130)的腔(135)的处理晶片(310)因此也连接至相同的限定电位(V1)。应该注意的是，这种导电插塞(330)不必直接联接到腔电极(130)本身，而是可以连接至支承结构晶片的与腔电极(130)电连接的部件内的任何地方。这些电位之间的差异引起可用于调节振荡频率的力。
在另一实施方式中，功能层的另外的功能元件(340)可以机械地附接在腔电极(130)上。优选地，绝缘材料层(330)存在于腔电极(130)与另外的功能元件(340)之间，使得功能元件(340)与腔电极(130)电隔离。例如，功能元件(340)可以是可以将放置在腔电极(130)上的感测电极(140)或用于悬挂例如震动质量体的任何功能元件的悬挂结构(即，102a，102b)。
在一个实施方式中，整个处理晶片连接至相同的电位。
图4示出了第二实施方式，并且更具体地示出了具有腔电极(130a，130b)的微电子装置的简化示例性截面。在该第二实施方式中，处理晶片(310)被分成至少两个电隔离部分，该两个电隔离部分可以连接至不同的电位(V1，V2)。以这种方式，由传感器装置的不同部分中具有不同电位差的腔电极(130a，130b)引起的影响装置的移动元件的力可以彼此不同。
在图4所示的实施方式中，处理晶片(310)已被划分成至少三个主处理晶片部分(310a，310b，310c)，其通过诸如二氧化硅的电绝缘材料层(320)彼此电隔离。可以选择任何其他合适的隔离材料。划分的处理晶片(310)可以包括至少两个层：形成用于处理晶片的平坦的、电隔离的和机械刚性的本体的基底层(310c)；以及由至少两个顶层部分(310a，310b)形成的顶层，其中的任何一个或每个可以包括任意数量的腔(135)和腔电极(130a，130b)。如图4所示，这些电分离的顶层部分(310a，310b)中的每个可以分别与至少一个导电插塞(330a，330b)电连接以限定电位。因此，腔电极(130a，130b)可以具有相互不同的电位。包括其中具有至少一个腔电极(130a；130b)的腔(135)的至少一部分的处理晶片(310a；310b)的一部分因此连接至与相应腔电极(130a；130b)相同的限定电位。处理晶片(310)的两个顶层部分(310a，310b)的电位可以相互相同或者可以不同。应该注意的是，在图中没有示出与用于向导电插塞(330a，330b)分配电位的帽晶片(350)相关的布置。
如图4所示的被划分的处理晶片(310)结构可以通过将两个平面元件晶片彼此附接来制造。制造过程包括用于将两个分离的顶层部分(310a，310b)彼此电分离的步骤。例如，制造过程可以包括产生在顶层的整个厚度上沿垂直维度延伸的凹槽，以便将形成顶层的晶片层划分成对应于所述电分离的顶层部分(310a，301b)的部分；以及用绝缘材料填充该凹槽。可以用本领域技术人员已知的任何工艺来实现将顶层(310a和310b)与基底层(310c)附接以形成处理晶片(310)。例如，可以使用熔接工艺。基底层和顶层的附接可以在将顶层划分成电分离的顶层部分之前或之后发生。
图5示出了具有腔电极(130a，130b，130c)的微电子装置的第三简化示例性截面。如在第二实施方式中那样，在该第三实施方式中，处理晶片(310)也被分成至少两个电隔离部分，其可以连接至不同的电位。以这种方式，可以使由传感器装置的不同部分中具有不同电位差的腔电极(130a，130c；103b)引起的力彼此不同。
在图5的实施方式中，腔电极(130c)之一没有被腔完全包围，而是电极部分地附接至处理晶片(310)。然而，优选地，腔电极(130)从至少两侧被腔(135)环绕。以类似的方式，尽管在该示例中没有示出，但是两个腔电极(130)可以彼此连接。
图5还示出了一种实施方式，其中用胶层(360)、玻璃或能够将硅晶片层彼此附接并且将装置的能移动部件与外部环境气密密封的任何其他合适的材料将帽晶片(350)附接至装置晶片(300)。
图6示出了具有腔(135)和四个腔电极(130a，130b，130c，130d)的处理晶片(310)的立体图。除了没有示出悬挂结构(锚定件)之外，这可以被认为代表图2中的处理晶片(310)。腔电极(130a，130b，130c，130d)的位置、形状和尺寸可以被调节。在上面的材料层中与可动电极横向交叠的腔电极(130a，130b，130c，130d)的面积的大小将直接影响两个电极之间的电容力。在y轴方向上移动腔电极(130a，130b，130c，130d)将改变由转子电极和相应的腔电极(130a，130b，130c，130d)之间的静电力引起的有效力。这是因为在该示例性布置中，由力引起的动量的轴的长度将沿着y轴线改变。只要腔电极(130a，130b，130c，130d)完全保持在包括转子质量体和附接至其上的电梳的转子电极的下方，沿着x轴线移动腔(135)内的腔电极(130a，130b，130c，130d)不改变力。
应该理解的是，由上述电容电极引起的力的有效变化涉及图1a、图1b和图2中所示的具体传感器装置。
图7示出了具有腔(135)和一个腔电极(130)的处理晶片(310)的立体图。应该理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以形成任何数量、形状或位置的腔电极。
在另一实施方式中，功能层的其他功能元件(340)可以机械地附接在腔电极上。绝缘材料层(330)优选地存在于腔电极(130)与另外的功能元件(340)之间，使得功能元件(340)与腔电极电绝缘。例如，可以是感测电极(140)、激励结构(110)或用于悬挂例如震动质量体的任何功能元件的悬挂结构(即102a，102b)的功能元件(340)可放置在腔电极(130)上。
应该注意的是，尽管以上所有示例都具有处理晶片(310)上的腔电极结构，但是类似的电极可以被引入帽晶片(350)。为了实现机械刚性帽晶片(350)，可能需要对帽晶片(350)的厚度进行适当调节。
图8示出了微机电装置的第四示例性实施方式的截面，其中在处理晶片(310)和帽晶片(350)中都具有腔电极。在这个实施方式中，我们也可以看到处理晶片和帽晶片都被划分成多个部分。该示例示出了被划分成三个主处理晶片部分(310a，310b，310c)的被划分的处理晶片(310)，其通过一层诸如二氧化硅的电绝缘材料(320)彼此电隔离。我们还可以看到被划分成四个主帽晶片部分(350a，350b，350c，350d)的被划分的帽晶片(350)，其以与处理晶片(310)类似的方式通过一层电绝缘材料(320)彼此电隔离。可以选择任何其他合适的隔离材料。被划分的处理晶片(310)和/或被划分的帽晶片(350)都可以包括至少两个层：形成分别用于处理晶片(310)或帽晶片(350)的平坦的、电隔离的和机械刚性的本体的基底层(310c；350c，350d)；以及可以包括任何数量的腔(135)和腔电极(130a，130b)的至少两个顶层部分(310a，310b；350a，350b)。基底层(310c；350c，350d)也可以被划分成多于一个的电隔离部分，如帽晶片的基底层部分(350c，350d)所示。在帽晶片(350c，350d)的基底层中可以看到这样的一个示例，其中绝缘材料层(320)也将该层划分成两个电隔离的部分。如图8所示，处理晶片(310)的每个电分离的顶层部分(310a，310b)可以分别与至少一个导电插塞(330a，330b)电连接至第一限定电位和第二限定电位(V1，V2)。因此，腔电极(130a，130b)可以具有相互不同的电位。可以进一步注意到，相同的导电插塞(330a，33b)也可以将功能层(300)的部分连接至相应的电位(V1，V2)。处理晶片(310)的两个顶层部分(310a，310b)的电位可以相互相同或者可以不同。应该理解的是，处理晶片(310)或帽晶片(350)中的电绝缘顶层的数量不限于两个，而是可以通过在区域之间放置电隔离的材料层在晶片(310，350)中的任一个上产生多于两个区域。帽晶片(350)的腔电极(130c，130d)也可以通过导电插塞或通孔(330c，330d)连接至不同的电位。在本示例性实施方式中，第三插塞(330c)将帽晶片(350)的基底层(350c)和顶层(350a)连接到第三限定电位(V3)，并且第二插塞将帽晶片(350)的基底层(350d)和顶层(350b)连接至第四限定电位(V4)。限定电位(V1，V2，V3，V4)可以自由选择，并且这些电位中的任何一对可以包括相互相同或不同的电位。
制造
可以是诸如陀螺仪之类的感测装置的微机电装置有利地使用公知的绝缘体上腔硅CSOI结构来实现。另一方面，类似的工艺可以用于制造其他类型的微机电装置，其可以有利地使用根据本发明的腔电极结构。该结构包括处理晶片(310)、功能层(300)、在处理晶片(310)和功能层(300)之间形成电绝缘层的埋设的氧化物层(即硅氧化物层)(320)以及也可以包括晶片的盖或帽(350)。处理晶片可以包含被另外的埋设的氧化物层(320)电分离的多于一个的部分(310a，310b，310c)。功能层(300)包括微机电装置的至少所有能移动部件。电连接以及例如金属激励电极和检测电极可以布置在功能层、处理晶片和盖中的任何一个中。添加了固定到衬底(310)或功能层(300)的盖或帽(350)，用于将装置的移动部件封闭在腔内，在腔内它们被保护免受环境的影响，但是微机电装置的结构部件能够在腔所产生的自由空间内移动。
用CSOI工艺制造微机电装置的过程的简化描述起始于在处理晶片(310)内蚀刻腔(135)，所述腔还包括在腔(135)内形成为硅柱的腔电极(130)。这些腔电极(130)形成处理晶片(310)的整体部分，优选形成处理晶片(310)的基本上均匀的结构材料层的一部分。然后将处理晶片(310)与将要形成功能层(300)的结构晶片附接。可以通过用电隔离材料划分处理晶片(310)的至少一个层获得的多于一个的电隔离的部分构建处理晶片(310)，或者通过在附接处理晶片(310)与结构晶片之前用电隔离材料将这些部分彼此附接来构建处理晶片(310)。在任一情况下，腔电极(130)形成处理晶片(310)的至少一个电隔离部分的一体的部分。用诸如硅氧化物层(320)的绝缘材料层(320)覆盖其中一个或两个晶片，通过熔接进行附接，使得绝缘材料层(320)保持在两个晶片(300，310)之间。然后将诸如震动质量体、弹簧和检测结构的功能元件蚀刻到功能层，并且在已经形成功能层(300)之后，用本领域已知的任意合适的工艺去除在能移动微机电功能结构下方的绝缘材料层(320)。在此过程中，腔电极(130)也与功能层(300)分离，并且在腔(135)内感测元件具有用于预期运动的空间。可以通过本领域技术人员已知的任何已知方法来创建至少一个将处理晶片(310)和功能层(300)彼此电连接的导电插塞(330)。在示例中，可以在蚀刻工艺中形成导电插塞(330)。盖(350)放置在功能层(300)的顶部上以保护功能部件免受环境影响。尽管未在简化的图3和图4中示出，但是帽(350)也可以包括具有足够的空间以允许功能层(300)的能移动部件按照预期移动的腔。此外，如前面关于图8所示，可以以与处理晶片(310)类似的方式将腔电极(130)放置在帽晶片(350)内的腔(135)中。制造包括腔电极(130)的帽晶片(350)可以通过蚀刻来执行。此外，帽晶片(350)可以被制造为包括至少两个电隔离的部分。该制造过程可以如上所述用于制造处理晶片(310)的制造过程。
用于制造微机电装置的工艺的另一示例方法是使用多晶硅的外延生长来形成装置。在此，该过程开始于在热氧化的衬底上平行于震动质量体平面的互连的沉积和图案化。外延多晶硅在由绝缘层包围并且具有与用于外部信号的外延多晶硅的开放连接的互连的顶部上生长。然后将感测元件图案化到外延多晶硅功能层并从多余的绝缘体层释放。最后，使接触金属化物沉积，并且包括也包含腔电极的腔的帽晶片通过晶片接合附接至结构晶片。
对于本领域技术人员明显的是，随着技术的进步，本发明的基本构思可以以各种方式实现。因此，本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (17)

1.一种微机电装置结构，至少包括包含第一材料的支承结构晶片；以及功能层，其特征在于具有由与所述第一材料相似的第二材料制成的腔电极，其中，所述腔电极形成在所述支承结构晶片中的腔内，其中，所述腔电极与所述支承结构晶片的至少一部分电连接，并且其中，所述腔电极和所述支承结构晶片的所述至少一部分被配置成连接至限定电位。
2.根据权利要求1所述的微机电装置结构，其中，所述腔电极形成其中形成有该腔电极的所述支承结构晶片的所述至少一部分的基本上均质的结构材料层的整体部分。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的微机电装置结构，其中，所述腔电极包括从所述腔的基部朝向所述功能层的突出结构。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的微机电装置结构，其中，所述腔电极包括位于所述腔内的至少部分地包含在所述支承结构晶片的所述至少一部分中的硅柱。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的微机电装置结构，其中，所述腔电极被设置成用作平行板电容器的电极，并且所述平行板电容器的可动电极与在所述装置的所述功能层中的基本上平面的能移动元件相关联。
6.根据权利要求5所述的微机电装置结构，其中，所述平行板电容器被设置成用于调节在所述微机电装置中发生的机械振荡的频率。
7.根据权利要求5至6中任一项所述的微机电装置结构，其中，所述调节频率是通过以下至少一项来实现的：
-调节所述腔电极的电位；以及
-调节布置在所述功能层中的可动电极的电位，
其中，所述频率能够通过改变所述平行板电容器的两个电极之间的相对DC电位进行调节。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的微机电装置结构，其中，所述腔电极被配置成通过布置在所述支承结构晶片的所述至少一部分与所述功能层之间的至少一个导电插塞连接至设定电位，所述至少一个导电插塞延伸穿过在所述支承结构晶片的所述至少一部分与所述功能层之间的绝缘材料层。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的微机电装置结构，其中，所述腔电极被配置成通过布置在所述支承结构晶片的基底层与所述支承结构晶片的顶层之间的至少一个导电插塞连接至设定电位，所述至少一个导电插塞延伸穿过在所述支承结构晶片的所述基底层与所述顶层之间的绝缘材料层。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的微机电装置结构，其中，所述支承结构晶片包括如下至少一项：
-处理晶片；以及
-帽晶片。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的微机电装置结构，其中，所述装置结构包括电连接至相同电位的至少两个腔电极。
12.根据权利要求7至10中任一项所述的微机电装置结构，其中，所述装置结构包括至少两个腔电极，所述至少两个腔电极能通过至少两个导电插塞电连接至至少两个不同的电位，并且相应的所述支承结构晶片被电隔离结构材料层划分成至少两个部分，所述至少两个部分包括用于能电连接至不同的电位的每个腔电极的至少一部分。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的微机电装置结构，其中，在所述功能层内形成的至少一个检测电极被放置在所述腔电极上，所述至少一个检测电极通过绝缘材料层与所述腔电极电隔离。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的微机电装置结构，其中，形成在所述功能层内的至少一个悬挂结构被设置在所述腔电极上，所述至少一个悬挂结构通过绝缘材料层与所述腔电极电隔离。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的微机电装置结构，其中，所述装置包括传感器。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的微机电装置结构，其中，所述装置包括陀螺仪。
17.一种调节在微机电装置中发生的机械振荡的频率的方法，所述方法包括：
提供根据权利要求5至6中任一项所述的微机械装置结构；以及
调节所述机械振荡的频率，所述调节包括如下所列的至少一项：
-调节所述腔电极的电位；以及
-调节布置在所述功能层中的所述可动电极的电位，
其中，所述频率能通过改变所述平行板电容器的两个电极之间的相对DC电位进行调节。
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