CN218956620U - 闭环微电子机械加速度计和电子系统 - Google Patents
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Abstract
本公开的各实施例涉及闭环微电子机械加速度计和电子系统。闭环微电子机械加速度计包括：半导体衬底；半导体面外感测块，面外感测块具有面向支撑体的第一侧和与第一侧相对的第二侧，其中面外感测块被连接到支撑体以围绕非重心的支点轴线振荡，非重心的支点轴线平行于第一侧和第二侧并且垂直于面外感测轴线；以及反馈电极，反馈电极电容性地耦合到感测块并且被配置为将相反的静电力和围绕支点轴线的扭矩施加于感测块，其中反馈电极包括面向面外感测块的第一侧的第一组反馈电极和面向面外感测块的第二侧的第二组反馈电极。由此，提供了改进的闭环微电子机械加速度计。
Description
技术领域
本公开涉及一种具有寄生振动模式的补偿的闭环微电子机械加速度计和电子系统。
背景技术
众所周知，在加速度计的无数应用中，特别是在微电子机械加速度计的无数应用中，对工业工厂的机器中的振动的监测(诸如电动机、涡轮机、泵等)是特别重要的。异常振动的早期的和准确的标识不仅对于避免故障和对工厂的潜在严重损害是决定性的，而且针对适当的维护干预的正确执行也是决定性的，以便优化成本和总体上维持高水平的效率。
针对这种类型的应用的问题源于如下事实，即监测不仅在灵敏度和噪声方面，而且在带宽方面都需要或依赖于高性能，因为异常振动可能与范围广泛的现象有关，并且因此出现在非常宽的频谱上。最适合于其特性的加速度计有体压电加速度计、开环电容性微电子机械加速度计和闭环微电子机械加速度计。然而，所有都受到限制，使结果不完全令人满意。
例如，体压电加速度计具有非常宽的频带和最优的动态范围，但是体积庞大并且昂贵，并且需要或通常应该相对频繁地被重新校准，而不具有自诊断过程的可能性。此外，灵敏度显着地取决于温度，并且通常只有单轴线类型的传感器可能被生产。
开环电容性微电子机械加速度计具有小尺寸和低成本的优点，而不会使频带过于稀疏。然而，超过一定的限制，在一方面的带宽与另一方面的噪声水平和灵敏度之间寻求折衷。实际上，虽然噪声倾向于随着带宽增加而增加，但对测量的质量的损害，灵敏度会以二次方降低。
闭环微电子机械加速度计将反馈力施加于抵消作用在可移动块上的惯性力并且将可移动块保持在接近平衡位置；控制的强度是相反的惯性力的测度。解决方案允许将操作在相对窄的频率范围上的传感器的稳定性、线性和低噪声水平与大带宽相结合。闭环微电子机械加速度计也可以被用于制造三轴线器件，组合面内和面外类型的感测结构。然而，特别是在面外类型的传感器中，反馈力可能触发可移动块的寄生振动模式。
实用新型内容
在各种实施例中，本公开提供了一种微电子机械加速度计，其允许克服或至少减轻所描述的限制。
根据本公开，提供了微电子机械设备。
在一个或多个实施例中，提供了一种包括半导体衬底的闭环微电子机械加速度计。半导体面外感测块具有面向支撑体的第一侧和与第一侧相对的第二侧，并且面外感测块被连接到支撑体以围绕非重心的支点轴线振荡，非重心的支点轴线平行于第一侧和第二侧并且垂直于面外感测轴线。反馈电极电容性地耦合到感测块并且被配置为将相反的静电力和围绕支点轴线的扭矩施加于感测块。反馈电极包括面向面外感测块的第一侧的第一组反馈电极和面向面外感测块的第二侧的第二组反馈电极。
在一个或多个实施例中，提供了一种包括耦合到闭环微电子机械加速度计的处理电路装置的电子系统。
根据本公开的第一方面，提供了一种闭环微电子机械加速度计，包括：半导体衬底；半导体面外感测块，面外感测块具有面向支撑体的第一侧和与第一侧相对的第二侧，其中面外感测块被连接到支撑体以围绕非重心的支点轴线振荡，非重心的支点轴线平行于第一侧和第二侧并且垂直于面外感测轴线；以及反馈电极，反馈电极电容性地耦合到感测块并且被配置为将相反的静电力和围绕支点轴线的扭矩施加于感测块，其中反馈电极包括面向面外感测块的第一侧的第一组反馈电极和面向面外感测块的第二侧的第二组反馈电极。
在一些实施例中，反馈电极包括：第一反馈电极和第二反馈电极，第一反馈电极和第二反馈电极相对于支点轴线对称地被布置在支撑体上并且面向面外感测块的第一侧；以及第三反馈电极和第四反馈电极，第三反馈电极和第四反馈电极由相应的反馈支撑件相对于支点轴线对称地支撑并且面向面外感测块的第二侧。
在一些实施例中，第三反馈电极和第四反馈电极分别被布置在与第二反馈电极的位置和第一反馈电极的位置相对应的位置中。
在一些实施例中，第一反馈电极和第三反馈电极彼此直接地被连接，并且第二反馈电极和第四反馈电极彼此直接地被连接并且与第一反馈电极和第三反馈电极绝缘。
在一些实施例中，反馈支撑件包括相应的第一结构和相应的第二结构，相应的第一结构锚定到支撑体并且穿过面外感测块中的开口在平行于面外感测轴线的方向上延伸，相应的第二结构在垂直于面外感测轴线的方向上从相应的第一结构延伸并且面向面外感测块的第二侧。
在一些实施例中，反馈支撑件为半导体反馈支撑件，并且第一结构被连接到相应的反馈导线，相应的反馈导线形成在支撑体上并且彼此绝缘。
在一些实施例中，包括感测电极，感测电极电容性地耦合到感测块并且被配置为感测感测块围绕支点轴线的角位置。
在一些实施例中，感测电极包括：第一感测电极和第二感测电极，第一感测电极和第二感测电极相对于支点轴线对称地被布置在支撑体上并且面向面外感测块的第一侧；以及第三感测电极和第四感测电极，第三感测电极和第四感测电极由相应的感测支撑件相对于支点轴线对称地支撑并且面向面外感测块的第二侧，其中第三感测电极和第四感测电极分别被布置在与第二感测电极的位置和第一感测电极的位置相对应的位置中。
在一些实施例中，第一感测电极和第三感测电极彼此直接地连接，并且第二感测电极和第四感测电极彼此直接地连接并且与第一感测电极和第三感测电极绝缘。
在一些实施例中，感测支撑件包括相应的第一结构和相应的第二结构，相应的第一结构锚定到支撑体并且穿过面外感测块中的开口在平行于面外感测轴线的方向上延伸，相应的第二结构在垂直于面外感测轴线的方向上从相应的第一结构延伸并且面向面外感测块的第二侧，其中感测支撑件为半导体感测支撑件，并且第一结构被连接到相应的感测导线，相应的感测导线形成在支撑体上并且彼此绝缘。
在一些实施例中，闭环微电子机械加速度计包括：感测级，感测级耦合到感测电极并且被配置为生成读取信号，读取信号指示面外感测块围绕支点轴线的角位置；以及控制设备，控制设备被配置为向反馈电极供应从读取信号生成的控制信号并且被配置为施加静电力以便响应于惯性力将面外感测块带回到平衡位置。
在一些实施例中，静电力包括具有相等模量和相反方向的第一静电反馈力以及具有相等模量和相反方向的第二静电反馈力。
根据本公开的第二方面，提供了一种电子系统，包括：处理电路装置；以及耦合到处理电路装置的闭环微电子机械加速度计，加速度计包括：半导体衬底；半导体面外感测块，面外感测块具有面向支撑体的第一侧和与第一侧相对的第二侧，其中面外感测块被连接到支撑体以围绕非重心的支点轴线振荡，非重心的支点轴线平行于第一侧和第二侧并且垂直于面外感测轴线；以及反馈电极，反馈电极电容性地耦合到感测块并且被配置为将相反的静电力和围绕支点轴线的扭矩施加于感测块，其中反馈电极包括面向面外感测块的第一侧的第一组反馈电极和面向面外感测块的第二侧的第二组反馈电极。
在一些实施例中，其中反馈电极包括：第一反馈电极和第二反馈电极，第一反馈电极和第二反馈电极相对于支点轴线对称地被布置在支撑体上并且面向面外感测块的第一侧；以及第三反馈电极和第四反馈电极，第三反馈电极和第四反馈电极由相应的反馈支撑件相对于支点轴线对称地支撑并且面向面外感测块的第二侧。
在一些实施例中，第三反馈电极和第四反馈电极分别被布置在与第二反馈电极的位置和第一反馈电极的位置相对应的位置中。
在一些实施例中，第一反馈电极和第三反馈电极彼此直接地连接，并且第二反馈电极和第四反馈电极彼此直接地连接并且与第一反馈电极和第三反馈电极绝缘。
在一些实施例中，反馈支撑件包括相应的第一结构和相应的第二结构，相应的第一结构锚定到支撑体并且穿过面外感测块中的开口在平行于面外感测轴线的方向上延伸，相应的第二结构在垂直于面外感测轴线的方向上从相应的第一结构延伸并且面向面外感测块的第二侧。
由此，提供了改进的闭环微电子机械加速度计。
附图说明
为了更好地理解本公开，现在将仅通过非限制性示例并且参考附图来描述其一些实施例，其中：
图1是穿过比较示例的微电子机械设备的截面；
图2是根据本公开的一个实施例的微电子机械加速度计的示意性表示；
图3是图2的微电子机械加速度计的一部分的简化框图；
图4是图2的微电子机械加速度计的一部分的俯视图，为了清楚起见部分被移除；
图5是沿图4的线V－V截取的穿过图2的微电子机械加速度计的截面；
图6是图2的微电子机械加速度计的第一细节的简化电气图；
图7是图2的微电子机械加速度计的第二细节的简化电气图；
图8是使用中的微电子机械加速度计的示意性侧视图；
图9－15是根据本公开的一个实施例的制造方法的后续步骤中穿过半导体晶片的截面；以及
图16是结合根据本公开的微电子机械设备的电子系统的简化框图。
具体实施方式
如图1中示意性示出的，比较示例的面外类型的闭环微电子机械加速度计1包括半导体衬底2、可移动块3(被也是半导体板限定)、感测电极4和反馈电极5。可移动块3具有质心G并且在相对于质心 G偏移的支点6处被连接到衬底2。实际上，可动块3被连接以便能够相对于衬底2围绕非重心的支点轴线F旋转。在外力没有被施加的情况下，可移动块3通过在此未示出的弯曲部维持在例如平行于衬底 2的平衡位置。
当外力引起加速度计1沿垂直于衬底2的轴线Z的位移时，可移动块3倾向于绕支点轴线F旋转，并且位移被感测电极4感测。控制设备(未示出)通过反馈电极5施加静电反馈力FFB、FFB′，以将可移动块3带回到平衡位置并且消除位移。然而，由于静电反馈力FFB、 FFB′可能仅是吸引型的，因此可移动块3由于控制而受到非零净力。由控制引起的净力可以触发寄生振动模式，寄生振动模式表现为施加于可移动块3的一端的扭矩，并且改变可移动块3的运动。比较示例的控制设备无法辨别可移动块的移动原因并且还通过尝试补偿由寄生振动模式引起的力来作出反应，但是在这样做时同样引入降低测量质量的寄生信号分量。然而，如本文所述，本公开提供了克服或减少比较示例的限制的各种实施方案。
参考图2，根据本公开的一个实施例的微电子机械设备示意性地被示出并且被指示为数字10。特别地，在所示出的示例中，微电子机械设备10是三轴加速度计，其包括支撑体11、面内感测块12和面外感测块13，面内感测块12响应于与支撑体11的面平行的XY平面中的加速度，面外感测块13响应于沿垂直于XY平面的面外感测轴线Z 的加速度。然而，在三轴加速度计中的使用不应被认为是限制性的，并且应当理解本公开可以同样被用于制造具有沿轴线的面外感测的单轴加速度计或双轴加速度计。
图3以简化的方式示出了加速度计10相对于沿Z轴线的加速度感测的操作。特别地，加速度计10被提供有感测电极15和反馈电极 17，反馈电极17电容性地耦合到面外感测块13并且加速度计10包括感测级18、控制设备20和驱动级21。感测级18通过感测电极15 生成读取信号SR，读取信号SR指示面外感测块13围绕支点轴线F的角位置。控制设备20从读取信号SR生成控制信号SC，控制信号SC 穿过驱动级21被施加于反馈电极17，并且倾向于将面外感测块13 带回到平衡位置。
在图4和5中更详细地示出了与面外感测有关的加速度计10的微机械部分，其中支撑体11、面外感测块13、感测电极和反馈电极被特别示出。支撑体11包括半导体衬底23和周向壁25，半导体衬底 23由绝缘层24覆盖，周向壁25与衬底23一起限定容纳面外感测块 13的腔27。帽28c穿过黏附层29(例如玻璃粉)结合到周向壁25，并且封闭腔27。
面外感测块13由半导体材料制成，例如多晶硅。面外感测块13 还穿过锚定件30和弯曲部31被连接到支撑体11，锚定件30和弯曲部31被配置为允许面外感测块13绕支点轴线F旋转，支点轴线F是平行于衬底23的面并且垂直于面外感测轴线Z的非重心轴线。为了便于表示，锚定件30和弯曲部31在图5中仅示意性地示出。为了增加面外感测块13相对于支点轴线F的不平衡和加速度计10的灵敏度，面外感测块13的、远离锚定件30的一端被提供有附加的块32。
感测电极包括面向面外感测块的第一侧的第一组感测电极和面向面外感测块的第二侧的第二组感测电极。具体地，感测电极包括第一感测电极15a、第二感测电极15b、第三感测电极15c和第四感测电极15d，第一感测电极15a、第二感测电极15b、第三感测电极15c 和第四感测电极15d关于支点轴线F对称地成对布置，以便获得差分信号。更准确地说，第一感测电极15a和第二感测电极15b被形成在绝缘层24上相对于支点轴线F对称的位置上，并且面向面外感测块13的面向衬底23的第一侧13a。第一感测电极15a和第二感测电极15b电容性地耦合到面外感测块13并且彼此电绝缘。第三感测电极 15c和第四感测电极15d相对于支点轴线F以对称位置被形成在相应的感测支撑件35上，并且面向与第一侧13a相对的面外感测块13的第二侧13b。第三感测电极15c和第四感测电极15d被布置在分别与第二感测电极15b的位置和第一感测电极15a的位置相对应的位置中。第三感测电极15c和第四感测电极15d也电容性地耦合到面外感测块 13，并且彼此电绝缘(图6)，并且分别直接地被连接到第一感测电极15a和第二感测电极15b。因此，针对感测电极的对称布置，当面外感测块13绕支点轴线F旋转时，电容耦合相对于一侧上的第一感测电极15a和第三感测电极15c与另一侧上的第二感测电极15b和第四感测电极15d之间的平衡位置以差分方式变化。
类似地，反馈电极包括面向面外感测块的第一侧的第一组反馈电极和面向面外感测块的第二侧的第二组反馈电极。具体地，反馈电极包括第一反馈电极17a、第二反馈电极17b、第三反馈电极17c和第四反馈电极17d，第一反馈电极17a、第二反馈电极17b、第三反馈电极17c和第四反馈电极17d相对于支点轴线F对称地成对布置。更准确地说，第一反馈电极17a和第二反馈电极17b在绝缘层24上相对于支点轴线F对称的位置中被形成，并且面向面外反馈块13的第一侧13a。第一反馈电极17a和第二反馈电极17b电容性地耦合到面外反馈块13并且彼此电绝缘。第三反馈电极17c和第四反馈电极17d 相对于支点轴线F以对称位置被形成在相应的反馈支撑件37上，并且面向面外反馈块13的第二侧13b。第三反馈电极17c和第四反馈电极17d被布置在分别与第二反馈电极17b的位置和第一反馈电极17a 的位置相对应的位置中。第三反馈电极17c和第四反馈电极17d电容性地耦合到面外反馈块13并且彼此电绝缘(图7)，并且分别直接地被连接到第一反馈电极17a和第二反馈电极17b。
反馈电极17a－17d也处于相对于感测电极15a－15b更靠近锚定件30的位置中。
感测支撑件35和反馈支撑件37由半导体材料制成并且被锚定到衬底20。更具体地，感测支撑件35和反馈支撑件37具有：相应的第一结构35a、37a，第一结构35a、37a在平行于面外感测轴线Z的方向上从衬底20延伸穿过面外感测块13中的开口38；以及相应的第二结构35b、37b，第二结构35b、37b在垂直于面外感测轴线Z的方向上从相应的第一结构35a、37a延伸。第一结构35a、37a被锚定到衬底23并且被连接到形成于绝缘层24中的相应导线40、41(图6和7)。更准确地说，感测支撑件35的第一结构35a被连接到相应的导线40，导线40彼此绝缘。反馈支撑件37的第一结构37a被连接到相应的导线41，导线41彼此绝缘。感测支撑件35和反馈支撑件37的第二结构35b、37b面向面外感测块13的第二侧13b，相对于衬底20相对。第三感测电极15c、第四感测电极15d，第三反馈电极17c和第四反馈电极17d被布置在相应的感测支撑件35和反馈支撑件37的第二结构35b、37b与面外感测块13之间。每个感测支撑件35与相应的反馈支撑件37相邻并且对准，其中相应的第一结构布置穿过相同的开口38。反馈支撑件37的第二结构37b从相应的第一结构37a朝向锚定件30延伸；感测支撑件35的第二结构在与锚定件30相反的方向上从相应的第一结构35a延伸。
由于控制设备20通过驱动级21供应的控制信号SC，反馈电极 17a－17d将静电反馈力FFB1、FFB2施加于面外感测块13，以平衡外力并且将面外感测块13带回到平衡位置(图8)。此外，针对描述的对称布置，即使反馈扭矩TFB围绕支点轴线F被施加于面外感测块13，静电反馈力FFB1、FFB2也具有零合力。实际上，第一反馈电极17a和第三反馈电极17c总是与面外感测块13相距相等的距离(根据面外感测轴线Z)，而不管其围绕支点轴线的角位置。由于第一反馈电极17a和第三反馈电极17c彼此直接地被连接并且处于相同的电势，施加的静电反馈力FFB1具有相等的模量和相反的方向。类似地，第二反馈电极17b和第四反馈电极17d以相等的模量和相反的方向施加静电反馈力FFB2。静电反馈力FFB1、FFB2的零合力实际上不能触发寄生振动模式，如所讨论的，寄生振动模式以扭矩的形式出现，扭矩倾向于使面外感测块13围绕除支点轴线F以外的轴线旋转。寄生信号分量也被避免。信号分量实际上由控制设备20生成以平衡寄生振动模式的影响，其不能与待测量的惯性力区分开。因此，最终，静电反馈力 FFB1、FFB2的零合力避免了寄生振动模式的触发，并且因此避免了寄生信号分量，否则寄生信号分量将无法与有用信号区分。因此，根据本公开的加速度计在灵敏度、稳定性、线性度和带宽方面是有利的，并且相对于压电类型的传感器具有低成本，并且相当容易集成到双轴设备或三轴设备中。
图2－5的微电子机械设备10可以通过下文参考图9－15描述的方法来制造。实际上，面外感测块13、锚定件30、感测支撑件35、反馈支撑件37以及相应的感测电极和反馈电极从彼此顶部上外延生长的两个结构层获得，如下文详细描述的。
参考图9，半导体晶片50(例如单晶硅)最初包括衬底23、其上生长有例如氧化硅的绝缘层24。未完全示出的导电层(例如多晶硅) 被沉积在绝缘层24上，并且被成形为形成第一感测电极15a、第二感测电极15b、第一反馈电极17a、第二反馈电极17b和导线40、导线41。例如热生长或沉积的氧化硅的第一牺牲层51被形成在绝缘层24 上并且覆盖感测电极15a、感测电极15b、反馈电极17a、反馈电极 17b和导线40、导线41。在与面外感测块13的锚定件30的位置相对应的位置中、与感测电极15a、15b的位置相对应的位置中、与反馈电极17a、17b的位置相对应的位置中和与导线40、41的位置相对应的位置中选择性地蚀刻第一牺牲层51，其中感测支撑件35的第一结构35a和反馈支撑件37的第一结构37a稍后将被形成。
然后，在图10中，第一结构层55通过外延在第一牺牲层51上从沉积的籽晶层55′被生长，并且接触感测电极15a、15b、反馈电极17a、17b和导线40、41。第一结构层55具有基于期望的微机电结构的特性确定的厚度，并且厚度可以被包括例如在2和80μm之间。在结构生长之后，例如通过CMP(化学机械抛光)使第一结构层55 平整并且得到期望的最终厚度。
第一结构层55(图11)被蚀刻以限定期望的结构的底部和根据设计偏好提供的其它区域的底部。特别地，在步骤中，锚定件30、面外感测块13、弯曲部31、锚定件30的底部30′、感测支撑件35的第一结构35a、反馈支撑件37的第一结构37a以及周向壁25的底部25′从第一结构层55被形成。出于该目的，晶片50被未示出的抗蚀剂掩模(第一沟槽掩模)覆盖并且经受干法蚀刻，形成沟槽56，沟槽56 完全延伸穿过第一结构层55。在步骤中，沟槽(未示出)还穿过第一结构层55的用于形成面外感测块13的部分被形成，其将具有晶格结构。在随后的步骤中沟槽也将被使用于移除牺牲层51。在第一牺牲层 51上蚀刻自动停止。
然后，在图12中，例如TEOS(TetraethylOrthoSilicate)的第二牺牲层58被沉积，其厚度等于面外感测块13与感测支撑件35和感测支撑件37之间的空隙的期望的宽度W。第二牺牲层58部分地填充沟槽56，例如填充至其深度的三分之一，尽管填充以及填充的程度和深度并不重要。然后使第二牺牲层58平整。
在第三感测电极15c、第四感测电极15d、第三反馈电极17c和第四反馈电极15d随后必须被形成的区域中，第二牺牲层8选择性地被减薄。出于该目的，通过使用未示出的掩模层(凸起掩模)，掩模蚀刻例如时间蚀刻以本身已知的方式被执行，以在与第一感测电极15a相对应的位置中、与第二感测电极15b相对应的位置中、与第一反馈电极17a相对应的位置中、与第二反馈电极17b相对应的位置中形成凹陷部60。利用相同的凸起掩模，用于加速度计10的其它结构的区域也被定界，诸如限制面外位移(凸块)的接触结构。
随后，在图13中，使用未示出的掩模层(第二锚定掩模)进一步蚀刻第二牺牲层58并且选择性地移除第二牺牲层58的整个厚度，从而形成开口61。第二牺牲层58的蚀刻导致硬掩模区域58′的形成并且在第一外延层55上自动终止。开口61被限定在相邻的硬掩模区域 58′之间，并且在示出的实施例中，在感测支撑件35的第一结构35a 和反馈支撑件37的第一结构37a上，并且通常在期望形成的、与第一外延层55的连接区域(例如，周向壁25)的区中，开口61被布置在离支点轴线F更远的面外感测块13的端部处。由于凹陷部60，硬掩模区域58′具有两种不同的厚度：更大的厚度等于第二牺牲层58的厚度，并且在更小的厚度处形成凹槽60。
随后，在图14中，第二结构层65在这种情况下也通过外延生长例如在2和80μm之间的厚度。第二结构层65的厚度与期望的微机电结构有关，包括感测支撑件35和反馈支撑件37。通常，第二结构层65可以比第一结构层55薄，即使可能发生相反的情况，并且本公开不限于结构层55、结构层65的厚度之间的任何特定关系。在外延生长期间填充凹槽60的半导体材料形成第三感测电极15c、第四感测电极15d、第三反馈电极17c和第四反馈电极17d。在外延生长之后，例如通过CMP(化学机械抛光)使第二结构层65平整并且达到期望的最终厚度。
随后，如图15中所示，第二结构层65被蚀刻。出于该目的，晶片50被抗蚀剂掩模(未示出)覆盖并且经受干法蚀刻。在该步骤中，第二结构层25的、未被抗蚀剂掩模覆盖的部分在整个厚度上被移除，并且蚀刻在硬掩模区域58′上停止。
特别地，在步骤中，面外感测块13(具有由第二结构层65形成的附加块32)、感测支撑件35的第二结构35b和反馈支撑件37的第二结构37b以及周向壁25的上部被限定。
然后，第一牺牲层51和第二牺牲层55的剩余部分被移除，释放出面外感测块13。
最后，通过黏附层28帽晶片被结合到晶片50，并且由此获得的复合晶片被切割以形成图2的加速度计10。
图16示出了电子系统100，电子系统100可以是任何类型的，具体地但不限于可佩戴设备，诸如手表、智能手镯或表带；计算机，诸如大型机、个人计算机、膝上型电脑或平板电脑；智能电话；数字音乐播放器、数码相机或用于处理、存储、发送或接收信息的任何其它设备。电子系统100可以是通用或设备嵌入式处理系统、设备或其它系统。例如，电子系统100可以是用于监测工业工厂的机械中的振动的系统。
电子系统100包括处理单元102、存储设备103、根据本公开的微电子机械陀螺仪(例如图1的微电子机械陀螺仪1)，并且还可以提供有输入/输出(I/O)设备105(例如键盘、指针或触摸屏)、无线接口106、外围设备107.1,…,107.N以及可能的进一步辅助设备(在此未示出)。电子系统100的组件可以直接地和/或间接地通过总线 108彼此通信地耦合。电子系统100还可以包括电池109。应当注意，本公开的范围不限于必须具有一个或所有列出的设备的实施例。
处理单元102可以包括或可以是被配置为执行本文关于处理单元 102描述的各种功能的任何处理电路装置，并且在一些实施例中，处理单元102根据设计偏好包括例如一个或多个微处理器、微控制器等。
存储设备103可以包括各种易失性存储设备和非易失性存储设备，例如用于易失性类型的SRAM和/或DRAM存储器和用于非易失性类型的固态存储器、磁盘和/或光盘。
最后，显而易见的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对微电子机械加速度计和所描述的过程进行修改和变化。
特别地，感测电极和反馈电极的形状和尺寸可以根据设计偏好被自由选择。代替面外感测块中的通孔，用于感测电极和反馈电极的支撑件可以邻近感测块并且在第二侧上向内延伸。在这种情况下，面外感测块的侧面可以根据设计偏好而各种被成型。
闭环微电子机械加速度计可以被概括为包括：半导体衬底(23)；半导体面外感测块(13)，其具有面向支撑体(11)的第一侧(13a) 和与第一侧(13a)相对的第二侧(13b)，其中面外感测块(13)被连接到支撑体(11)以围绕非重心的支点轴线(F)振荡，非重心的支点轴线(F)平行于第一侧(13a)和第二侧(13b)并且垂直于面外感测轴线(Z)；以及反馈电极(17a－17d)，其电容性地耦合到感测块(13)并且被配置为将相反的静电力(FFB1、FFB2)和围绕支点轴线(F)的扭矩(TFB)施加于感测块(13)；其中反馈电极(17a －17d)包括面向面外感测块(13)的第一侧(13a)的第一组反馈电极(17a、17b)以及面向面外感测块(13)的第二侧(13b)的第二组反馈电极(17c、17d)。
反馈电极(17a－17d)可以包括：第一反馈电极(17a)和第二反馈电极(17b)，第一反馈电极(17a)和第二反馈电极(17b)相对于支点轴线(F)对称地被布置在支撑体(11)上并且面向面外感测块(13)的第一侧(13a)；以及第三反馈电极(17c)和第四反馈电极(17d)，其由相应的反馈支撑件(37)相对于支点轴线(F)对称地支撑并且面向面外感测块(13)的第二侧(13b)。
第三反馈电极(17c)和第四反馈电极(17d)可以分别被布置在与第二反馈电极(17b)的位置中和第一反馈电极(17a)的位置相对应的位置中。
第一反馈电极(17a)和第三反馈电极(17c)可以彼此直接被连接，并且第二反馈电极(17b)和第四反馈电极(17d)可以彼此直接被连接，并且可以与第一反馈电极(17a)和第三反馈电极(17c)绝缘。
反馈支撑件(37)可以包括相应的第一结构(37a)和相应的第二结构(35b、37b)，第一结构锚定到支撑体(11)上并且穿过面外感测块(13)中的开口(38)在平行于面外感测轴线(Z)的方向上延伸，第二结构在垂直于面外感测轴线(Z)的方向上从相应的第一结构(35a、37a)延伸并且面向面外感测块(13)的第二侧(13b)。
反馈支撑件(37)可以是半导体材料，并且第一结构(37a)可以被连接到相应的反馈导线(41)，相应的反馈导线(41)形成在支撑体(11)上并且彼此绝缘。
加速度计可以包括感测电极(15a－15d)，其电容性地耦合到感测块(13)并且被配置为感测感测块(13)围绕支点轴线(F)的角位置。
感测电极(15a－15d)可以包括：第一感测电极(15a)和第二感测电极(15b)，第一感测电极(15a)和第二感测电极(15b)相对于支点轴线(F)对称地被布置在支撑体(11)上并且面向面外感测块(13)的第一侧(13a)；以及第三感测电极(15c)和第四感测电极(15d)，其由相应的感测支撑件(35)相对于支点轴线(F)对称地支撑并且面向面外感测块(13)的第二侧(13b)；第三感测电极(15c)和第四感测电极(15d)可以分别被布置在与第二感测电极(15b)的位置和第一感测电极(15a)的位置相对应的位置中。
第一感测电极(15a)和第三感测电极(15c)可以彼此直接地被连接，并且第二感测电极(15b)和第四感测电极(15d)可以彼此直接地被连接，并且可以与第一感测电极(15a)和第三感测电极(15c) 绝缘。
感测支撑件(35)可以包括相应的第一结构(35a)和相应的第二结构(35b，35b)，第一结构被锚定到支撑体(11)上并且穿过面外感测块(13)中的开口(38)在平行于面外感测轴线(Z)的方向上延伸，第二结构在垂直于面外感测轴线(Z)的方向上从相应的第一结构(35a，35a)延伸并且面向面外感测块(13)的第二侧(13b)；并且其中感测支撑件(35)可以由半导体材料制成，并且第一结构(35a) 可以被连接到相应的感测导线(40)，相应的感测导线(40)形成在支撑体(11)上并且彼此绝缘。
加速度计可以包括：感测级(18)，其耦合到感测电极(15)并且被配置为生成读取信号(SR)，读取信号(SR)指示面外感测块 (13)围绕支点轴线(F)的角位置；控制设备(20)，其被配置为向反馈电极(17)供应从读取信号(SR)生成的控制信号(SC)并且被配置为施加静电力(FFB1、FFB2)以便响应于惯性力将面外感测块(13)带回到平衡位置。
静电力(FFB1、FFB2)可以包括具有相等模量和相反方向的第一静电反馈力(FFB1)和具有相等模量和相反方向的第二静电反馈力(FFB1)。
一种电子系统可以被概括为包括：处理单元(102)和耦合到处理单元(102)的微电子机械加速度计(10)。
一种用于制造闭环微电子机械加速度计的方法可以概括为包括：形成半导体面外感测块(13)，面外感测块(13)具有面向支撑体(11) 的第一侧(13a)和与第一侧(13a)相对的第二侧(13b)，其中面外感测块(13)被连接到支撑体(11)以围绕非重心的支点轴线(F)振荡，非重心的支点轴线(F)平行于第一侧(13a)和第二侧(13b) 并且垂直于面外感测轴线(Z)；以及形成反馈电极(17a－17d)，反馈电极(17a－17d)电容性地耦合到感测块(13)并且被配置为将相反的静电力(FFB1、FFB2)和围绕支点轴线(F)的扭矩(TFB)施加于感测块(13)；并且其中形成反馈电极(17a－17d)包括在支撑体 (11)的衬底(23)上形成第一外延结构层(55)，第一外延结构层 (55)通过具有开口的绝缘层(24)与衬底部分地分离；在衬底(23)与面外感测块(13)的第一侧之间形成第一组反馈电极(17a，17b)；在第一外延结构层(55)上形成硬掩膜区域(58′)，并且在相邻硬掩膜区域(58′)之间形成第一开口(61)；形成穿过第一开口(61)连接到第一外延结构层(55)的第二外延结构层(65)；以及从第二外延结构层(65)获得第二组反馈电极(17c、17d)。
方法可以包括形成穿过面外感测块(13)的第二开口(38)；以及形成反馈支撑件(37)，反馈支撑件(37)从衬底(23)延伸穿过用于第二组反馈电极(17c、17d)的第二开口(38)；其中形成反馈支撑件(37)可以包括从第一外延结构层(55)获得反馈支撑件(37) 的第一结构(37a)和从第二外延结构层(65)获得反馈支撑件(37) 的第二结构(37b)。
形成面外感测块(13)可以包括从第一外延结构层(55)获得面外感测块(13)。
在一个或多个实施例中，提供了一种用于制造闭环微电子机械加速度计的方法，方法包括：形成半导体面外感测块，面外感测块具有面向支撑体的第一侧和与第一侧相对的第二侧，其中面外感测块被连接到支撑体以围绕非重心的支点轴线振荡，非重心的支点轴线平行于第一侧和第二侧并且垂直于面外感测轴线；以及形成反馈电极，反馈电极电容性地耦合到感测块并且被配置为将相反的静电力和围绕支点轴线的扭矩施加于感测块。形成反馈电极包括：在支撑体的衬底上形成第一外延结构层，第一外延结构层通过具有开口的绝缘层与衬底部分地分离；在衬底与面外感测块的第一侧之间形成第一组反馈电极；在第一外延结构层上形成硬掩模区域，并且在相邻硬掩模区域之间形成第一开口；形成穿过第一开口连接到第一外延结构层的第二外延结构层；以及从第二外延结构层形成第二组反馈电极。
根据本公开的一个方面，提供了一种用于制造闭环微电子机械加速度计的方法，包括：形成半导体面外感测块，面外感测块具有面向支撑体的第一侧和与第一侧相对的第二侧，其中面外感测块被连接到支撑体以围绕非重心的支点轴线振荡，非重心的支点轴线平行于第一侧和第二侧并且垂直于面外感测轴线；以及形成反馈电极，反馈电极电容性地耦合到感测块并且被配置为将相反的静电力和围绕支点轴线的扭矩施加于感测块，其中形成反馈电极包括：在支撑体的衬底上形成第一外延结构层，第一外延结构层通过具有开口的绝缘层与衬底部分地分离；在衬底与面外感测块的第一侧之间形成第一组反馈电极；在第一外延结构层上形成硬掩模区域，并且在相邻硬掩模区域之间形成第一开口；形成穿过第一开口连接到第一外延结构层的第二外延结构层；以及从第二外延结构层形成第二组反馈电极。
根据上述方面的方法，包括：形成穿过面外感测块的第二开口；以及形成反馈支撑件，反馈支撑件从衬底延伸穿过用于第二组反馈电极的第二开口，其中形成反馈支撑件包括从第一外延结构层形成反馈支撑件的第一结构以及从第二外延结构层形成反馈支撑件的第二结构。
根据上述方面的方法，其中形成面外感测块包括从第一外延结构层形成面外感测块。
上述各种实施例可以组合以提供进一步的实施例。可以根据上述详细描述对实施例进行这些和其他改变。通常，在下面的权利要求中，所使用的术语不应该被解释为将权利要求限制到在说明书和权利要求中公开的特定实施例，而是应该被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求被授权的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。
Claims (17)
1.一种闭环微电子机械加速度计，其特征在于，包括：
半导体衬底；
半导体面外感测块，所述面外感测块具有面向支撑体的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，其中所述面外感测块被连接到所述支撑体以围绕非重心的支点轴线振荡，所述非重心的支点轴线平行于所述第一侧和所述第二侧并且垂直于面外感测轴线；以及
反馈电极，所述反馈电极电容性地耦合到所述感测块并且被配置为将相反的静电力和围绕所述支点轴线的扭矩施加于所述感测块，
其中所述反馈电极包括面向所述面外感测块的所述第一侧的第一组反馈电极和面向所述面外感测块的所述第二侧的第二组反馈电极。
2.根据权利要求1所述的闭环微电子机械加速度计，其特征在于，所述反馈电极包括：
第一反馈电极和第二反馈电极，所述第一反馈电极和所述第二反馈电极相对于所述支点轴线对称地被布置在所述支撑体上并且面向所述面外感测块的所述第一侧；以及
第三反馈电极和第四反馈电极，所述第三反馈电极和所述第四反馈电极由相应的反馈支撑件相对于所述支点轴线对称地支撑并且面向所述面外感测块的所述第二侧。
3.根据权利要求2所述的闭环微电子机械加速度计，其特征在于，所述第三反馈电极和所述第四反馈电极分别被布置在与所述第二反馈电极的位置和所述第一反馈电极的位置相对应的位置中。
4.根据权利要求3所述的闭环微电子机械加速度计，其特征在于，所述第一反馈电极和所述第三反馈电极彼此直接地被连接，并且所述第二反馈电极和所述第四反馈电极彼此直接地被连接并且与所述第一反馈电极和所述第三反馈电极绝缘。
5.根据权利要求2所述的闭环微电子机械加速度计，其特征在于，所述反馈支撑件包括相应的第一结构和相应的第二结构，所述相应的第一结构锚定到所述支撑体并且穿过所述面外感测块中的开口在平行于所述面外感测轴线的方向上延伸，所述相应的第二结构在垂直于所述面外感测轴线的方向上从所述相应的第一结构延伸并且面向所述面外感测块的所述第二侧。
6.根据权利要求5所述的闭环微电子机械加速度计，其特征在于，所述反馈支撑件为半导体反馈支撑件，并且所述第一结构被连接到相应的反馈导线，所述相应的反馈导线形成在所述支撑体上并且彼此绝缘。
7.根据权利要求1所述的闭环微电子机械加速度计，其特征在于，包括感测电极，所述感测电极电容性地耦合到所述感测块并且被配置为感测所述感测块围绕所述支点轴线的角位置。
8.根据权利要求7所述的闭环微电子机械加速度计，其特征在于，所述感测电极包括：
第一感测电极和第二感测电极，所述第一感测电极和所述第二感测电极相对于所述支点轴线对称地被布置在所述支撑体上并且面向所述面外感测块的所述第一侧；以及
第三感测电极和第四感测电极，所述第三感测电极和所述第四感测电极由相应的感测支撑件相对于所述支点轴线对称地支撑并且面向所述面外感测块的所述第二侧，
其中所述第三感测电极和所述第四感测电极分别被布置在与所述第二感测电极的位置和所述第一感测电极的位置相对应的位置中。
9.根据权利要求8所述的闭环微电子机械加速度计，其特征在于，所述第一感测电极和所述第三感测电极彼此直接地连接，并且所述第二感测电极和所述第四感测电极彼此直接地连接并且与所述第一感测电极和所述第三感测电极绝缘。
10.根据权利要求8所述的闭环微电子机械加速度计，其特征在于，所述感测支撑件包括相应的第一结构和相应的第二结构，所述相应的第一结构锚定到所述支撑体并且穿过所述面外感测块中的开口在平行于所述面外感测轴线的方向上延伸，所述相应的第二结构在垂直于所述面外感测轴线的方向上从所述相应的第一结构延伸并且面向所述面外感测块的所述第二侧，
其中所述感测支撑件为半导体感测支撑件，并且所述第一结构被连接到相应的感测导线，所述相应的感测导线形成在所述支撑体上并且彼此绝缘。
11.根据权利要求7所述的闭环微电子机械加速度计，其特征在于，包括：
感测级，所述感测级耦合到所述感测电极并且被配置为生成读取信号，所述读取信号指示所述面外感测块围绕所述支点轴线的角位置；以及
控制设备，所述控制设备被配置为向所述反馈电极供应从所述读取信号生成的控制信号并且被配置为施加所述静电力以便响应于惯性力将所述面外感测块带回到平衡位置。
12.根据权利要求11所述的闭环微电子机械加速度计，其特征在于，所述静电力包括具有相等模量和相反方向的第一静电反馈力以及具有相等模量和相反方向的第二静电反馈力。
13.一种电子系统，其特征在于，包括：
处理电路装置；以及
耦合到所述处理电路装置的闭环微电子机械加速度计，所述加速度计包括：
半导体衬底；
半导体面外感测块，所述面外感测块具有面向支撑体的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，其中所述面外感测块被连接到所述支撑体以围绕非重心的支点轴线振荡，所述非重心的支点轴线平行于所述第一侧和所述第二侧并且垂直于面外感测轴线；以及
反馈电极，所述反馈电极电容性地耦合到所述感测块并且被配置为将相反的静电力和围绕所述支点轴线的扭矩施加于所述感测块，
其中所述反馈电极包括面向所述面外感测块的所述第一侧的第一组反馈电极和面向所述面外感测块的所述第二侧的第二组反馈电极。
14.根据权利要求13所述的电子系统，其特征在于，所述反馈电极包括：
第一反馈电极和第二反馈电极，所述第一反馈电极和所述第二反馈电极相对于所述支点轴线对称地被布置在所述支撑体上并且面向所述面外感测块的所述第一侧；以及
第三反馈电极和第四反馈电极，所述第三反馈电极和所述第四反馈电极由相应的反馈支撑件相对于所述支点轴线对称地支撑并且面向所述面外感测块的所述第二侧。
15.根据权利要求14所述的电子系统，其特征在于，所述第三反馈电极和所述第四反馈电极分别被布置在与所述第二反馈电极的位置和所述第一反馈电极的位置相对应的位置中。
16.根据权利要求15所述的电子系统，其特征在于，所述第一反馈电极和所述第三反馈电极彼此直接地连接，并且所述第二反馈电极和所述第四反馈电极彼此直接地连接并且与所述第一反馈电极和所述第三反馈电极绝缘。
17.根据权利要求14所述的电子系统，其特征在于，所述反馈支撑件包括相应的第一结构和相应的第二结构，所述相应的第一结构锚定到所述支撑体并且穿过所述面外感测块中的开口在平行于所述面外感测轴线的方向上延伸，所述相应的第二结构在垂直于所述面外感测轴线的方向上从所述相应的第一结构延伸并且面向所述面外感测块的所述第二侧。
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