CN1618722B - 具有三晶片结构的微机电系统 - Google Patents

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Abstract

一种微机电系统，包括第一晶片(30)，带有可移动的部分(50)的第二晶片(40)和第三晶片(20)。可移动的部分(50)在第一晶片(30)与第三晶片(20)之间可移动。第一晶片(30)，第二晶片(40)和第三晶片(20)被粘结在一起。

Description

具有三晶片结构的微机电系统
技术领域
本发明总的涉及微机电系统(MEMS)。更具体地，本发明涉及具有三晶片结构的微机电系统。
背景技术
MEMS器件是微机械和微电子系统的组合，通过把这些系统装在一起，几乎使得每个产品目录不断被革新。MEMS器件典型地包括可移动的微机械结构和基于硅的微电子装置。一种已知的MEMS器件是MEMS换能器。Analog DecicesTM制造一种在用于撞击检测的气囊系统中使用的电容性MEMS换能器。例如，通过使用在MEMS换能器中相关的微电子装置监视在MEMS换能器中机械结构的运动而检测撞击。换能器中机械结构包括与换能器中另一个电容板相关的电容板。当机械结构移动时，由于电容板的位移造成电容的改变。电容的这个改变由微电子装置检测，并被使用来启动气囊。
Analog DecicesTM，MEMS换能器由单个晶片制造。这些换能器的机械结构是通过把多硅层沉积在硅晶片上而形成的，硅晶片典型地仅仅几微米厚。因为机械结构的有限的厚度，机械结构受到性能限制。例如，因为机械结构的最小的厚度，很难限制机械结构移动到想要的平面。这导致微电子装置检测在想要的平面上的移动以及在想要的平面外面的移动(即，串扰)。由于由单晶片MEMS结构引起的串扰，这些换能器只有非常有限的应用。
其他传统的MEMS器件典型地包括被用导线连在一起的两个芯片。在这些MEMS器件中，一个芯片包括微机械结构，以及另一个芯片包括微电子结构。这两个芯片被分开地制造，然后用导线接合在一起。这导致性能恶化和增加成本。例如，由于必须把两个芯片用导接合在一起，引入杂散电容。另外，这两个芯片必须封装在一起作为单个器件，这也增加成本。
发明内容
按照一个实施例，微机电系统(MEMS)器件包括第一晶片、第二晶片和第三晶片。第二晶片的至少一部分可移动地被连接在第一晶片与第三晶片之间。还包括一种材料，把第一晶片、第二晶片和第三晶片粘结在一起。
按照另一个实施例，MEMS器件包括一个芯片，它包括以堆叠装置被连接在一起的三个晶片。堆叠装置包括该三个晶片中的第一晶片，该三个晶片中的第二晶片，它在堆叠装置中连接至第一晶片下面，其中第二晶片包括可移动的部分，以及该三个晶片中的第三晶片，它在堆叠装置中连接在第二晶片下面。三个晶片通过使用粘结材料进行连接。在第二晶片中提供至少一个通路，用来使电信号传送通过第二晶片。
按照另一个实施例，三晶片MEMS芯片包括机械装置，用于响应于外力和芯片内部生成的力之一而移动。机械装置是位于在第一晶片和第二晶片之间的第二晶片一部分。芯片还包括结合装置，用于结合第一晶片，第二晶片和第三晶片，以形成单个芯片，以及通路装置，用于导引电信号通过第二晶片。
按照再一个实施例，MEMS数据存储器件包括第一晶片、第二晶片和第三晶片，其中第二晶片的至少一部分可移动地被连接在第一晶片与第三晶片之间。该器件还包括粘结第一晶片、第二晶片和第三晶片的材料，存储数据的贮存媒体，以及与使用贮存媒体执行数据运算有关的至少一个电路。
按照又一个实施例，MEMS换能器器件包括第一晶片、第二晶片和第三晶片，其中第二晶片的至少一部分可移动地被连接在第一晶片与第三晶片之间。换能器还包括粘结第一晶片、第二晶片和第三晶片的材料，以及与至少一个电路，用来检测第二晶片的至少一个部分的运动。
附图说明
在附图中作为例子示出本发明而不是限制，图上相同的参考数字是指相同的元件，其中：
图1显示按照一个实施例的MEMS器件的透视图；
图2显示图1的MEMS器件的截面图；
图3显示按照一个实施例的MEMS数据存储器件的截面图；
图4A-B显示按照实施例的MEMS换能器器件的截面图；以及
图5显示按照另一个实施例的MEMS换能器器件的截面图。
具体实施方式
按照一个实施例，MEMS包括至少三个晶片。三个晶片被封装在一起，形成一个芯片MEMS器件。按照另一个实施例中，三晶片MEMS器件包括换能器。按照再一个实施例，三晶片MEMS器件包括存储器件。
图1显示按照一个实施例的MEMS器件10的透视图。MEMS器件10包括被放置在上部晶片30与下部晶片20之间的中间晶片40。材料60把晶片20、30和40粘结在一起，形成单个芯片。材料60也密封器件10。在上部晶片30与下部晶片20之间形成一个空腔80。空腔80用材料60密封。材料60可包括晶片粘结材料等等。
中间晶片40包括可移动的部分50，它能够在空腔80内相对于下部和上部晶片20和30移动。例如，中间晶片40可被开槽，以形成可移动的部分50。挠曲件90把可移动的部分50连接到晶片40的其余部分。挠曲件90允许可移动部分50沿所需的方向相对于下部晶片20和上部晶片30移动。例如，挠曲件90可被设计为允许可移动的部分50沿任何的X，Y，或Z方向或任何这些方向的组合的方向移动。挠曲件90也可以由中间晶片40形成。
可移动的部分50在MEMS器件10的空腔80内移动。空腔80用材料60密封。空腔80例如可包括真空或可包括介质。另外，用来主要防止水分进入MEMS器件10的气密密封装置可以用材料60和/或使用其他材料和密封来形成。
为了显示MEMS器件10的所有特性，MEMS器件10被显示为材料60比起晶片20-40厚得多。本领域技术人员显然知道，材料60和晶片20-40的厚度可以具有与图1所示的不同的比例。在一个实施例中，在中间晶片40与底部晶片20之间的材料60的厚度(它大约等于晶片之间的缝隙)例如可以是大约1到10微米。类似地，在中间晶片40与顶部晶片10之间的材料60的厚度例如可以是大约1到10微米。而且，晶片的厚度典型地是500-600微米。中间晶片40可以具有大约300微米或更小的厚度，用于形成通路72。通过减小中间晶片40的厚度，形成通路72的制造过程变为容易得多。
中间晶片40包括通路72，它将电信号导通通过中间晶片40。例如，电信号可以从在上部晶片30上的电路32通过通路72被发送到在下部晶片20上的电路，反之亦然。另外，通路72可被用来从其他晶片20和30之一发送信号到中间晶片40的表面上的电路。例如，电路22可以把信号发送到在中间晶片40的上表面上的电极70，以及电路32可以把信号发送到在中间晶片40的下表面上的电极52(图2上显示的)。电路22和32与电极52被显示来说明，通路72可被用来发送信号通过中间晶片40到可移动的部分50的表面上的部件，或到上部部件30或下部晶片20上的部件。而且，连同挠曲件90一起运行的导体(未示出)可被使用来把在中间晶片40的可移动的部分50上的电路连接到通路72。本领域技术人员将会看到，在各种实施例中，一个或多个电路22和32以及电极72和52根据用于任何特定的应用的MEMS器件10的设计，可任选地使用。而且，这里描述的电路包括无源元件(例如，电容器、电感器、电阻器、电极等)或有源元件(例如，晶体管等)，或它们的组合。电极70和52被显示为被提供在中间晶片40的表面，然而，包括有源和或无源元件的电路可被提供在任何这些表面。另外，电路可包括在一个以上的晶片上的部件。例如，电路22的零件也可以被提供在上部晶片30上，以及这些零件可以通过通路72进行通信。
图2显示图1所示的MEMS器件10的、沿线2-2’取的截面图。通路72和MEMS器件10的其他元件被显示在图2中。在一个实施例中，通路72每个可包括由绝缘物包围的晶片基底(例如，硅或多硅)。晶片基底可以是导电的，这样，它可被用作为用于通路72的导体，传送信号通过晶片40。绝缘物被使用于每个通路72，通过隔离导体形成通路72而在晶片40中产生一个以上的通路。在另一个实施例中，绝缘物可被填充以金属，在晶片40上形成通路。
图3显示按照一个实施例的MEMS数据存储器件300的截面图，它包括图1和2显示的MEMS器件10的许多特性。MEMS数据存储器件300包括三个粘结的晶片，即接点晶片330(也称为上部晶片)、转子晶片340(也称为中间晶片)以及定子晶片320(也称为下部晶片)。晶片320-340，例如，通过使用粘结材料360被粘结和被密封。转子晶片340，例如大约100微米厚，可能比起接点晶片330和定子晶片320薄得多，用于形成通路392，定子晶片320例如大约500-600微米厚。
晶片到晶片接合形成内部空腔380，被密封成高度真空。粘结材料360密封空腔380，以保持空腔380中的真空。粘结材料360可包括超高真空(UHV)密封剂和/或其他已知的材料，用于保持MEMS数据存储器件300的内部环境。
MEMS存储器件300还包括接点发射器电子装置312、场发射器接点314、贮存媒体322和读/写(R/W)电子装置332。接点发射器电子装置312可包括被形成在接点晶片330上的一个或多个电路。接点发射器电子装置312被连接到场发射器接点314。场发射器接点314，在接点发射器电子装置312的控制下，用来通过高的电磁场把电子从场发射器接点314中的金属中拉出而发射电子束。每个电子束可以聚焦在场发射器接点314对面的位于转子晶片340的上表面上的贮存媒体322的特定位置。电子束被聚焦和被使用来通过加热微小的数据斑点和改变数据斑点物理状态或相位而把数据比特写入到贮存媒体322。电子束也可被使用来确定在贮存媒体322中的数据比特状态(值)。贮存媒体322可包括媒体记录单元(未示出)，用于把数据的比特存储在MEMS数据存储器件300。Lee等的题目为“Process Flowfor ARS Mover Using Selenidation Wafer Bonding After Processinga Media Side of a Rotor Wafer”的美国专利No.6,440,820，和Gibson等的题目为“Ultra-High Density Storage Device”的美国专利No.5,557,596揭示了在发射器内的存储器件，这些专利整体地在此引用，以供参考。
代替场发射器接点314，可以使用其他R/W机制。在一个实施例中，使用光发射器(例如，激光发射器，LED等等)。光的发射器，也用314代表(但代替场发射器接点被使用)，发射光束(即，光子)。类似于场发射器接点的电子束，由激光发射器发射的光束可被聚焦和被使用来通过加热微小的数据斑点和改变数据斑点物理状态或相位而把数据比特写入到贮存媒体322。光束可被使用来确定在贮存媒体322中的数据比特状态(数值)。在R/W机构的又一个实施例中，代替场发射器接点，而使用微悬臂梁，它也可用314表示。微悬臂梁可包括加热的悬臂梁或压电悬臂梁，用于与贮存媒体322互动，从贮存媒体322读出或写入数据。对于每个实施例，接点发射器电子装置312可以用其他电子装置替换，它可被使用来控制R/W机构的各个实施方案。
R/W电子装置332包括一个或多个电路，它控制读出或写入数据比特到贮存媒体322，以及存取贮存媒体322中的数据比特，以确定数据比特值。R/W电子装置332以纳米精度控制转予晶片340的可移动的部分350的运动。可移动的部分350包括贮存媒体322。可移动的部分350被移动，使得场发射器接点314可以把光束聚焦到贮存媒体322，以存取特定的比特组。电极334被提供在可移动的部分350的下部表面，以及电极336被提供在定子晶片320的上部表面，位于电极334的对面。
电极334和336在R/W电子装置332的控制下被耦合到可移动的部分350。电极334和336包括多个单独的电极。单独的电极可被编组在一起，形成覆盖可移动的部分350的大部分表面的重复的电极图案。R/W电子装置332给电极334和336施加能量到图案中两个电压状态中的一个状态。单独的电极在可移动的部分350上重复这个图案。可移动的部分350的位置可以通过以特定的次序改变电极334和336上的电压图案而被改变。
另外，贮存媒体322通过电极(未示出)被连接到通路372，这样，比特值可被发送到R/W电子装置332。另外，R/W电子装置332通过通路372被连接到接点发射器电子装置312，以使得R/W电子装置332可以发送信号到接点发射器电子装置312，以控制在媒体322上读、写和存取贮存上的比特。
挠曲件390，如图3所示，保持在场发射器接点314与定子晶片320之间的转子晶片340的可移动的部分350，允许贮存媒体322中的数据比特相对于场发射器接点314移动，因此允许每个场发射器接点314在贮存媒体322每次移动后存取的多个数据比特。
R/W电子装置332在图3上被显示为提供在定子晶片320上。然而，R/W电子装置322的一个或多个电路可被提供在转子发射器晶片330或转子晶片340上。类似地，接点发射器电子装置312的一个或多个电路可被提供在定子晶片320或转子晶片340上。通过使用通路372，电路可以进行电通信，即使被分布在MEMS数据存储器件300的多个晶片上。而且，MEMS数据存储器件300被提供为单个芯片，这通常比起封装包括多个芯片的存储器件更便宜。此外，因为使用三晶片结构，而不是单晶片结构，执行晶片的机械加工(即，把转子晶片340磨薄到大约100微米)，不会很大地影响晶片的整体性。三晶片结构的优点可被应用到图1和2所示的MEMS器件10和图4所示的MEMS换能器器件400。
图4A-B显示按照本发明的实施例的MEMS换能器器件400的截面图，它包括图1和2所示的MEMS器件10的许多特性。参照图4A，MEMS换能器器件400通过使用电容器板或电极来检测中间晶片440的可移动的部分450的移动而检测MEMS换能器器件400的运动。挠曲件490允许可移动的部分450响应于外来的力沿x，y或z方向的一个或多个方向移动，这取决于系统的设计。
中间晶片440被放置在上部晶片430与下部晶片420之间，以及用材料460相连接。材料460起到密封剂的作用，密封空腔480中的介质。密封也可以是气密的，将水分保持在空腔480外面。材料460可包括晶片粘结材料，正如技术上熟知的。晶片420-440被粘结和被密封形成单个芯片。
MEMS换能器器件400包括在中间晶片440的可移动的部分450的下表面上的电极471。电极473和475是在下部晶片420的上表面上的相对的电极。当可移动的部分450移动时，在电极471与电极473和475之间的重叠部分变化，造成在电极471和473，475之间的电容的改变。MEMS换能器器件400在x和或y方向上的运动通过检测电容的改变而被检测。
公式1可被使用来计算电极之间的电容的改变，其中ε是介电常数。
公式(1)C＝(ε*A)/d
A是在x和y方向上电极之间的重叠面积，d是在z方向上电极之间的距离。这个公式也在Hartwell等的题目为“Three-Axis MotionDetector”的美国专利No.6,504,385中描述，该专利整体地在此引用，以供参考。
在z方向上的运动也可以通过使用图4B所示的另一组电极被确定。图4B是在图4A所示的同一个截面图上取的MEMS换能器器件400的后视图。位于可移动的部分450上的电极472，与位于下部晶片420上的电极474，被提供来用于确定在z方向上的运动。电极472具有短的长度，以及电极474可以延伸可移动的部分450的长度，这样，在电极472和474之间的重叠面积不改变。所以，在电极472和474之间检测到的电容的任何改变基本上是在z方向上运动的结果。图4A所示的电极473和475也在下部晶片420上。然而，电极473和475在该观察方向上被图4B所示的电极474掩盖。在可移动的部分450上的图4A所示的电极471在图4B的后视图被电极472部分地掩盖。
图4B上部分地掩盖的电极471由阴影线表示。在图4A上，电极474的一部分是在电极473和475之间可看见的。然而，为了清晰地显示电极473和475，电极474的这个部分在图4A上未示出。另外，在图4A所示的图上，电极472被隐藏在电极471的后面。
三晶片结构允许可移动的部分450比起传统的单晶片电容性MEMS换能器在x，y，和z方向移动更大的距离。而且，这个更大的距离可允许MEMS换能器器件400被使用于不同的应用，以及在已知的应用中达到更大的精度。
图4A-B所示的换能器电子装置422包括一个或多个电路，检测在电极471与473，475之间和在电极472与474之间的电容的改变。在可移动的部分450上的电极471与472通过使用通路492被连接到换能器电子装置422。例如，导体(未示出)把电极471和472连接到通路492。来自电极的信号通过通路492传送到换能器电子装置422。换能器电子装置422也被连接到下部晶片420上的电极473-475。因此，换能器电子装置422用来检测在电极之间的电容的改变。换能器电子装置可包括一个或多个电路，用来计算在电极之间的重叠面积A/和或距离d的改变。替换地，换能器电子装置422可以把电容的改变输出到外部电路，用于计算重叠面积A和/或距离d的改变。通过使用公式1，可以从电极472和474之间的电容的改变来计算距离d。另外，如果已知d，可以从在图4A所示的电极471与473，475之间检测的电容的改变来计算重叠面积A。
在本实施例中，上部晶片430可包括用来保护MEMS换能器器件400的帽晶片。在其他实施例中，诸如图5所示，一个或多个电极可被放置在上部晶片430上。另外，一个或多个用于换能器电子装置的电路可被提供在上部晶片430上。
图5显示MEMS换能器器件的另一个实施例的截面图。MEMS换能器器件500被显示为类似于图4A-B的MEMS换能器器件。在本实施例中，电极472位于可移动的部分450的上表面上，以及相对的电极474位于上部晶片430上。换能器电子装置422被提供在上部晶片430和下部晶片420上，用来检测电容的改变。
本领域技术人员将会看到，更多的电极可被使用或电极的尺寸和形状可被改变，用来检测在一个或多个x，y，z方向上电容的改变。例如，在美国专利No.6,504,385中5个电极和5个相反的电极被使用来检测在x，y，z方向上的运动。另外，如果要检测一个或两个方向上的运动，可以使用较少数目的电极。
这里描述和显示的内容是本发明的实施例和某些变例。这里使用的术语、说明和附图只是为了说明而阐述的，而不是意味着限制。本领域技术人员将会看到，在本发明的精神和范围内可以有许多变化，本发明打算由以下的权利要求和它们的等效内容限定，其中所有的项目，除非另外指出，都是指它们的最广泛的合理的意义。

Claims (9)

1.一种微机电系统器件，所述器件包括：
第一晶片(30)；
第二晶片(40)；以及
第三晶片(20)；
材料(60)，所述材料把所述第一晶片(30)、所述第二晶片(40)和所述第三晶片(20)粘结在一起，其特征在于，
所述第二晶片(40)的至少一个可移动部分(50)通过挠曲件(90)可移动地连接在所述第一晶片(30)与所述第三晶片(20)之间；以及
设在所述至少一个可移动部分(50)上的电极(471，472)和设在所述第三晶片(20)上的电极(473，474，475)，其中所述至少一个可移动部分(50)在X，Y和Z方向上的运动通过设在所述至少一个可移动部分(50)上的电极(471，472)和设在所述第三晶片(20)上的电极(473，474，475)之间的电容的改变来检测；
在所述第一晶片(30)与所述第三晶片(20)之间形成内部空腔(80)，其中，所述第二晶片(40)的所述至少一个可移动部分(50)位于所述内部空腔(80)内；以及
由把所述第一晶片(30)、所述第二晶片(40)和所述第三晶片(20)粘结在一起的所述材料(60)形成的密封装置，其中所述密封装置将所述内部空腔(80)密封。
2.如权利要求1所述的微机电系统器件，其特征在于，所述第二晶片(40)被开槽，以形成所述至少一个可移动部分(50)。
3.如权利要求1所述的微机电系统器件，其特征在于，所述挠曲件(90)由所述第二晶片(40)形成。
4.如权利要求1所述的微机电系统器件，其特征在于，进一步包括介质，所述介质被包括在所述内部空腔(80)中。
5.如权利要求1所述的微机电系统器件，其特征在于，进一步包括芯片，所述芯片通过将所述第一晶片(30)、所述第二晶片(40)和所述第三晶片(20)粘结在一起而形成。
6.如权利要求5所述的微机电系统器件，其特征在于，所述第一晶片(30)是保护所述芯片中的所述第二晶片(40)和所述第三晶片(20)的帽。
7.如权利要求1所述的微机电系统器件，其特征在于，在所述第二晶片(40)中形成至少一个通路(72)，所述至少一个通路提供电信号传送通过所述第二晶片(40)的路径。
8.如权利要求1所述的微机电系统器件，其特征在于，其还包括：
第一电路，所述第一电路包括在所述第一晶片(30)和所述第三晶片(20)中的至少一个晶片上的元件，以及还包括在所述第二晶片(40)上的元件；
其中在所述第一晶片(30)或所述第三晶片(20)上的所述至少一个元件与在所述第二晶片(40)上的所述至少一个元件通过使用所述至少一个通路(72)传输电信号而互相电通信。
9.一种微机电系统器件，所述器件包括：
芯片，所述芯片包括以堆叠装置的形式被连接在一起的三个晶片；所述堆叠装置包括：
所述三个晶片中的第一晶片(30)；
所述三个晶片中的第二晶片(40)，所述第二晶片在所述堆叠装置中连接到所述第一晶片(30)的下面，所述第二晶片(40)包括可移动部分(50)；以及
所述三个晶片中的第三晶片(20)，所述第三晶片在所述堆叠装置中连接到所述第二晶片(40)的下面，其中所述三个晶片使用粘结材料(60)进行连接；其特征在于，
所述可移动部分(50)通过挠曲件(90)可移动地连接在所述第一晶片(30)与所述第三晶片(20)之间；
设在所述可移动部分(50)上的电极(471)和设在所述第三晶片(20)上的电极(473，475)，以及设在所述可移动部分(50)的上表面上的电极(472)和设在所述第三晶片(20)上的电极(474)，其中所述可移动部分(50)在X，Y和Z方向上的运动通过分别设在所述可移动部分(50)上的电极(471，472)和设在所述第一晶片(30)和所述第三晶片(20)上的电极(473，474，475)的电容的任何改变来检测；以及
所述第二晶片(40)中的至少一个通路(72)，所述通路将电信号导通通过所述第二晶片(40)；
在所述第一晶片(30)与所述第三晶片(20)之间形成内部空腔(80)，其中，所述第二晶片(40)的所述至少一个可移动部分(50)位于所述内部空腔(80)内；以及
由把所述第一晶片(30)、所述第二晶片(40)和所述第三晶片(20)粘结在一起的所述材料(60)形成的密封装置，其中所述密封装置将所述内部空腔(80)密封。
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