CN110058051B - 具有减少漂移功能的z轴微机电检测结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有减少漂移功能的Z轴微机电检测结构。本发明具体地涉及一种微机电检测结构，设有具有在平面上延伸的上表面的基板；检测电极装置；悬置在基板和检测电极装置的之上的惯性质量体；和弹性元件，使惯性质量体耦合到相对基板固定的中央锚定元件，使惯性质量体根据沿垂直轴线的待检测的量而围绕旋转轴线自由旋转，中央锚定元件布置在旋转轴线上。悬置结构耦合到检测电极装置以支承悬置在基板之上和惯性质量体之下的检测电极装置，并经由至少一个第一锚定区锚定到基板；固定电极布置经至少一个第二锚定区锚定到悬置结构。

Description

具有减少漂移功能的Z轴微机电检测结构
本申请为申请号为201510591424.4、申请日为2015年9月16日的标题为“具有减少漂移功能的Z轴微机电检测结构”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及z轴MEMS(微机电系统)检测结构，其能够减少由于温度变化或外部应力而引起的漂移，特别是由于与相应的封装交互作用而在检测结构中引起的漂移。下面描述将明确引用z轴微机电电容加速度计，但并不意味着一般性的缺失。
背景技术
MEMS类型的Z轴惯性加速度计是已知产品，其包括对沿与延伸的主平面和相应的半导体材料基板上表面正交方向作用的加速度灵敏的微机电结构(此外，也能够检测作用于同一平面上的进一步加速度)。
图1和图2a示出了属于z轴惯性加速度计(进一步包括电耦合到MEMS结构的电子读数电路，未示出)的已知类型的MEMS结构，其在图1和图2a中作为整体标识为1。
MEMS结构1包括半导体材料(特别是硅)基板2和惯性质量体3，基板2具有上表面2a，惯性质量体3由导电材料例如适当掺杂的外延硅制成，并布置在基板2的之上且悬置在上表面2a上方一定距离。
惯性质量体3在由第一轴x和第二轴y限定的水平面xy上具有主要延伸部，第一轴x和第二轴y彼此正交，水平面xy与基板2的上表面2a基本上平行(在静息状态下，即没有作用于MEMS结构1的加速度或外部应力)并且大致可忽略沿正交轴z的维度，正交轴z垂直于前述水平面xy(并垂直于前述基板2的上表面2a)并与第一轴x和第二轴y共同形成笛卡尔坐标系xyz。
惯性质量体3具有限定窗口4的贯通开口，贯通开口贯穿惯性质量体3的厚度，具有在平面视图中的延伸在沿第二轴y的长度上的大致矩形形状，并且布置为与惯性质量体3的质心(或重心)间隔一定距离。窗口4因此将惯性质量体3划分为第一部分3a和第二部分3b，它们沿第一轴相对于其窗口4分别布置在相对侧，第一部分3a沿第一轴x的尺寸大于第二部分3b沿第一轴x的尺寸。
惯性质量体3还具有多个孔3'，与前述窗口4相比孔3'的尺寸非常小，孔3'贯穿惯性质量体3的厚度，在制造过程中可以通过化学蚀刻底层牺牲材料(未示出)释放惯性质量体3(由此悬置布置在基板2的上方)。
MEMS结构1还包括第一检测电极5a和第二检测电极5b，它们由导电材料例如多晶硅制成，布置在基板2的上表面2a之上，并沿第一轴x相对于窗口4分别布置在相对侧，以分别定位在惯性质量体3的第一部分3a和第二部分3b之下。在俯视图中与水平面xy平行的平面上，第一检测电极5a和第二检测电极5b具有沿第二轴y拉长的大致矩形形状。
第一固定电极5a和第二固定电极5b经由相应的锚定区6a和6b直接锚定到基板2，例如，锚定区6a和6b由介电材料制成并布置在基板2的上表面2a与电极本身之间。锚定区6a和6b具有大致相同的构造(在俯视图中为矩形)并与相应的检测电极5a和5b具有大致相同的尺寸。
第一固定电极5a和第二固定电极5b与惯性质量体3以平面和平行面共同限定第一检测电容器和第二检测电容器，其电容分别标识为C1和C2，并具有给定值的静态电容容量(即不存在惯性质量体3位移的情况下)。
惯性质量体3经由中央锚定元件7锚定到基板2，中央锚定元件7由在窗口4内部沿中心从基板2的上表面2a开始延伸的柱形或柱状元件构成。中央锚定元件7因此沿第一轴x到固定电极5a和5b的距离是相等的，并且使惯性质量体3的约束单点对应于基板2。
特别地，惯性质量体3经由第一弹性锚定元件8a和第二弹性锚定元件8b机械连接到中央锚定元件7，第一弹性锚定元件8a和第二弹性锚定元件8b在窗口4内部与基本上直线地延伸一致的沿与第二轴y平行的旋转轴线A在中央锚定元件7的相对侧上延伸，为了方便起见下文中将第一弹性锚定元件8a和第二弹性锚定元件8b称为“弹簧”。每个弹簧8a和8b都在中央锚定元件7与惯性质量体3的侧部之间面向窗口4延伸。
弹簧8a和8b设计为绕其延伸方向扭转，从而惯性质量体3能够自水平面xy围绕由相同弹簧8a和8b限定的旋转轴线A旋转。
在操作过程中，如果存在沿正交轴z作用的加速度，则惯性质量体3在惯性效应下围绕旋转轴线A，接近两个检测电极5a和5b中的一个电极(例如，第一检测电极5a)并相应地远离两个检测电极5a和5b中的另一个电极(例如，第二检测电极5b)地旋转，从而生成检测电容C1和C2的相反变化。
除了其他参数，检测电容C1和C2的值取决于检测电极5a和5b的尺寸(要求在平面视图中有足够的延伸长度)，除了其他参数，电容变化取决于检测电极5a和5b与旋转轴线A之间的距离(该距离的实际长度必须足以使惯性质量体3与检测电极5a和5b之间的间隙发生变化)。
适合的加速度计读数电子器件(图1中未示出)电耦合到MEMS结构1，在输入端接收检测电容C1和C2的电容变化并以不同方式(根据C2-C1差异)处理相同变化，以确定沿正交轴z作用的加速度值。
本发明的申请人已经认识到虽然前述MEMS结构1有利于检测沿正交轴z作用的加速度，但是如果基板2由于例如温度变化或机械应力而发生变形，则可能产生相关测量误差。
按照已知方法，微机电传感器的封装实际上会由于温度变化而发生变形，这是由于材料的热膨胀系数不同所致，从而导致其中包含的MEMS结构的基板发生相应变形。来自外部的特定应力也可能导致类似变形，例如将封装焊接到印刷电路上时或由于封装构成材料吸湿所产生的外部应力。
如图2a所示，如果基板2发生变形，则直接受限到基板2上的检测电极5a和5b(这些电极通常形成在相同基板2的底面2a上)会跟随变形，然而惯性质量体3在惯性效应下移位并倾斜检测角度θr(相对于第一轴x测量的结果)。由于变形，惯性质量体3与检测电极5a和5b之间的距离(或间隙)会发生变化，最终导致检测电容C1和C2的变化。
因而，本发明的申请人已经认识到基板2的变形可能导致检测到的沿正交轴z的加速度DC值发生漂移(称为“零重力水平”或“偏移”)。
详细地，可以引用参照图2a和2b(未按照比例绘制；也就是说，图2b中角度值的增加完全是出于说明目的)的示例，其中示出了z轴检测结构沿轴x的一般横截面。
基板2和相应上表面2a的变形(在示例中可以考虑体积变形)会导致检测电极5a和5b的上表面分别倾斜偏向角θs1和θs2(应该指出的是，这些角度中的每个角度都对应于沿第一轴x的横截面上基板2的变形曲线在每个电极中心处的切线)。
检测电容器C1和C2可能会由于偏向角θs1和θs2的不同而出现不需要的差分电容变化(在检测电容器与惯性效应无关联的情况下)：
ΔC1αθr-θs1
ΔC1αθr-θs1
因而，差分检测产生的偏移可以通过下面表达式给出：
off＝ΔC2-ΔC1αθs1-θs2
而且所产生的偏移会由于温度或通常能够引起基板2变形的效应而变化，并与偏向角θs1和θs2之间的差异直接成比例。
发明内容
本发明旨在解决前面突出强调的问题，特别是提供对沿正交轴z的加速度灵敏的微机电结构，所述微机电结构能够减少由于温度变化或各种机械应力而导致的其电气特性的漂移。
附图说明
为了更好地理解本发明，下面参照附图描述本发明的优选实施例，但本发明并不限于这些示例，其中：
-图1为已知类型的z轴检测装置的MEMS结构的平面示意图；
-图2a为存在相应基板变形的情况下图1中的MEMS结构沿图1中的剖面线IIa-IIa的横截面视图；
-图2b示出了与图2a中的MEMS结构的基板变形关联的角度示意图；
-图3为根据本解决方案的一个方面的z轴检测装置的MEMS结构的平面示意图；
-图4a为存在相应基板变形的情况下图3中的MEMS结构沿图3中的剖面线IVe-IVe的横截面视图；
-图4b为与图4a中的MEMS结构的基板变形关联的角度示意图；
-图4c为存在相应基板变形的情况下图3中的MEMS结构沿图3中的剖面线IVc-IVc的横截面视图；
-图5为根据本解决方案的一个实施例包含MEMS结构的电子器件的原理框图；
-图6为根据本解决方案的一个变型z轴检测装置的MEMS结构的俯视示意图。
具体实施方式
在下文中将详细描述，本解决方案的一个方面构想提供一种MEMS结构，通过将与检测电极关联的锚定区布置在与惯性质量体关联的中央锚定元件的紧邻处，以在存在基板变形的情况下使相同检测电极感知的变形最小化。实际上，如果在中央锚定元件邻近位置估计，能够最小化移动质量与检测电极之间的差分变形(另请参见之前的图2a和2b)。
在一个实施例中，与检测电极关联的前述锚定区可以布置在与惯性质量体关联的中央锚定元件的邻近处，邻近程度取决于制造MEMS结构的技术和制造工艺。
参照图3的图示及图4a和图4c的相应横截面(其中，与前述其他元件类似的元件标识为相同的附图标记，此处不再赘述)，z轴检测装置(例如加速度计)的MEMS结构(此处标识为10)不同于参照图1描述的结构，实质上增加了悬置结构12，悬置结构12布置在窗口4内部并配置为以悬置方式支承位于基板2之上和惯性质量体3之下的检测电极5a和5b(即与基板2的上表面2a之间存在一定非零的距离)。
检测电极5a和5b的构造与图1示出的解决方案大致相同(这样，不会改变检测特性，例如对外部加速度的灵敏度)，检测电极5a和5b保持与基板2的上表面2a大致平行(不存在相同基板2变形的情况下)和与惯性质量体3平行(不存在相同惯性质量体3惯性位移的情况下)。
悬置结构12锚定到基板2的第一锚定区14a和14b，第一锚定区14a和14b布置在中央锚定元件7和惯性质量体3的旋转轴线A的紧邻处。此外，检测电极5a和5b在第二锚定区16处锚定到悬置结构12的，第二锚定区16在相同检测电极5a和5b与悬置结构12之间延伸。
换言之，检测电极5a和5b经由两级锚定结构以旋转轴线A为中心线间接锚定到基板2，并位于惯性质量体3的中央锚定元件7的邻近位置，其中两级锚定结构包括：第一锚定级由布置在基板2的上表面2a与悬置结构12之间的第一锚定区14a和14b构成；第二锚定级由布置在悬置结构12与检测电极5a和5b之间的第二锚定区16构成。
特别地，第一锚定区14a和14b包括在基板2的上表面2a与悬置结构12之间延伸的柱形或柱状元件，而第二锚定区16包括在悬置结构12与相应的检测电极5a和5b之间延伸的相应的柱形或柱状元件。
如图4b(为了图示更清晰而未按照比例绘制)所示，在本实例中，与检测电极5a和5b关联的偏向角θs1和θs2是在对应于第一锚定区14a和14b的中央轴线(或者，换言之，对应于截面中相同第一锚定区14a和14b沿第一轴x的中心)并进而邻近旋转轴线A的位置测量的结果。
因而显著减小偏向角θs1和θs2的值差异(两个角实际上基本相等)，从而减小电容差值ΔC的检测值偏移(另请参阅前面描述)。
优选地，悬置结构12的存在能够减小漂移，而不限制检测电极5a和5b的平面视图中的尺寸(与已知解决方案相比，例如图1的解决方案)，从而避免沿轴z的检测灵敏度显著下降。
更详细地，在一个实施例(如前述图3所示)中，悬置结构12布置在限定于惯性质量体3内部的窗口4内部，并具有第一悬置部12a和第二悬置部12b，它们相对于旋转轴线A对称地布置在相对侧。
每个悬置部12a和12b都具有梳形构造，包括主体18和臂19，主体18沿第二轴y与旋转轴线A平行延伸并与在弹簧8a和8b的邻近位置与其并排布置，臂19从主体18开始沿横向延伸(例如，沿第一轴x)。
特别地，悬置部12a和12b的主体18的在中央地耦合到相应的第一锚定区14a和14b，第一锚定区14a和14b将相同主体18约束到基板2上紧邻中央锚定元件7的位置。特别地，主体18仅锚定在第一锚定区14a和14b上，并相对于基板2被悬置。
在示出的实施例中，第一锚定区14a和14b沿第一轴x与中央锚定元件7并排布置，并与相同中央锚定元件7间隔距离c(距离c是第一锚定区14a和14b的中央轴线与旋转轴线A之间沿第一轴x的计算距离)。
在一个实施例中，距离c可以介于20μm和50μm之间。
此外，锚定区14a和14b与中央锚定元件7沿惯性质量体的中央轴线布置并与第一轴x平行地定向。
前述距离c小于检测电极5a和5b的中央轴线与旋转轴线A之间沿第一轴x的距离d；例如，距离c与距离d的比值介于1/6和1/2之间，特别地介于1/5和1/3之间。
悬置部12a和12b的臂19承载相应的第二锚定区16，第二锚定区16在检测电极5a和5b与相同臂19之间延伸。
在图3示出的实施例中，每个臂19都承载相应第二锚定区16。然而，显然臂19中的一些臂可以不与在下面的检测电极5a和5b耦合。优选地，至少两个臂19布置悬置部12a和12b的端部(沿第二轴y)，以承载耦合到下面的检测电极5a和5b的相应的第二锚定区16(这样可确保在静息状态下其布置方向与惯性质量体3大致平行)。
此外，在图3示出的实施例中，惯性质量体3具有在窗口4内部与悬置部12a和12b的臂19互为梳齿的构造，该构造在相应的第一部分3a和第二部分3b处具有多个齿部20，齿部20与悬置部12a和12b的相应的臂19互为梳齿。
因而，检测电极5a和5b布置在惯性质量体3的齿部20之下，经由相应的悬置部12a和12b以悬置方式承载在基板2的之上。
前面描述已经清楚地介绍了所提出的微机电检测机构的优点。
无论如何应该再次强调的是，本解决方案能够最小化MEMS结构10的电气性能例如由于温度变化或机械应力(例如源自将相应电子器件焊接到印刷电路或任何其他原因)而导致基板2变形所产生的漂移。
这样，MEMS结构10非常稳定，而不需要考虑运行条件以及在相应封装中的装配条件。
例如，与传统解决方案相比，假如检测机构不改进，即构造和检测电极5a和5b相对于惯性质量体3的布置基本不变，则关于灵敏度的一般检测性能不会受到损害。
由于针对基板2之上的材料层基本采用了相同的增长和选择性蚀刻步骤，因此所述解决方案甚至没有构想对常用制造工艺流程进行改进。
上述优点阐述了电子器件20中MEMS结构10和相应z轴加速度传感器的特定优点，如图5所示。特别地，在图5中，微机电传感器标识为22，并包括前述MEMS结构10和ASIC23，ASIC23提供相应读数接口(并可以使用与MEMS结构10相同或不同的模具获得，其无论如何都可以封装在相同封装中)。
优选地，电子器件20是移动通信便携式设备，例如移动电话、PDA(个人数字助手)、便携式计算机以及具有录音功能的数字音频播放器、照相机或摄像机、视频游戏的控制装置等，电子器件20通常能够处理、存储、和/或传输和接收信号和信息。
电子器件20包括微处理器24和输入/输出接口25，微处理器24接收微机电传感器22检测到的加速度信号，输入/输出接口25提供例如连接到微处理器24的键盘和显示器。进一步地，电子器件20可以包括扬声器27和内部存储器28，扬声器27用于在音频输出端(未示出)生成声音。
例如，在没有GPS或GPS辅助的情况下，加速度传感器22可以用于惯性导航。
最后，在不偏离本发明的范围的情况下，此处描述和示出方案的变型与改进都在随附权利要求的限定范围内。
特别地，在不需要对检测电极5a和5b的锚定和悬置的解决方案进行实质改进的情况下，MEMS结构10的一些方案可能有所不同。
例如，显然悬置结构12的每个悬置部12a和12b的臂19的数量在示出的实施例中可能有所不同。此外，如前所述，与臂19关联的第二锚定区16的数量可能会与此处示出的实施例不同。
如图6所示，检测结构10的不同实施例构想悬置结构12的每个悬置部12a和12b的中央主体18具有一对相应的第一锚定区14a和14b，它们布置在中央锚定元件7的邻近位置并位于第一轴x的相对侧。成对的第一锚定区14a和14b还布置在旋转轴线A的相对侧。
换言之，在本实例中，第一锚定区14a和14b布置在方形或矩形(在平面图中)的顶点，而中央锚定元件7布置在相同方形或矩形的中心。
在同一实施例中，每个悬置部12a可以还分为不同的两半，每半耦合到相应的锚定区14a和14b。
在不同的实施例(未示出)中，悬置结构12可以沿垂直轴线z方向与惯性质量体3的高度不同(相对于基板2)；例如，悬置结构12可以布置在惯性质量体3之下，在本实例中悬置结构12可以具有“完整”结构而非梳齿结构。
固定电极5a和5b的数量可能与示出的实施例不同，实际上可以有更多的电极数量(例如，根据设计为与惯性质量体3共同形成两个检测电容器C1和C2的适当电极布置，电极彼此短路)或者也可以有一个固定电极，在本实例中不采用差分检测方案。
特别地，在本实例中，如果存在不同数量的检测电极，这些电极将经由悬置在基板2之上的悬置结构12锚定到基板2上中央锚定元件7的邻近位置，如前详细所述。
此外，检测电极5a和5b的形状可能与前面示出的实施例不同。
显然，描述的解决方案可以优选地适用于不同类型的传感器，其中需要检测沿轴z的电容变化例如在陀螺仪、麦克风或压力传感器中。
最后，显然描述的解决方案同样适用于能够检测沿第一轴x和/或第二轴y的加速度(或不同漂移量)的单轴传感器、双轴传感器或三轴传感器(为此，为这些传感器提供通过已知方法获得并布置的移动和固定电极)。

Claims (10)

1.一种微机电检测结构，包括：
基板，具有在平面中延伸的上表面并具有中央区；
中央锚定元件，相对于所述基板被固定，并且被布置在所述中央区中；
固定电极的检测电极装置；
惯性质量体，被悬置在所述基板之上，并且至少部分地面向所述检测电极装置，所述惯性质量体被电容地耦合到所述检测电极装置；
弹性元件，将所述惯性质量体耦合到所述中央锚定元件并且被配置为支撑所述惯性质量体，使得所述惯性质量体根据沿穿过所述平面的垂直轴线待检测的量而围绕旋转轴线自由旋转，所述中央锚定元件被布置在所述旋转轴线处；
第一锚定区，被耦合到所述中央区中的所述基板；
悬置结构，被耦合到所述第一锚定区，并且被悬置于所述基板上方，其中所述悬置结构包括多个臂，所述多个臂与主体沿横向分离，所述悬置结构包括多个第二锚定区，所述多个第二锚定区被耦合至所述臂中的至少一些臂并且被耦合至所述检测电极装置，所述多个第二锚定区被设计为在所述臂之下支撑所述检测电极装置的相应的检测电极，从而所述检测电极装置被悬置在所述基板之上并在所述惯性质量体之下。
2.根据权利要求1所述的结构，其中所述惯性质量体具有与所述悬置结构的所述臂互成梳齿的部分。
3.根据权利要求1所述的结构，其中所述臂中的每个臂承载朝向所述检测电极装置的相应的检测电极的相应的第二锚定区。
4.一种微机电传感器，包括：
微机电检测结构，包括：
基板，具有上表面并具有中央区；
中央锚定元件，被固定到所述中央区中的所述基板；
惯性质量体，被悬置在所述基板之上；
弹性元件，将所述惯性质量体耦合到所述中央锚定元件并且被配置为支撑所述惯性质量体，使得所述惯性质量体响应于加速度而围绕旋转轴线自由旋转；
检测电极，被悬置在所述基板之上并在所述惯性质量体之下；
第一锚定区，被固定到所述中央区中的所述基板；
悬置结构，具有被耦合至所述第一锚定区的第一部分和被悬置在所述基板之上的第二部分；以及
第二锚定区，被耦合到所述悬置结构的所述第二部分并被耦合到所述检测电极，而没有被直接耦合到所述基板，所述第二锚定区沿着穿过所述基板的所述上表面的方向被定位在所述检测电极中的一个检测电极和所述悬置结构之间，所述第二锚定区和所述悬置结构被配置为将所述检测电极支撑在悬置于所述基板和所述惯性质量体之间的位置中；以及
被电耦合到所述微机电检测结构的电子读数电路。
5.根据权利要求4所述的传感器，其中所述传感器是z轴加速度计，所述z轴加速度计被设计为沿着与所述基板的所述上表面垂直的轴线定向地检测加速度。
6.一种电子设备，包括：
微机电检测结构，包括：
基板，具有在平面中延伸的上表面；
中央锚定元件，在中央区处被固定到所述基板；
惯性质量体，被悬置在所述基板之上；
弹性元件，将所述惯性质量体耦合到所述中央锚定元件并且被配置为支撑所述惯性质量体，使得所述惯性质量体响应于加速度而围绕旋转轴线自由旋转；
固定的检测电极，被悬置在所述基板之上并在所述惯性质量体之下；
第一锚定区，在所述基板的所述中央区处被附接到所述基板；
悬置结构，被耦合至所述第一锚定区并且被所述第一锚定区悬置，所述悬置结构具有面向所述基板的下表面；以及
第二锚定区，被耦合到所述悬置结构和所述固定的检测电极，而没有被直接耦合到所述基板，所述第二锚定区沿着穿过所述悬置结构的所述下表面的方向而被定位于所述固定的检测电极中的一个固定的检测电极和所述悬置结构之间，所述第二锚定区和所述悬置结构被配置为将所述固定的检测电极支撑在悬置于所述基板和所述惯性质量体之间的位置中；
被电耦合到所述微机电检测结构的电子读数电路；以及
被电耦合到所述电子读数电路的微处理器单元。
7.根据权利要求6所述的电子设备，其中所述电子设备是移动电话、个人数字助手、便携式计算机、具有录音功能的数字音频播放器、照相机、摄像机、以及视频游戏的控制设备中的至少一种。
8.一种用于制造微机电检测结构的方法，所述方法包括：
提供基板，所述基板具有在平面中延伸的上表面并具有中央区；
形成悬置电极的检测电极装置；
形成惯性质量体，所述惯性质量体被悬置在所述基板之上，所述惯性质量体至少部分地面向所述检测电极装置；
形成弹性元件，所述弹性元件将所述惯性质量体耦合到被固定在所述基板的所述中央区中的中央锚定元件，所述弹性元件支撑所述惯性质量体，使得所述惯性质量体沿穿过所述平面的垂直轴线根据待检测的量而围绕旋转轴线自由旋转，所述中央锚定元件被布置在所述旋转轴线处；以及
形成悬置结构，所述悬置结构被配置为支撑被悬置于所述基板之上并且在所述惯性质量体下方的所述检测电极装置，所述悬置结构通过至少一个第一锚定区被锚定到所述基板，并且所述检测电极装置通过不被直接耦合到所述基板的至少一个第二锚定区被锚定到所述悬置结构，所述至少一个第二锚定区在所述检测电极装置之上并在所述悬置结构之下。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括在所述惯性质量体中形成贯通开口。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述微机电检测结构是z轴加速度计，所述z轴加速度计沿着所述垂直轴线定向地检测加速度。
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