CN109324212A - 带力反馈电极的mems加速度计 - Google Patents

Abstract

带力反馈电极的MEMS加速度计，使用分离的电极可以增加这种装置的动态范围。优势包括，更好的灵敏度，更好的噪声抑制，更好的信噪比。在实施例中，加速度计包括三个硅晶片，感测电极形成的全差分电容结构的电容器用于测量，力反馈电极形成的电容用于实现力反馈。这些电极被隔离在二氧化硅层上。在某些实施例中，加速度计还包括二氧化硅层、压电结构、吸气层、粘接片、粘接间隔和可以对检测质量块施加恢复力的力反馈电极。具有力反馈电极的MEMS加速度计可用于地球物理测量，例如用于地震传感或声学定位。

Description

带力反馈电极的MEMS加速度计

技术领域

带力反馈电极的MEMS加速度计。

背景技术

带力反馈电极的MEMS加速度计在许多不同的应用领域得到了广泛的应用。如地球物理测量、水下成像、导航，医疗，汽车，航空，军事，地震遥感，消费电子等等。这些传感器通常通过测量质量块的位置变化来检测加速度，例如，通过对应的电容的变化。传统的电容式MEMS加速度计由于噪声抑制和灵敏度的原因导致了性能较差。

测量噪声和测量范围可能因传感器的不同应用而不同。例如，对于一个导航应用,为了量程达到±20g，能够容忍的噪声。另外一个例子,一个地震遥感应用可能希望±1g测量范围和的底噪。布朗噪音是本底噪声的一种。布朗噪声是指布朗运动产生的噪声。布朗运动是指悬浮在液体或气体中的粒子受到液体或气体中快速移动的原子或分子的撞击而产生的随机运动。

加速度计在地球物理测量领域有许多用途，特别是海洋地震。例如，在某些海洋地震实施例中，测量船可以在水中拖着一条或多条拖缆。震源启动会使地震能量通过水进入海底。地震能量可以被各种海底地层反射，并通过拖缆上的传感器进行探测，从而推断出地球物理组成(如碳氢化合物)。这些被配置为接收地震能量的传感器即本专利所公开的一种(各种其他传感器也可能包含在某些实施例中，如压力传感器、电磁传感器等)。

此外，加速度计还可用于通过声波测距检测所属拖缆的相对位置(或其部分)。声波测距设备通常包括一个超声波发射器和一个让收发器发射声波能量脉冲的电子电路。发射器和接收器之间的声波传输时间和两者之间的距离是相关的(就是声波在水中的传输距离)，由此推断出两者之间的距离。

在其他海洋地震实施例中，本专利公开的加速计也可以用于永久油藏监测 (PRM)应用，例如在海底。一般来说，“地球物理测量仪器”一词可指拖缆，PRM 设备，以及拖缆或PRM设备的传感器。

因此，加速度计技术的改进(例如，更好的性能以及更低成本)能在地球物理测量领域，以及其他领域中提供实质性的帮助。

发明内容

附图简介

图1A-C是设备实施例的框图

图2是描述MEMS加速计的一个实施例的框图；

图3A-C为一种典型的电容衬底示例性工艺流程

图4A-G说明了一个完整差分MEMS加速度计的制造工艺流程。；

图5A-E为衬底里腔内蚀刻的典型工艺流程

图6-7说明了在地球物理勘测中使用本专利公开的加速度计的方法

详细说明

图1A～1C示出了根据本公开的设备(设备100,102和104)的一些示例性实施例的框图，它们在电容架构中有所不同。这些器件包括上衬底110、内衬底 130和下衬底150。在各种实施例中，衬底110,130和150分别包含晶片110a、 130a和130f(例如，衬底130上的晶圆区域)和150a。在具体实施例中，这些晶片可以是硅晶片。如本文所使用的，“晶圆”被广泛地用来指代用于制造微机电系统(MEMS)器件的任何衬底。受益于本公开，本领域技术人员将认识到，可以使用MEMS器件领域中常见的各种方法在衬底上“沉积”材料。在一些实施例中，这种沉积方法如下面参照图3和4所描述的那样进行。如图所示，内部衬底130被分成三个部分，即检测质量块130a和锚定区域130f。在所示的实施例中，这些部分由空腔130g分隔开。检测质量130a也可以称为检测质量区域。受益于本公开，本领域技术人员可能会有很多方法来蚀刻空腔130g，包括参照图5描述的一个实施例。如加速度计实施例中的典型情况，当设备经历加速度时，检测质量130a会有位置的改变。通过测量检测质量130a的位置，可以确定加速度的大小和方向。

在图1A～C所示的实施例中，上衬底110结合到内部衬底130，下衬底150 也接合到内部衬底130。使用本领域已知的任何合适的方法可以实现此粘结。在各种实施例中，衬底110和130之间以及150和130之间的接合可使用任何合适的接合方法。在一个实施例中，上衬底110和内衬底130之间的空腔120和下衬底150和内衬底130之间的空腔140是真空密封的。空腔130g也可以是真空密封的。在一些实施例中，空腔120和140可以通过在真空环境中将衬底110, 130和150结合在一起而真空密封。衬底130可以蚀刻部分，使得真空密封腔130g、空腔120和空腔140可以彼此连通(即它们具有共同的真空)。

现在转到图1A，六电容器实施例被示为器件100。衬底110,130和150被分成两部分：每个衬底的晶圆(分别为110a、130a和130f、以及150a)和电极组(这些电极被示为元件110b、110p和110c；130b、130p和130c；130d、130q 和130e；150b、150q和150c)。这些电极通常沉积在绝缘体层(未画出)上，例如二氧化硅、氮化硅等，以便将它们彼此电隔离，并且它们被配置成形成各自电容器的极板。在内部衬底130上沉积/定位/布置两组电极：第一组位于上表面，形成电极130b、130p和130c；第二组位于下表面，形成电极130d、130q 和130e。换个说法，所述内部衬底上的电极沉积在内部衬底的顶部和底部，或在内部衬底的相对侧。(注意，诸如衬底等结构的“相对侧”的短语不限于A的顶部和底部。相反，该短语可用于指结构的左右两侧或结构的前侧和后侧。当然，结构的不同部分，如顶部、底部、左侧、右侧、前部和后部的特征取决于特定的位置。)

在实施例中，在上衬底110的下表面上沉积一组电极，形成电极110b、110p 和110c。在下衬底150的上表面上沉积一组电极，形成电极150b、150q和150c。在上衬底110和下衬底150上的电极可以被称为一组电极，其沉积、定位或布置在与内部衬底130相对的表面上(即，内部衬底130的各自上下表面)。在一些实施例中，电极组可以是沉积在每个衬底上的金属层。

在图1A所示的实施例中，上衬底上的一组电极110和内部衬底130上表面上的相对电极组形成三个电容器。(例如，电极110b和130b形成一个电容器；电极110p和130p为第二个电容器；电极110c和130C为第三电容器)类似地，在下衬底150上的电极和在内部衬底130的下表面上的相对电极也形成三个电容器。

如本文所使用的，“相对”表面是彼此面对的。相对表面可以在同一衬底上或在不同衬底上。例如，电极130b和130d位于衬底130的相对表面上；电极110b 和130b是在不同衬底的相对表面上。如图所示，在本实施例中，电极可以形成不同衬底上的相对表面，使得它们处于对应位置。这种布置允许每对电极(例如，110b和130b)作为电容器的极板。如本文所用，“沉积”一词指任何一种材料被放置在至少一部分材料上的制造技术。

“层”一词是根据其在工艺中的一般用法来解释的；可以指覆盖一个或多个底层材料的整个部分的材料，以及位于底层材料顶部的离散区域。因此，层”可以用来指一组电极130b、130p和130c。在图1A中描述，这可能是由于材料的连续沉积，然后部分蚀刻掉形成的。在一些实施例中，例如图4A描述某一层可能落在另一层的下面，因为第一沉积层不是连续的。例如，压电材料的沉积，可以使得该层包含离散部分。因此，当沉积另一个弹簧层时，一些部分弹簧层可能由于压电层不连续而落在压电层以下。因此，弹簧层的部分可能看起来与压电层垂直高度相同。因此，在某些情况下，术语“层”指的是沉积，而不一定是参考材料的垂直位置(例如高度)。

继续讨论图1A，由电极形成的电容器110b和130b、110c和130c、130d和 150b、130e和150c都可以用作感应电容器，这意味着它们可以用来探测运动。检测质量块130A通过系统配置为检测电容变化来检测运动。

因为沉积在衬底上的电极用于检测设备100中的加速度，这些电极可以被称为传感电极。检测电容变化的系统可以是任意的配置为使用电容的系统，例如，闭环读出电路。在其他实施例中，配合真空包装和压电阻尼，这种电容结构可用于闭环加速度计系统，以及任何其他谐振MEMS结构。四个电容器一起形成一个完整的差分结构。在实例中，检测质量块130a通过施加的加速度沿z轴155 位移，电容器中的两个电容增加，而另外两个减少。通过对每个电容器中电容的差异的系统测量，能够识别出检测质量块130a的位置。在某些实施例中，具有这四个电容器的适当全桥连接，设备100的体系结构可以避免一些传统的电容式传感结构的缺点，例如低灵敏度，低噪声抑制和低信噪比。这些缺点可能部分来自布朗噪声。

然而，在其它实施例中，可以使用更简单的电容结构。

可以使用两个感测电容器而不是四个。在本实施例中，电容器可以布置成，例如质量块130a沿z轴位移，一个电容的电容值增加，而另一个则减少。这就是所谓的差分结构，在于两者之间的电容差别。

在其他实施例中，可以使用单感测电容器。施加的加速度使检测质量块130a 沿z轴在一个方向上移动，电容增加；检测质量块130a沿着Z轴在另一方向上移动，电容减小。这是一个“单端”电容架构。

差分结构通常提供比单端更高的信噪比，全差分架构通常则比差分结构信噪比更高。

继续讨论图1A，由电极形成的电容器110p和130p，130q和150q分别可用作力反馈电容器。在已知装置的一些实施例中，电容器可以同时用作感测电容器和力反馈电容器，例如开关电子器件。在这样的实施例中，只有电容器占空比的一部分(通常为50％)分配给每个任务，这可能限制可以应用的最大反馈力。

然而，根据本公开，使用单独的力反馈电极可以提供连续的反馈，与根据占空比切换电容器功能的设计相比，这可能显著增加动态范围。此外，根据本公开，设备的设计还可以是通过省略开关电路来简化。

在图1A所示的实施例中，设备100被配置为全差分电容架构。如图所示，四个外部电容器(分别由电极110b和130b，110c和130c，130d和150b以及130e 和150c形成)充当感测电容器，并且两个内部电容器(电极110p和130p以及 130q和150q形成)分别作为力反馈电容。在其他实施例中，各种电容器可以承担这些角色。例如，外部电容器可以形成四个力反馈电容器，并且内部电容器可能会形成感测电容。在一些实施例中，力反馈电容器相对于检测质量块130a 中心对称可能是有利的。此功能可能允许力反馈电容器提供线性恢复力而不产生扭矩。

图1A中描绘的全差分电容架构实施例可以允许由另一个电路(未示出)测量电容器之间的差异(例如，电压，电流或电容)。在一些实施例中，完全差分电容架构可以允许电容器使用全桥连接或惠斯通电桥连接。在其他实施例中，完全差分电容架构可以连接到差分读出电路，例如，使用差分运算放大器。在一些实施例中，这些配置可以避免传统的MEMS加速度计低信噪比的缺点

另外，图1A中所示的架构允许测量沿着与衬底110,130和150垂直相交的轴线(称为“Z轴”)加速度。因为检测质量块130a与锚定区130f分离，当检测质量块130a沿着Z轴155向上和向下移动时，锚定区130f充当锚/稳定。这种移动导致检测质量130a的轻微的位置变化，从而引起布置在全差分结构中的电容器电容值变化。这种电容变化可以检测出检测质量块130a的位置变化。因此图1所示的全差分电容架构允许测量Z轴加速度。在另一个实施例中，设备 100可以包含附加的位于内部衬底130周围的电极或电容器。对本领域技术人员来说，这些附加电极或电容器能够测量质量块130a的侧向移动时加速度(即向内部衬底130的左侧或右侧运动)或前后移动时加速度(即进入和离开图1A)。在这样的实施例中，设备还包括横向加速计能力。因此，在本实施例中，装置 100可以测量沿着Z轴155的加速度，以及垂直于Z轴155的X-Y平面(即平行于衬底130的平面)。这允许在三维中测量加速度。

如图1A中所示的力反馈电极可以用于维持质量块130a相对接近于其平衡或静止位置。通过设计，检验质量块130a倾向于随着装置100经受加速而偏离其平衡位置；然而通过将检测质量块130a保持在相对接近平衡位置，系统可以保持在大致线性的操作区域中。相比不使用力反馈的实施例，这可以允许装置 100增加可测量的加速度范围。在一些实施例中，装置100的输出可以基于将检测质量130a保持在其平衡位置附近所需的力，因为这个数量直接与由设备100 加速度有关。

在某些实施例中，可以仅有一个感测电容器和一个力反馈电容器。而在另外一些实施例中，可能会用到各种数量的感测电容器和力反馈电容器。

如上所述，布朗噪声是诸如设备100之类的设备设计中的重要考虑因素。与 MEMS加速度计等传感器相关联的布朗噪声可以由以下等式表示：

在这个等式中，K_B是玻尔兹曼常数(1.381x10^-23J/K)，T代表环境温度以K表示，b表示阻尼系数N s/m，M表示共振结构的质量。从这个方程可以看出，布朗噪音可以通过增加质量和降低空气阻尼来减少。通过为加速度计设计一个巨大的质量块，可以减少热噪声直到数百的级别，但实际上，MEMS器件是通常不用这种大尺寸的传感器。

高真空水平可以通过减少空气分子与传感器的随机相互作用的数量来降低布朗噪声。因此，在一些实施例中使用真空可以将系统的本底噪声降低到的水平。因此在一些实施例中，使用真空密封的空腔，例如120，130g和140 可以减小设备100内部的布朗噪声。

然而，在一些实施例中，使用真空会大大增加谐振系统的品质因素。在一些实施例中，品质因素可以增加到超过10000的水平。如此高的品质因素可能会影响装置100的稳定性。在一些实施例中，压电阻尼可用于至少部分抵消高真空度的影响。压电阻尼将加速度计的动能振荡能量转换为可在系统外耗散的电能。例如将压电结构连接到可调整外部负载(例如，可调电阻负载)。从而将品质因素降低到可管理的水平。

除了布朗噪声对测量噪声和测量范围的影响之外，非线性也会影响MEMS器件的性能。本领域专业人员将认识到MEMS器件的非线性可能受到频率响应，感测架构，弹簧以及读出电路的影响。特别地，当质量块接近其静止或平衡位置区域时，加速度计具有近似线性。然而，质量块距离其静止位置越远，读数越可能偏离理想的线性响应。

如上所述，设备100中的非线性在一些实施例中可以是通过使用闭环读出电路减少，通过力反馈电极使检测质量130a在MEMS加速度计中处于其平衡位置的区域。如一个闭环的∑-Δ电路。

在某些实施例中，闭环读出电路包括感测电容器，以及一个或多个力反馈电极。这些连接在一个闭环中，加速度计可以使用电容检测到的加速度和力反馈电极提供的力来调整检测质量块的位置，从而确保在线形区域工作。因此，使用闭环电路架构的MEMS加速度计可以避免非线性的一些缺点。

现在转到图1B，示出了设备102。设备102大致类似于装置100，上面讨论过(并带有相应的参考数字)，但它有一个不同的电容架构。图1B描述了一个“差分”，而不是“完全差分“的电容架构，这意味着只使用两个电容器，而不是四个。

在装置102的实施例中，由电极110c和130c以及130e和150c形成的电容器可以用作感测电容。由电极110p和130p以及130q和150q形成的电容器，可以用作力反馈电容器。在其他实施例中，这些角色可能会改变；然而，力反馈电容器位置相对于质量块的中心是对称的对于力反馈更有利。

现在转到图1C，示出了另一个相关设备即设备104。装置104与上面讨论的装置102(以及相应的参考数字)大致相似，但电容器排列不同。在该实施例中，四个电容器对称地设置在装置104上。在各种实施例中，这些可以用作感测或力反馈电容器。例如，由电极110p和130p以及130e和150c形成的电容器，可分别用作感测电容器。由电极110c和130c以及130q和150q形成的电容器，可以分别用作力反馈电容器。在其他实施例中，这些角色可能会改变；然而，它可能在一些实施例中力反馈电容器位置相对于质量块的中心是对称的对于力反馈更有利。

现在转到图2，MEMS的一个实施例的框图。如所描绘的，加速度计200包括上衬底210，内部衬底230和下部衬底250。在各种实施例中，衬底210,230和 250分别包含晶片210a，230a和230f以及250a。其中的编号与图1A-1C相似，且功能配置也相似。另外，在所示的实施例中，晶片的内部衬底230被分成三部分，检测质量块230a和锚定区域230f。在所示实施例中，这些部分被空腔 230g分隔开，由保护结构230h限制。在具体实施例中，保护结构230h可能是二氧化硅。在本实施例中，空腔220在上衬底210和内部衬底230之间，空腔 240在下部衬底250和内部衬底230之间，空腔230g被真空密封。通过真空密封或真空包装，加速度计200可以避免上面讨论的布朗噪声的一些缺点。

内部衬底230可以包括几个部分：硅晶片，检测质量块230a和锚定区域230f；空腔230g(某些实施例在加工过程中变成真空密封的空腔)，限制结构230h；电极组230b和230c；弹簧层230d和230e；压电结构230j；和位于压电体230j上的电极对230k。在实施例中，衬底210和250被分成四个部分：每个衬底210a和 250a的晶片；电极组210b和250b；氧化物层210c和250c；和吸气层210d和250d。在该实施例中，中心电极210b，230b，230c和250b的可以被用作单独的力反馈电极。其他电极可用作感测电极。

在图2所示的实施例中，上衬底210结合到内部衬底230以及下衬底250也被结合到内衬底230。在图2的各种实施例，衬底210和230之间以及250和 230之间的结合可以使用任何合适的粘合技术进行。如图2描述，衬底210，230 和250使用接合结构260来接合。接合结构260可以由本领域技术人员用已知的适当的任何材料构成.在一个实施例中，接合结构260可以是由二氧化硅组成；另一种是金属材料或组合物，例如铜和锡。在其他实施例中，接合结构260可以由诸如金和锡的金属组合物，或者铝和锗构成。接合结构260也可以由二氧化硅和金属触点组成。空腔220和240通过粘结结构260,以及210,230,250形成真空密封。弹簧层230d和230e可以蚀刻掉部分,使得真空密封腔230g，220 和240可以连通彼此(它们拥有共同的真空)。因此，这个真空密封腔可以部分地由上衬底210，下衬底250和保护结构230f来界定。

在本实施例中，弹簧层230d和230e生长在相对的表面上。如本文所使用的，术语“生长”是指一种材料形成在至少一部分的基础材料或层上的制造技术。例如通过加热材料或层到高温来实现，通过湿式氧化来实现等。例如，加热硅衬底到高温可能会与空气中的氧原子结合产生二氧化硅，从而形成绝缘二氧化硅层。弹簧层230d和230e可以由氧化物如二氧化硅构成。弹簧层230d和230e 允许检测质量块230a位于内部衬底230内的位置变化，通过锚定区域230f增加内部衬底230的稳定性。真空密封腔230g有助于避免由气体粒子撞击检测质量块230A引起的噪音(例如，布朗噪声)。氧化物层210c和250c分别生长在衬底210的下表面和下衬底250的上表面。氧化物层210c和250c可以由二氧化硅组成。吸气层210d和250d，帮助保持真空密封空腔220,240和230g的共同真空，沉积在氧化物层210c和250c上。在一些实施例中，吸气层210d和250d 可以沉积在衬底210,230和250的暴露于真空密封的空腔上的任何部分上。在一个实施例中，可以只有单个吸气层沉积在衬底210,230，和/或250的一部分上。吸气层210d和250d可以由本领域技术人员用已知的任何合适的材料构成。

如图所示，可以在弹簧层230d和230e上沉积两组电极230b和230c --第一个在内部衬底230的上表面上；第二个在内部衬底230的下表面。换言之，电极组230b和230c沉积在内部衬底的相对侧上。电极210b被沉积在上衬底210 的下表面上。电极250b沉积在下衬底250的上表面。上衬底210表面的电极210b 和下衬底250表面的电极250b是相对内部衬底230的一对电极。

在所示的实施例中，电极组210b和230b形成三个电容器。同样，电极组230c 和250b也形成三个电容器。总体而言，通过形成这六个电容器，加速度计200 形成了全差分电容架构，并具有独立的反馈电极，如图1A所述。相应地，在图 2所示的实施例中，全差分电容架构允许电容器一起工作以检测检测质量块230a 沿着Z轴155向上或向下移动时加速度的变化。例如，由电极组210b，230b， 230c和250c形成的电容器可以检测加速度计200的加速度。然后，闭环电路系统使用所测量的电流来确定加速度计的加速度，该电流由电容的容值变化或电容的电压变化产生。在一些实施例中，这个闭环电路系统被称为前端读出电路，使用差分运算放大器组成。在一些实施例中，加速度计200可以包含位于内部衬底230周围的附加电极或电容器，这些额外的电极或电容器允许测量垂直于Z 轴155的X-Y平面的加速度。这种修改将允许加速度的三维测量。

在一个实施例中，加速度计200还包括设置在弹簧层230d和230e上的压电结构230j。压电结构230j可以由任何压电材料构成。压电结构230j将来自弹簧层230d和230e的机械能转换成电能，该电能通过设置在每个压电结构230j 上的电极对230k消散。弹簧层230d和230e因检测质量块130a的移动而产生机械能，会导致压电材料弯曲。这个压电阻尼可以减小加速度计200的Q因子.Q 因子可以通过调整连接到电极230k的负载来调整。

图3A-C示出了制造盖的示例性工艺流程衬底(例如，类似衬底110或衬底 210)。如图3A所示，衬底310可以是硅晶片，蚀刻后准备沉积吸气层。层320 沉积或生长在衬底310上。层320可以被进一步处理。在一些实施例中，层320 可以是二氧化硅。

现在转到图3B，电极350和金属触点360、365沉积在层320上。值得注意的是，多个电极350之间是绝缘的。电极组350可以是任何类型的金属触点。金属触点360和365在一些实施例中可以由铬，铜和锡，金和锡，铝和锗等制成，其可以用任何合适的工艺生成，例如剥离或蚀刻。在该实施例中，层320 被进一步处理用于金属触点365的沉积。在其它实施例中，金属触点360和365 可以沉积在专为其准备的二氧化硅层上。该二氧化硅层可以部分地沉积在层320 上，且只沉积在金属触点360和365的区域。

现在转向图3C，间隔370沉积在层320上。实施例中，间隔370也可以沉积在特定的二氧化硅层上。如所描绘的，间隔370可以是二氧化硅。在一些实施例中，金属触点360和365以及间隔370可以作为一个结合区域结合到另一衬底，如图4A-G所示。在一些实施例中，间隔370被称为结合间隔。

图4A-G示出了带力反馈电极的全差分MEMS加速度计的示例性工艺流程。现在转到图4A，衬底430可以是硅晶片。沟槽415填充二氧化硅。在一个具体的实施例中，沟槽415可以是3μm宽。为了填充沟槽415，沟槽415可以先用已知的任何方法进行蚀刻。例如，在一个实施例中，使用深反应离子蚀刻(DRIE)，在硅晶片产生一个3μm宽的沟槽。然后，在衬底430的表面上生长氧化物来填充沟槽415，。

在另一个实施例中，该氧化物可以作为后续制造阶段用于蚀刻的掩模层，例如，XeF₂(气体)蚀刻。沟槽415的深度可影响加速度计的厚度，因为衬底430 是加速度计的一部分。参考图4D，因为沟槽415将检测质量块430a与锚定区域 430f隔离，沟槽415可以被称为隔离沟槽。沟槽415也可以保护检测质量410a 和锚定区域410f免受后续蚀刻步骤的影响。从而沟槽415也被称为保护沟槽。层420沉积/生长在衬底430上，也覆盖沟槽415。层420可以是二氧化硅。在一些实施例中，层420也可以被图案化以用于随后的层的沉积。在这个加速度计实施例中，层420可以被称为“弹簧层”。本领域的普通技术人员将理解，层 420可以是根据设计参数的任何合适的厚度。在一个具体实施例中，层420的厚度可以是4μm。

现在转到图4B，金属触点425被沉积和图案化用于沉积压电结构432。金属触点425可以是对于本领域技术人员来说已知的各种金属。压电材料沉积形成压电结构432。在某些实施例中，金属触点425和压电结构432可以被称为压电结构。

现在转到图4C，层440被沉积/生长在层420上并被图案化以保护压电结构 432的侧壁。层440可以是二氧化硅。然后顶层金属化沉积在层440上。该金属沉积形成一组电极450。每个电极450之间是绝缘的。层440还可以包括另一个二氧化硅薄层。该层可以被图案化，使得结合区域横向延伸向压电结构432(或周围的区域)。邦定焊盘427以与电极450相同的金属沉积方式沉积。在一个实施例中，邦定焊盘427可以被图案化，用于稍后粘接盖晶片。最后，使用相同的金属沉积方法，将电极对455沉积在压电结构432上，部分沉积在层440上。

在晶片邦定区域，电极组450和电极组455，铬可以被剥离并图案化。在另一实施例中，邦定焊盘427，电极组450和电极对455可以分开的步骤沉积和图案化。例如，这些组件可以被沉积或电镀。在一些实施例中，用于邦定焊盘427、电极450和电极对455的金属，可以是金，铝或铬。

现在转到图4D，通过本领域技术人员已知的方法将帽晶片475结合到衬底 430。作为衬底430的一部分，检测质量块430a部分地由沟槽415以及弹簧层 420和480界定。间隔460可以与衬底430上的邦定区域对齐，邦定焊盘427可以与帽晶片475上的相对接触点对齐，中间是接合间隔件460。

一些实施例中，例如在图2的加速度计200，邦定过程可以确定空腔220和 240的高度，使得由电极形成的电容器达到期望的值。由于这种邦定过程，在实施例中，间隔460可以被称为邦定间隔。在一些实施例中，帽晶片475可以是通过图1所示的工艺制造的帽晶片。帽晶片475包含可以是二氧化硅的隔离层 470，470将帽晶片475上的与电极450相对的电极隔离。

在邦定过程中，电极组450被对准以与该组电极相对帽盖晶片475上的电极使得这些电极组中的至少一部分可以形成用于全差分电容架构的电容器。使用合适的邦定过程，电极组450与盖帽晶片475上电极组的间隔可以确定由此形成的电容器的电容值。在某些实施例中，电极组450的中心电极和帽晶片475 上的相对电极可以形成电极用于施加力反馈。也就是说，这些电极可以对检测质量块430a施加反馈力。

MEMS加速度计为了以近似线性的状态进行操作，可以使用电极向检测质量块施加力。在图4D中，电极组475的中心电极和帽晶片上的相对电极475可形成用于力反馈的电极。在一些实施例中，这可以避免使用同时用于感测和反馈的电极的MEMS加速度计的一些缺点。某些MEMS加速度计可能在闭环电路中积分和反馈之间切换，这可能会增加电路的复杂性并可能降低所施加的最大反馈力。例如，因为这种切换功能的占空比只有一部分(通常为75-80％)电极可用于力反馈，反馈力量将受到限制。

为了在闭环电路中操作，加速度计可能需要施加力到检测质量块。因此在所示的实施例中，独立的电极(在此实施例中为电极组450的中心电极和475上的相对电极)用于对检测质量块施加力。因为这些电极是仅用于施加反馈力，这些电极可以被称为力反馈电极。这些力反馈电极可以从外部接收反馈，从而让加速度计400避免以非线性工作。这种力反馈电极还可以避免加速计400外部电路的切换复杂性并且能增加加速度计400的测量范围。

使用分离的力反馈电极的加速度计的读出电路可以被简化。在一个实施例中，读数可以简单地基于由反馈电极施加的力。这是因为，为了保持检验质量靠近其平衡位置时，需要提供与加速度计的加速度成比例的力。如图4D所示，在盖晶片475粘合到衬底430之后，衬底430从底部向上研磨至沟槽415的尖端。 (在一些实施例中，衬底410可稍微超出沟槽415的尖端。)然后层480是生长/沉积在衬底430的底部(或者可以被称为背面)。本领域普通技术人员将认识到层480可以根据设计要求具有任何合适的厚度。在一个具体实施例中，层480的厚度可能是4um。在这个加速度计实施例中，层480被称为弹簧层。

现在转向图4E，层481，压电结构486(包括金属触点)，电极组490，电极对493和邦定焊盘494使用与图4A-C的相同或类似的方法沉积到层480上。

现在转向图4F，可以蚀刻衬底430以在沟槽415之间形成空腔.例如，XeF2 气体用于蚀刻腔体。在蚀刻之后，检测质量430a与锚定区域430f分离。

现在转向图4G，参考图4D描述的类似过程将盖晶片495结合到衬底430。在一些实施例中，盖晶片495可以是由图3所示的制造工艺来产生。盖晶片495 包含层470，其可以是二氧化硅，盖晶片495上的一组电极相对衬底430上相应的一组电极被它隔离。这些电极组的至少一部分可以形成用于全差分电容架构的电容，可以使用单独的部分来形成力反馈电极。现在衬底430和盖晶片475 和495形成了一个全差分MEMS加速度计。在某些实施例中，衬底430的底部中心电极和帽晶片495上的中心电极可以形成用于力反馈的电极触点。使用中心电极的好处在于，可以对检测质量块430a施加线性反馈力但不施加扭矩。在一些实施例中，例如在加速度计200中，在最后的邦定步骤中可通过空腔220,230g 和240形成公共的真空密封。

图5A-E示出了在衬底蚀刻空腔的示例性工艺流程。现在转到图5A，衬底530 可以是硅晶片。沟槽515可以通过本领域技术人员已知的任何方法来蚀刻。例如，使用深反应离子蚀刻(DRIE)，在硅晶片上打开3μm宽的沟槽。沟槽515 可以用作保护层或保护结构，在后来的各向同性释放过程中。沟槽515的深度可能会影响到加速度计检测质量的厚度。在加速度计200的示例中，沟槽515 可以被称为保护沟槽。

现在转到图5B，沟槽515由氧化物生长/填充/堆积，一般为二氧化硅。填充沟槽515会导致530表面覆盖氧化物，这可以通过化学机械抛光来除去。层520 生长/沉积在层530上。层520的厚度，将影响弹簧层的厚度。层520相当于加速度计200中的衬底230上的层230d。因此，层520的厚度在沉积时要精确控制。

现在转到图5C，通过研磨或化学机械抛光将530的底部移除部分。一直移除到沟槽515的底部。现在转到图5D，层540生长/沉积在层530上。层540的厚度，影响到弹簧层的厚度。层540相当于加速度计200中的衬底230上的层 230e。因此，层540的厚度在沉积时要精确控制。

层520和540需要表面图案化用于弹簧层。

现在转到图5E,使用光阻或二氧化硅的一种或两种，沟槽515之间的大块硅区域被蚀刻掉。这可以通过干垂直蚀刻技术来实现。在某些实施例中，蚀刻可能会省略，通过对蚀刻的管理，有助于减少整个流程的时间。在沟槽515蚀刻出后，晶圆放入XeF2气体中，二氧化硅层会作为一个掩膜层。衬底530像图5E 一样被蚀刻，产生空腔550。

现在转到图6，根据本公开的一个具体使用流程。流程开始于步骤600。

在步骤600，测量船拖着一个拖缆，至少有一个使用本公开技术的加速度计。在多数应用中，拖缆一般都带有多个加速度计，同时也可能有其他传感器(如压力传感器，电磁传感器等)。一些应用中，测量船会同时拖拉多个拖缆。

在步骤602，一个或多个地震波被激发。地震能量通过海水进入海底。然后地震能量反射出各种地质形态。地震能量被反射回拖缆，其中部分包含时间延迟或者相位延迟，这些表明了地质形态。

在步骤604，地震能量被拖缆上的加速度计接收到。不同的地震能量分别到达加速度计，包括直接从地震源出来的，以及经过海底或水面一次或多次反射回来的。基于接收到的地震能量的数据可以用来推断海底可能存在的地质构造的信息。流程结束于步骤604。

现在转到图7，基于本公开的另外一个应用。流程开始于步骤700。

在步骤700，测量船拖着多条拖缆，包括声波发射器，以及本公开披露的加速度计。在某些情况下，声波发射器和加速度计可以组合成声波收发机。

在步骤702，一个或多个声波发生器开始工作。声波能量通过海水传向其他拖缆。

在步骤704，声波能量被加速度计接收到。声波发射器和加速度计之间的时延与它们之间的距离来决定。

在步骤706，拖缆的位置将被确定。这个位置是由声波发射器和加速度计之间的距离来确定的。流程结束。

Claims (14)

1.带力反馈电极的MEMS加速度计，设备中包括至少一个检测传感器，一个用于加速度测量的检测质量块。至少一个提供力反馈的反馈电容，反馈力取决于检测质量块的加速度，同时，通过反馈力能够获取加速度值。

2.依据权利要求1，加速度的检测包括检测至少一个电容值的变化。

3.依据权利要求2，检测电容值的变化包括：检测至少4个电容的全差分架构的电容变化。

4.依据权利要求1，检测的加速度包括Z轴加速度。

5.依据权利要求1，加速度的检测包括至少一个反馈电容的前端读出电路。

6.一个装置，包括：

一个MEMS加速度计，用于检测Z轴加速度，这个MEMS加速度计包括：

一个检测检测质量块位置的传感电极，一个提供力反馈的力反馈电极，它可以根据检测质量块的位置偏移来提供回复力。

7.依据权利要求6，检测质量块位于密封的空腔中间。

8.依据权利要求6，还包括一系列用于抑制检测质量块震动的压电元件。

9.依据权利要求6，MEMS加速度计包括两个差分感测电极。

10.依据权利要求6，MEMS加速度计包括四个感测电极，它们工作在全差分模式。

11.依据权利要求6，还包括一个闭环读出电路，用来检测检测质量块的位置以及提供电压给力反馈电极。

12.依据权利要求11，设备的加速度输出值基于提供给力反馈电极的电压。

13.依据权利要求12，设备的加速度值就是提供给力反馈电极的电压值。

14.依据权利要求6，力反馈电极可以与检测质量块上的一个电极形成电容。