CN1389704A - 三轴移动传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用来检测半导体晶片结构的三维移动的微机电系统(MEMS)移动传感器(10)。MEMS器件(10)具有上(30)、中(40)、下(20)层,和一通过屈曲部分(56)附连在该中层(40)上的动子(50),屈曲部分允许该动子(50)相对于这些层(20,30,40)作三维移动。该动子(50)具有动子电极(70,72),这些动子电极与安置在邻近层(20,30)上的相反电极(80,82)一起产生一电容。当该动子(50)移动时该电容就发生变化。一电容检测器(90)接收来自该电极(70,72,80,82)的信号,并根据该电容的变化来检测该动子(50)的移动。该MEMS器件(10)处理该检测到的电容以便测定该动子(50)的移动特性。

Description

三轴移动传感器
发明领域
本发明一般涉及用来检测由外力在设备上所引起的移动的传感系统。更具体地说，它涉及一用来检测半导体晶片系统一部分的移动的微机电系统(MEMS)移动传感器，它是通过检测电容随设备移动而变化的电容来实现的。
发明背景
在电子学测量装置和其它装置的领域中，需要测定作用在装置上的一外力，或其它的力在何时使一设备发生物理上的移动。还需要测定该力的性质，包括利用安置在该设备上的小型的廉价移动检测装置来测定如该力的方向和强度这样的性质。各种各样的系统都可用来检测施加在物体上的力。例如，需要测量由地震、星体之间的引力、运载工具(vehicle)的移动、人对物体的作用、或者任意数目的其它力的来源所引起的力。现存有一些系统用来检测这样的一维或二维移动的，但这些系统却不能有效地检测三维移动。
现行的移动传感系统包括在运载工具中所使用的系统和在计算机或视频游戏输入装置中所使用的系统，如操纵杆。这样的一些系统利用基于电容的移动传感器来检测二维移动，它们根据电容的变化来识别移动的变化。将一些相反电极安置在该装置的静止部分和装置的可移动的部分上，并检测这些电极之间的电容。电容随该可移动部分的移动而变化。现行的系统可利用一单个的移动块来检测一维或二维的移动，但却不能利用同样的移动块来检测三维移动。现行系统利用多个移动块形成一些一维或二维移动传感器的组合来检测三维移动。这就使检测移动的硬件设计变得很复杂，而且还会消耗该电子装置半导体晶片上的宝贵空间。
对于检测设备的三维移动来说，所需要的是一小巧而廉价的系统。具体来说，需要的是MEMS器件，以便利用最小的空间和利用最少的移动部件来检测设备的三维移动。
发明概述
本发明公开了一种用来检测半导体晶片结构的三维移动的微机电系统(MEMS)的移动传感器。MEMS器件具有顶、中、底层，和一通过一屈曲部分附连在该中层上的动子，这屈曲部分能使该动子相对于这些层作三维移动。系统可以是一半导体芯片，如电子器件中的处理器的一部分。动子具有一些动子电极，这些动子电极与安置在相邻层上的一些相反电极一起产生电容。这些电极之间的电容随动子的移动而变化。一电容检测器接收来自每一电极的信号，并根据该电容变化来检测该动子的移动。MEMS器件处理该检测的电容来确定该动子的移动特性。
动子电极和相反电极包括：X-Y动子电极与X-Y相反电极和Z动子电极与Z相反电极，前两X-Y电极用来检测平行于该中间层的X-Y平面中的移动，而后两Z电极则用来检测在与该X-Y平面垂直的方向上的移动。在一个实施例中，该动子是通过一些屈曲部分与该中间层相连的，其控制该动子的移动，使动子沿三维方向移动而且还能促使该动子回到静态位置。每一层都可是一独立的半导体晶片。
本发明还公开了一种用来检测在该器件上的作用力的三晶片的MEMS器件。在该三晶片器件中，每一层都可是一独立的半导体晶片，而该动子就附连在该中间的晶片上。该MEMS器件可具有一些相反电极和相应的动子电极，该相反电极既可安置在顶层晶片上，又可安置在底层晶片上。
附图简介
图1画出一个三层半导体晶片的MEMS器件的透视图。
图2画出沿2-2’线截取的图1所示MEMS器件的横截面，它表示一动子的顶视图。
图3画出图1所示MEMS器件的一沿3-3’线截取的横截面。
图4画出该动子的顶视图，它表示在初始状态时的电极之间的关系。
图5画出在动子移动后图4所示的该动子的顶视图。
图6画出在电极和电容检测器之间的连接框图。
图7画出使用该MEMS器件的设备的方框图。
发明详述
图1画出一检测移动用的微机电系统MEMS器件10，它利用一些电容器板或电极来检测一悬浮动子的移动。该MEMS器件10可封装在一保护壳(未画出)中，作为集成电路芯片的一部分。一中间层40安放在上层30和下层20之间，并用连接材料60与各层相连起来。该层20、30、40可以是，例如，半导体晶片。在一个实施例中，该层20、30、40中的每一层都是一独立的半导体晶片，而且该连接材料就是晶片粘结材料60。在其它实施例中，层20、30、40中的每一层可以是一单个半导体晶片的一部分，也可是两或多个晶片的一部分。
该中间层40具有一动子50，它可以安置在下层20和上层30之间，能相对于该下层20和上层30进行三维移动的任何质量。为了给该动子50提供一较大的质量可以利用三晶片实施例。当该MEMS器件10，例如被一外力移动时，动子50就相对于下层20和上层30移动。
系统10通过测量电容器的电容值的方法来检测动子的移动，这些电容器是在该动子50上的电极70、72与下层20和/或上层30上的电极80、82之间形成的。动子50具有至少一个动子电极70、72。下层或上层20，30具有至少一个相反电极80，82。在一个实施例中，每个动子电极70，72都具有一相反电极80，82。该MEMS器件10检测每个动子电极70，72与相反电极80，82之间的电容。这些电极的重叠就形成一电容器，根据公式
Figure A0212216500061
其电容的变化与该动子50的位置有关，公式中的C是电容，ε0是介电常数，A是该动子电极70，72与该相反电极80，82之间的重叠面积，而d则是该动子电极70，72与该相反电极80，82之间的距离。在该动子电极70，72与该相反电极80，82之间所检测到的电容会根据该动子50的位置发生变化。在图1所示例子中，当该动子沿Z方向移动时，该电极70与80之间的距离就会发生变化，而当动子沿X或Y方向移动时，该电极70与80之间的重叠面积则会发生变化。在图1所示的实施例中，电极70，72，80，82都是作为附着在该动子50或相邻层20，30上的分离元件。在其它的实施例中，该电极70，72，80，82可以是动子50或层20，30中的一些限定区域，这些区域是用产生隔离井(isolated well)的掺杂方法形成的。
在图1所示的实施例中，动子50在其顶表面和底表面上都具有5个动子电极70，72。在下层和上层20，30上都安置有5个相反电极80，82。这些电极70，72，80，82都与一电容检测器(未画出)相连，该电容检测器具有适当的电路系统来测量该电容。如图1所示，该动子50可沿三个方向X，Y和Z移动，其中Z是板20和30之间的垂直方向。当该动子50沿X和Y方向移动时，一些或所有的相应电极70，80之间的重叠面积就发生变化，从而引起电容的变化。当该动子50沿Z方向移动时，电极70，72，80，82之间的距离就会变化，从而引起电容的变化。该电路系统检测每个电极70，72，80，82的这些变化。根据每个这些电容，MEMS器件10就可确定该动子50的移动和移动的方向。
图2画出沿2-2’线截取的图1所示MEMS器件10的一横截面，它表示一动子50的顶视图。图中画出了安置在该动子50顶上的5个动子电极70，72。该动子50通过一些连接器56与中间层相连，这些连接器也叫做屈曲部分56。该屈曲部分56能使该动子50相对于下、中、上层20、40、30作三维移动，而且还能促使该动子50回到机械平衡的静止位置。屈曲部分56可用与中间层40和动子50相同的材料制作，也可用可微加工的材料，如硅来制作。可用任何数目的屈曲部分56来将该动子50连接到该中间层40上。动子50的每一侧可具有一个或多个屈曲部分56，也可一个没有。
图3画出图1所示MEMS器件10的一沿3-3’线截取的横截面。动子50通过一些屈曲部分56与该中间层40相连。该动子50具有一面对该上层30的顶表面52和一面对该下层20的底表面54。在所示实施例中，该动子50具有安置在顶表面52和底表面54上的一些动子电极70，72。在这实施例中，在该动子50两侧的一些电极对70，72，80，82的电容可被确定以为电容检测器(未画出)所使用的差分电子线路提供数据，以便根据每对电极70，80之间检测的电容变化来测定移动。用连接材料60将这些层20，30，40连接起来。在动子电极70，72和相反电极80，82之间产生一电容。当该动子50相对于该上，下层20，30移动时，则会由于这些电极70，72，80，82之间的距离变化，和/或这些电极70，72，80，82之间重叠面积的变化而使电容发生变化。
图4画出该动子50的顶视图，它表示该相反电极80，82与该动子电极70，72的重叠情形。在图4所示的实施例中，该动子50具有5个动子电极70，72和5个相反电极80，82。在一个实施例中，该中心的相反电极82可以主要用来确定这些电极70，72，80，82之间的距离变化，这距离的变化就表示沿Z轴的移动。该中心的相反电极82可以被叫做Z相反电极82，而中心的动子电极72则可被叫做Z动子电极72。如这里所用，术语Z电极72，82，Z相反电极82，和Z动子电极72都是指任何能检测在该中间层平面之外的一方向上移动的电极，不管那个方向是否与该中间层40正交，和不管该移动是否用电极72，82之间的距离变化，电极72，82之间重叠面积变化，或任何其它的电容变化来检测。可将动子电极70，72和相反电极80，82的电极对叫做电容器。将Z电极72，82的电极对叫做Z电容器。该Z电极72，82可主要用来检测在Z方向上的移动。在这实施例中，可将Z电极72，82设计成这样，使得它们之间的电容，当该动子50在X或Y方向移动时，基本上不变化。例如，Z动子电极72可做得比Z相反电极82小(反之亦然)，使得当该动子50沿X和Y方向移动时，其重叠面积不会发生变化。
在图4所示的实施例中，相反电极80具有一与相应的靠外的动子电极70的重叠面积。这些电极70，80被叫做X-Y相反电极80和X-Y动子电极70，因为它们检测的是在X-Y平面上的移动-这就是说，移动基本上是与该中间层40所限定的平面平行的。如这里所使用的那样，不管该移动是否通过电极70，80之间的距离变化，电极70，80之间的重叠面积变化，或任何其它的电容方面的变化来检测，术语：X-Y电极70，80，X-Y相反电极80，和X-Y动子电极70都是指能检测相对于该中间层40的侧向移动的任何电极，也就是，一般沿在该中间层40内的平面的方向上，或平行于所述的X-Y平面内的方向上的移动，不管该移动是否通过电极70，80之间的距离变化，电极70，80之间的重叠面积变化，或任何其它的电容方面的变化来检测，X-Y电极70，80的电极对可被叫做X-Y电容器。MEMS器件10可检测由该X-Y相反电极80和X-Y动子电极70之间重叠面积的变化所引起的电容变化。在一个实施例中，X-Y电容器包括X电容器和Y电容器，X电容器具有的重叠面积仅随在X方向上的移动而变化，而Y电容器具有的重叠面积则仅随在Y方向上的移动而变化。就像Z电极72，80的情形一样，这可以用下述方法来实现，例如，通过使该X-Y动子电极70的表面积(或该表面积的一个线度)相对于该X-Y相反电极80是小的(反之亦然)，使得在该动子50沿一特定方向移动时其重叠面积不会发生变化。在图4所示的实施例中，尽管任何数目的X，Y，和Z电容都可使用，但相对于该动子50的各个部分来说，都安置有多个X-Y电容器，以便使电容检测器对移动的检测得到改善。
动子50的移动可不直接对准于X，Y，Z轴进行，像定义的那样，而代之的是，其移动在所有三个维度方向上都可具有矢量分量。像这里所使用的那样，提及这些轴和平面仅只是为了方便，而指的是任何移动或这样的移动在一具体轴或任何具体平面内的任何矢量分量。例如，术语，如“向Z方向的移动”，“沿X轴的移动”，或“在X-Y平面内的移动”是指可沿任何选定轴规格化的任何移动的矢量分量。根据动子电极和相反电极70，72，80，82之间的电容变化来检测移动的一些分量，MEMS器件10就可测定在所有三个维度方向上的移动特性。
可利用一电容检测器(未画出)根据在各电极70，72，80，82之间检测的电容来确定该移动的特性。在使用4个X-Y相反电极80和相应的动子电极70的图4例子中，该电容检测器也许会检测到两个电容的增加和其它两个电容的减小，这表示该X-Y移动对轴来说是斜对着的。在所示实施例中，在该X-Y相反电极80上检测的电容也将随Z向移动而变化，这是因为该X-Y电极70，80之间的距离也将发生变化。通过考虑只由Z向移动所引起的电容差，该电容检测器就可将X-Y移动和Z移动分离开，该电容差，例如，可从Z电极对72，82测定。与Z向移动对照，该电容检测器就可通过Z移动的测定将归因于X-Y移动的X-Y电容器上的变化区分开。在图4中，MEMS器件10是表示处于一静止位置上，这时每个X-Y电极70，80的重叠面积基本上是相同的。当该动子50移动时，一个或多个X-Y电极70，80的重叠面积将发生变化。
图5画出与图4相同的视图，它表示在该动子50相对于其它层20，30，40移动后的情况。在图5所示的例子中，按照该例子的参考轴来说动子50就是已沿该X和Y方向向下和向右移动。当该动子50移动时，对于各电极来说，X-Y动子电极70和X-Y相反电极80的重叠面积都会发生变化。重叠面积的变化会引起该X-Y电极70，80的电容变化，这种电容变化可被电容检测器所检测。在图5所示的实施例中，在该动子50移动后，该Z动子电极72不会与任何X-Y相反电极80重叠，而且仍旧完全与该Z相反电极82重叠，这是因为该Z动子电极72的表面积比该Z相反电极82的表面积小所致。在这实施例中，当该动子50沿X和Y方向移动时，在Z电极72，82之间所检测的电容可基本上是恒定的，而且Z电极72，82之间所检测的电容主要可用于检测Z向移动，也即，检测使电极72，82之间距离发生变化的移动，而不是检测重叠面积。
图6画出一MEMS器件10的电容检测系统的框图。该相反电极80和该动子电极70分开一距离d并具有一重叠面积。一电极连接器92将该相反电极80连接到一电容检测器90上。一类似的电极连接器94将该动子电极70连接到该电容检测器90上。电极连接器92，94可通过，例如，屈曲部分56和连接材料60连接到电容检测器90上。电容检测器90是一能够测定电容的任何电路系统。在所示的实施例中，来自该动子电极70的电极连接器94被示出是通过该屈曲部分的。在其它的实施例中，该电极连接器94可不通过该屈曲部分56，而代之的是，例如，具有一经过该屈曲部分旁边的分开的连接。在另一些实施例中，该电极连接器94还可使用无线连接技术来与该电容检测器90连接。
该电容检测器90包括能确定在电极70，72，80，82之间所检测的电容的硬件。如这里所使用的那样，电容检测器90指的是用来测定两电极之间，如该相反电极80，82和该动子电极70，72之间的电容的任何硬件或软件系统。在一个实施例中，使用了多个动子电极70，72和相反电极80，82，而且该电容检测器90接收来自一些或所有这些电极的输入信号，以便利用一差分电子线路来测定这些电极70，72，80，82之间所检测的电容。在这实施例中，该电容检测器90可以是一测定该动子50位置或该移动特性的处理器。在另一实施例中，使用了多个电容检测器90，它们中的每一个检测一电极对70，80之间的电容，并将关于该电容的信息送到一独立的处理器上(未画出)。在所示实施例中，电容检测器90被安置在上层30中，通过中间层40和连接材料60接收来自动子电极70的电极连接器94。在一个实施例中，电容检测器90使用一开环系统，这系统使一AC信号通过电极70，80来测量该电容。另一实施例使用了一闭环系统，其中，电极70，72，80，82可被用作反馈环路中的电容器或驱动器来根据该动子50的移动产生一误差信号，这误差信号可与这样的移动成比例。本技术的业内人士将会明白，该电容检测器90可按需要安置在各种位置上，作为该MEMS器件10的一部分，或与该MEMS器件10分开。
图7画出一使用该MEMS器件10的设备100的方框图。该设备100可以是，例如，用于各种目的的一个使用半导体晶片结构110的电子装置100。该电子装置100可以具有一显示信息的显示装置140，和一接收信息的输入装置150。该电子装置100可以利用一处理器120来处理输入和输出信息。在图7所示的实施例中，该处理器120是该晶片结构110的一部分并与该MEMS器件10相连接。在图7所示的实施例中，晶片结构110还包含一与该处理器相连的存储器130。在所示的实施例中，对于MEMS器件10，处理器120，和存储器130来说，使用了一单个晶片结构110。在其它的实施例中，处理器120和/或存储器130可以与MEMS所使用的晶片结构110分开。在使用过程中，电子装置100移动就引起在该MEMS器件10中的该动子50移动。MEMS器件10检测电子装置100的移动并将信号送到该处理器120中。该处理器120那时就可根据该移动采取行动。
在一个例子中，该电子装置100可以是一台个人数据助理，膝上型计算机，或在不用时就关闭或“休眠”的无线电话。该MEMS器件10可以充当一输入装置，当外力作用在该装置100上时，它就通知处理器120，以便处理器120可根据所检测的外力对该装置100进行控制。当它检测到移动时，如用户拾取装置100的移动，该装置100就可开启。在检测移动的过程中，该MEMS器件10就可将一信号送到该处理器120中，接着就使该电子装置100开启。
虽然本发明已就其一些具体实施例作了描述，但进行一些变化还是可能的。本发明可以用一些具体的形式来实施而并不偏离本发明的基本精神或属性。具体地说，虽然本发明的一些实施例表明具有三个半导体晶片层，但任何数目的层都是可使用的。虽然画出了电极的某些几何形状和位置，但许多电极都可使用，并可根据面积、距离，或两者的变化引起电容变化。最好是，此处描述的实施例在所有方面都被认为是例证性的而不是限制性的，而且为了确定本发明的范围，最好参考所附的权利要求和它们的等效表述。

Claims (10)

1.一种微机电系统(MEMS)器件(10)，包括：
第一层(30)，它包括一相反电极(80，82)；
第二层(40)，安置在该第一层(30)的邻近，该第二层(40)包括：
中间晶片(40)，它与该第一层(30)相连接；
动子(50)，它附连在该中间层(40)上，而且能够相对于该中间层(40)和第一层(30)进行三维移动，该动子(50)包括一动子电极(70，72)，动子电极安置邻近于该相反电极(80，82)，并能在该相反电极(80，82)和该动子电极(70，72)之间产生一电容，其中，动子(50)的移动引起该动子电极(70，72)相对于该相反电极(80，82)的移动，其中该电容依赖于该动子的位置而变化；
电容检测器(90)，用来检测所述电容。
2.按照权利要求1所述的器件，其中，该第一层(30)包括一X-Y相反电极(82)，而该动子(50)包括一X-Y动子电极(70)，其中X-Y相反电极(82)和该X-Y动子电极(70)被用来检测沿平行于该中间晶片(40)的方向的移动。
3.按照权利要求1或2所述的器件，其中，第一层(30)包括一Z相反电极(82)，而该动子(50)包括一Z动子电极(72)，该Z相反电极(82)和Z动子电极(72)被用来检测沿与该中间层(40)垂直的方向的移动。
4.按照权利要求1，2或3所述的器件，其中：当动子(50)只在该X-Y平面内移动时，Z相反电极(82)所检测的电容基本上不发生变化。
5.按照权利要求1，2，3或4所述的器件，其中，该第一层(30)包括X-Y相反电极(80)和Z相反电极(82)，而该动子(50)包括一X-Y动子电极(70)和一Z动子电极(72)；而且动子(50)能够进行三维移动，该移动由X和Y以及Z方向所限定，所述X和Y方向限定一基本与中间层(40)平行的X-Y平面，所述Z方向则与该X-Y平面正交；以及其中在X或Y方向上的移动使该X-Y动子电极(70)和X-Y相反电极(80)之间的电容发生变化；并且其中在Z方向的移动则使该Z动子电极(72)和Z相反电极(82)之间的电容发生变化。
6.按照权利要求5所述的器件，其中：在X或Y方向的移动使该X-Y动子电极(70)和X-Y相反电极(80)之间的重叠面积发生变化；在Z方向的移动则使该Z动子电极(72)和Z相反电极(82)之间的距离发生变化。
7.按照权利要求1，2，3，4，5或6所述的器件，还包括一第三层(20)，将它这样与该第一层(30)和第二层(40)平行安置，以便使该第二层(40)处于第一和第三层之间。
8.一种电子装置(100)，包括：
处理器(120)；
微机电系统(MEMS)器件(10)，与该处理器(120)相连，用来检测该电子装置(100)的移动，该MEMS器件(10)包括：
第一层(30)；
第二层(40)，与该第一层(30)相邻；
动子(50)，与该第二层(40)相连，当在该MEMS器件(10)上施加一力时，这动子(50)就相对于该第一层(30)进行三维移动；
多个X-Y电容器，用来检测该动子(50)在X或Y方向的移动，这多个电容器中的每一个都包括：
与该动子(50)相连的X-Y动子电极(70)；
与该第一层(30)相连的X-Y相反电极(80)；
其中动子(50)在X或Y方向的移动会引起该X-Y动子电极(70)相对于该X-Y相反电极(80)的移动；
用来检测Z向移动的Z电容器，包括：
与动子(50)相连的Z动子电极(72)；
与第一层(30)相连的Z相反电极(82)；
其中，该动子(50)的Z向移动会引起Z动子电极(72)相对于Z相反电极(82)的移动。
9.按照权利要求8所述的器件，还包括与多个X-Y电容器和与Z电容器相连的电容检测器。
10.按照权利要求8所述的器件，其中：动子(50)的Z向移动使该Z动子电极(72)和Z相反电极(82)之间的距离发生变化，并且其中在X或Y方向的移动则使至少一对动子电极和相反电极(70，80)之间的重叠面积发生变化。
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