TWI762580B - 提供對微機電系統（ｍｅｍｓ）裝置上之外部力之電容感測之系統 - Google Patents

提供對微機電系統（ｍｅｍｓ）裝置上之外部力之電容感測之系統 Download PDF

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TWI762580B
TWI762580B TW107105416A TW107105416A TWI762580B TW I762580 B TWI762580 B TW I762580B TW 107105416 A TW107105416 A TW 107105416A TW 107105416 A TW107105416 A TW 107105416A TW I762580 B TWI762580 B TW I762580B
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馬修 湯瑪森
李奧納多 巴德莎莉
莎拉 納基恩
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美商應美盛股份有限公司
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Abstract

一種MEMS感測器包含懸置於一基板上方之一驗證質量。一感測電極平行於該驗證質量而位於該基板之一頂部表面上，且與該驗證質量一起形成一電容器。該感測電極具有為該MEMS感測器提供經改良效能之複數個狹槽。基於該驗證質量相對於該帶狹槽感測電極之移動而判定由該MEMS感測器感測之一所量測值。

Description

提供對微機電系統(MEMS)裝置上之外部力之電容感測之系統
諸如智慧型電話、智慧型手錶、平板電腦、汽車、空中無人機、器具、飛行器、鍛煉輔助設備及遊戲控制器之眾多物項可在其操作期間利用運動感測器。在諸多應用中，可獨立地或一起分析各種類型之運動感測器(諸如加速度計及陀螺儀)以便判定特定應用之不同資訊。舉例而言，陀螺儀及加速度計可用於遊戲應用(例如，智慧型電話或遊戲控制器)中以擷取由一使用者進行之複雜移動，無人機及其他飛行器可基於陀螺儀量測(例如，側滾、縱傾及側傾)而判定定向，且交通工具可利用量測來判定方向(例如，以進行航位推算)及安全(例如，以辨識打滑或傾翻狀況)。
可將運動感測器(諸如加速度計及陀螺儀)製造為使用半導體製造技術進行製作之微機電(MEMS)感測器。一MEMS感測器可包含可移動驗證質量(proof mass)，該等可移動驗證質量可對諸如線性加速度(例如，針對MEMS加速度計)、角速度(例如，針對MEMS陀螺儀)及磁場之力做出回應。可基於可移動驗證質量回應於此等力所進行之移動而量測該等力對該等驗證質量之操作。在某些實施方案中，基於可移動驗證質量與感測電極之間的距離而量測此移動，該等感測電極形成電容器以用於感測移動。
MEMS感測器之操作組件(諸如可移動MEMS層及感測電極)通常囊封 於一密封腔中，該密封腔具有基於感測器類型、所要Q因子以及其他相關設計及操作因素之一適合壓力。由於該腔係密封的，因此可保護此等組件免受特定環境因素(諸如壓力改變、濕度及濕氣)。然而，MEMS感測器之操作組件將經歷其他環境因素，諸如溫度、裝配、衝擊。感測器可位於極端(例如，工業、製造、資源開採等)環境中，或可以其他方式經受環境狀況之顯著改變。反覆曝露於極端狀況或經改變環境狀況中或者環境狀況之突然改變可對腔內之實體組件(諸如驗證質量或感測電極)造成改變。
在一實施例中，一種用於提供對一微機電系統(MEMS)裝置上之一外部力之電容感測之例示性系統包括：一基板，其位於一第一平面中；及一MEMS裝置層之一可移動組件，該MEMS裝置層耦合至該基板，其中該可移動組件回應於該外部力而沿著一第一軸移動。該系統進一步包括：一感測電極，其安置於該第一平面中之該基板上，其中一第一電容感測元件形成於該可移動組件與第一感測電極之間，其中該第一電容感測元件經組態以對該可移動組件沿著該第一軸之運動做出回應，且其中該感測電極包括實質上延伸於該感測電極之兩個非毗鄰側之間的複數個狹槽。
一種用於執行電容感測之系統包括：一基板，其位於一第一平面中；一電極屏蔽物，其位於該第一平面上，其中該電極屏蔽物由一第一導電材料形成；及複數個感測電極，其安置於該第一平面中之該基板上，其中該複數個感測電極中之每一者毗鄰於該第一平面中之該電極屏蔽物之至少一部分而定位，其中該等感測電極中之每一者包括一摺疊條帶電極，且其中該摺疊條帶電極之長度比該感測電極之周界之長度長。
一種用於執行電容感測之系統包括：一基板，其位於一第一平面 中；一電極屏蔽物，其位於該第一平面上，其中該電極屏蔽物由一第一導電材料形成；及複數個感測電極，其安置於該第一平面中之該基板上，其中該複數個感測電極中之每一者毗鄰於該第一平面中之該電極屏蔽物之至少一部分而定位，其中該等感測電極中之每一者包括實質上延伸於該感測電極之兩個非毗鄰側之間的複數個狹槽，且其中該複數個狹槽減少該等感測電極中之每一者之一頂部表面之一經曝露面積達至少8%。
10:運動感測系統/運動處理系統
12:微機電慣性感測器
14:處理電路
16:記憶體
18:額外感測器
20:通信介面/通信匯流排
200:慣性感測器/運動感測慣性感測器
201:感測電極
202:感測電極
203:感測電極
204:感測電極
206:可移動驗證質量/驗證質量
207:彈簧
208:錨固點
209:彈簧
210:微機電層
220:基板/CMOS層
230:帽蓋層
300:微機電加速度計/加速度計
302A:驗證質量/槓桿
302B:驗證質量/內部驗證質量/槓桿
306:基板
310A:錨固點
310B:錨固點
314A:中心扭轉彈簧/彈簧/中心彈簧
314B:中心扭轉彈簧/彈簧/中心彈簧
316A:旋轉槓桿/槓桿/左側槓桿
316B:旋轉槓桿/槓桿/右側槓桿
318A:外部扭轉彈簧/彈簧/外部彈簧
318B:外部扭轉彈簧/外部彈簧/彈簧
318C:外部扭轉彈簧/彈簧/外部彈簧
318D:外部扭轉彈簧/彈簧/外部彈簧
320A:感測電極/電容感測電極
320B:感測電極/電容感測電極
320C:感測電極/電容感測電極
320D:感測電極/電容感測電極
330:剖面線
400:平衡經導引質量系統/經導引質量系統
400a:經導引質量系統/對稱經導引質量系統
400b:經導引質量系統/對稱經導引質量系統
402a:側滾驗證質量
402b:側滾驗證質量
402c:側滾驗證質量
402d:側滾驗證質量
405:耦合彈簧
406a:錨固點
406b:錨固點
406c:錨固點
406d:錨固點
408a:彈簧
408b:彈簧
408c:彈簧
408d:彈簧
409a:靜電致動器/致動器
409b:靜電致動器/致動器
409c:靜電致動器/致動器
409d:靜電致動器/致動器
409e:靜電致動器/致動器
409f:靜電致動器/致動器
409g:靜電致動器/致動器
409h:靜電致動器/致動器
412a:感測電極
412b:感測電極
412c:感測電極
431:彈簧系統
432:彈簧系統
440a:額外錨固點/錨固點
440b:額外錨固點/錨固點
450a:縱傾驗證質量/驗證質量
450b:縱傾驗證質量/驗證質量
460a:感測電極
460b:感測電極
460c:感測電極
460d:感測電極
500:基板
501:電極屏蔽物
502A:矩形感測電極/感測電極
502B:矩形感測電極/感測電極
502C:矩形感測電極/感測電極
502D:矩形感測電極/感測電極
600:基板
601:電極屏蔽物
602A:帶狹槽矩形感測電極/帶狹槽感測電極/感測電極
602B:帶狹槽矩形感測電極/帶狹槽感測電極/感測電極
602C:帶狹槽矩形感測電極/帶狹槽感測電極/感測電極
602D:帶狹槽矩形感測電極/帶狹槽感測電極/感測電極
700:「T形狹槽」感測電極開槽圖案
701:「Y形狹槽」感測電極開槽圖案
704:螺旋形狹槽
705:額外線性周邊狹槽
707:感測電極
708:狹槽
709:「經連接狹槽」感測電極開槽圖案/感測電極
710:感測電極
711:橫跨貫穿狹槽/頂部表面
712:連接部分
800:加速度計
801:電極屏蔽物
802A:電極/感測電極
802B:電極/感測電極
802C:電極/感測電極
802D:電極/感測電極
802E:電極/感測電極
802F:電極/感測電極
A1:錨固點/錨狀物
A2:錨固點/錨狀物
B2:中心扭轉彈簧/彈簧/中心彈簧
B12:外部扭轉彈簧/彈簧/外部彈簧
B21:外部扭轉彈簧/彈簧/外部彈簧
B22:外部扭轉彈簧/彈簧/外部彈簧
L1:旋轉槓桿/槓桿/左側槓桿
L2:旋轉槓桿/槓桿/右側槓桿
PM1:驗證質量/內部驗證質量/槓桿
PM2:驗證質量/槓桿
在考量連同隨附圖式一起進行之以下詳細說明後，將更明瞭本發明之以上及其他特徵、本發明之本質及各種優點，在隨附圖式中：圖1展示根據本發明之一實施例之一說明性運動感測系統；圖2A展示根據本發明之某些實施例之具有平面外感測之一微機電(MEMS)慣性感測器之一說明性部分的一剖面圖；圖2B展示根據本發明之某些實施例之具有平面內感測之一MEMS慣性感測器之一說明性部分的一剖面圖；圖3A展示根據本發明之某些實施例之用於感測線性加速度之一說明性MEMS系統的一俯視圖；圖3B展示根據本發明之某些實施例之用於感測線性加速度之一說明性MEMS系統的一側視剖面圖；圖4展示根據本發明之某些實施例之用於感測角速度之一說明性系統；圖5A展示根據本發明之某些實施例之位於一基板之一平面上之感測電極的一例示性組態；圖5B展示根據本發明之某些實施例之圖5A之感測電極中的一例示性 感測電極；圖5C展示根據本發明之某些實施例之在延長曝露於一操作環境之後的圖5A之感測電極組態；圖5D展示根據本發明之某些實施例之圖5C之感測電極中的一例示性感測電極；圖5E展示根據本發明之某些實施例之圖5D之感測電極之一部分的一例示性詳細視圖；圖6A展示根據本發明之某些實施例之位於一基板之一平面上之平行帶狹槽感測電極的一例示性組態；圖6B展示根據本發明之某些實施例之圖5A之平行帶狹槽感測電極中的一例示性平行帶狹槽感測電極；圖6C展示根據本發明之某些實施例之在延長曝露於一操作環境之後的圖5A之平行帶狹槽感測電極組態；圖6D展示根據本發明之某些實施例之圖5C之平行帶狹槽感測電極中的一例示性平行帶狹槽感測電極；圖6E展示根據本發明之某些實施例之圖5D之平行帶狹槽感測電極之一部分的一例示性詳細視圖；圖7A繪示根據本發明之某些實施例之一例示性「T形狹槽」感測電極開槽圖案；圖7B繪示根據本發明之某些實施例之一例示性「Y形狹槽」感測電極開槽圖案；圖7C繪示根據本發明之某些實施例之一例示性「螺旋形狹槽」感測電極開槽圖案； 圖7D繪示根據本發明之某些實施例之一例示性「凹陷狹槽」感測電極開槽圖案；圖7E繪示根據本發明之某些實施例之一例示性「經連接狹槽」感測電極開槽圖案；圖8繪示根據本發明之某些實施例之一例示性加速度計之帶狹槽感測電極的一例示性層；圖9繪示根據本發明之某些實施例之設計一帶狹槽電極圖案之一方法的例示性步驟；且圖10繪示根據本發明之某些實施例之在曝露於一操作環境之一生命期內向一MEMS感測器提供補償之一方法的例示性步驟。
相關申請案交叉參考
本申請案主張2017年2月23日提出申請之標題為「Electrode Layer Partitioning」之美國臨時專利申請案第62/462,519號之優先權，該美國臨時專利申請案出於所有目的以引用之方式併入本文中。
一MEMS裝置由若干個層(諸如一CMOS層、一MEMS裝置層及一帽蓋層)構造而成。MEMS裝置層包含一可移動驗證質量以及供用於感測驗證質量之一位置或定向之至少一個感測電極。驗證質量之至少一部分係導電的，使得驗證質量及與驗證質量之一平坦表面對置之一感測電極形成一電容器。在操作期間，將具有一電壓(在本文中稱為「操作電壓」)之一操作信號施加至驗證質量之導電部分或感測電極。MEMS裝置之運動致使驗證質量相對於感測電極移動，藉此改變驗證質量與感測電極之間的距離，且因此改變由驗證質量及感測電極形成之電容器之電容。處理電路基於自 感測電極或驗證質量接收之信號而量測電容，以判定指示相對之驗證質量與感測電極之間的移動之一值。基於電容之一改變，處理電路判定指示MEMS裝置之運動(例如，線性加速度、角速度或磁場)之一運動參數。作為一實例，MEMS裝置可形成一加速度計、陀螺儀、壓力感測器或其他類型之運動感測器。
可藉由以下操作而判定運動參數：對一或若干所感測電容執行若干個處理操作(諸如濾波、放大、縮放及其他類比及/或數位處理操作)，以產生表示期望量測之運動參數之一信號。任何所量測電容與所感測運動參數之間的關係至少部分地基於關於驗證質量相對於感測電極之位置及定向之已知或假定資訊。若此等組件中之一者被損壞或者驗證質量與感測電極之間的相對位置、距離及/或定向以其他方式改變，則一給定電容可不再對應於所量測參數之一給定值。在諸多例項中，可難以基於所量測電容或基於可利用MEMS感測器所進行之其他量測而識別此等改變，舉例而言，此乃因可難以判定一所量測電容之值隨時間之改變是由於電容系統之改變還是僅由於施加至MEMS感測器之不同力(例如，慣性力)。
可在多種應用中利用MEMS感測器，其中該等MEMS感測器可經受挑戰性環境狀況，諸如頻繁溫度改變、曝露於溫度極限及突然溫度改變。MEMS感測器之組件可由材料製造，該等材料可(舉例而言)藉由作為溫度差異之結果進行膨脹及收縮而隨時間經歷對此等環境狀況之實體應力。
舉例而言，沈積於一MEMS感測器之一平坦基板層上之感測電極可界定一電容器之一部分，該電容器之該部分具有位於平行於感測電極之一平面上之一驗證質量或其他可移動MEMS組件。感測電容器具有一扁平之平坦表面，且平行之感測電極與驗證質量之間的距離可經設計使得一給定 電容以及電容之改變對應於一所量測運動參數，諸如線性加速度、角速度或磁場。感測電極可由可經歷由不同環境狀況造成之應力之材料構造而成。舉例而言，一感測電極可藉由沈積或濺鍍包含諸如鋁、矽、銅、金、鎢、鈦、氮化鈦或二氧化矽之材料之一層而製造。對感測電極之應力可導致組件材料隨時間之一結晶或破裂。此破裂(舉例而言)藉由改變感測電極之電特性且形成面向感測電極之先前扁平表面上之不連續性而改變感測電極之行為。除其他之外，此等不連續性可(舉例而言)藉由致使感測電極之表面在感測電極之方向上進一步延伸而修改感測電極與驗證質量之間的所設計距離。
一例示性感測電極可包含位於平坦表面中之複數個狹槽。狹槽可為貫穿狹槽，使得沿著狹槽之位置而移除全部感測電極，或該等狹槽可為部分狹槽，該等部分狹槽延伸達通向感測電極之深度中之路徑之一部分。由於隨時間在感測電極內發生破裂，因此破裂可耦合至感測電極之狹槽，此可防止在感測電極之表面上形成結構及變形。以此方式，狹槽可以限制破裂對感測電容之影響之一方式導引任何破裂之形成。
感測電極開槽可減小電極之表面之可用於與驗證質量一起形成一電容器之一部分，或在部分開槽之實施例中，可基於帶狹槽部分與驗證質量之間的經增加距離而部分地減小開槽。因此，感測電極之狹槽可具有多種圖案及參數，該多種圖案及參數可經修改或調整以針對一特定應用而選擇一適當電極設計。例示性圖案可包含以多種定向之蛇形狹槽、一「T形狹槽」圖案(例如，梳狀圖案)、一「Y形狹槽」圖案(例如，部分六邊形圖案)、螺旋形圖案、其他適合圖案及其組合。圖案、狹槽深度、狹槽寬度、電極材料、電極結晶圖案及其他類似參數可經調整及選擇以形成特定 所要感測特性及環境恢復力。
在某些實施例中，可已知一特定摺疊條帶電極(例如，帶狹槽電極)設計如何對環境狀況做出回應。可基於隨時間對感測電極之預期或所計算修改而隨時間修改用於MEMS感測器之參數(例如，縮放因子等)。可基於諸如使用時間、操作時間、所量測參數隨時間之改變及外部所量測特性(諸如溫度)之因素而進行修改。
圖1繪示根據本發明之某些實施例之一例示性運動感測系統10。雖然在圖1中繪示特定組件，但將理解，可視需要針對不同應用及系統而利用感測器、處理組件、記憶體及其他電路之其他適合組合。在一實施例中，如本文中所闡述，運動感測系統可包含至少一MEMS慣性感測器12(例如，一單軸或多軸加速度計、一單軸或多軸陀螺儀或者其組合)及支援電路，諸如處理電路14及記憶體16。在某些實施例中，一或多個額外感測器18(例如，額外MEMS陀螺儀、MEMS加速度計、MEMS麥克風、MEMS壓力感測器及一羅盤)可包含於運動處理系統10內以提供一整合式運動處理單元(「MPU」)(例如，包含3軸之MEMS陀螺儀感測、3軸之MEMS加速度計感測、麥克風、壓力感測器及羅盤)。
處理電路14可包含一或多個組件，該一或多個組件基於運動處理系統10之要求而提供必要處理。在某些實施例中，處理電路14可包含硬體控制邏輯，該硬體控制邏輯可整合於一感測器之一晶片內(例如，位於一MEMS慣性感測器12或其他感測器18之一基板或帽蓋上，或者位於一晶片之毗鄰於MEMS慣性感測器12或其他感測器18之一部分上)以控制MEMS慣性感測器12或其他感測器18之操作且執行MEMS慣性感測器12或其他感測器18之處理態樣。在某些實施例中，MEMS慣性感測器12及 其他感測器18可包含一或多個暫存器，該一或多個暫存器允許修改硬體控制邏輯之操作之態樣(例如，藉由修改一暫存器之一值)。在某些實施例中，處理電路14亦可包含執行(例如)儲存於記憶體16中之軟體指令之一處理器(諸如一微處理器)。微處理器可藉由與硬體控制邏輯及自MEMS慣性感測器12接收之處理信號互動而控制MEMS慣性感測器12之操作。微處理器可以一類似方式與其他感測器互動。
雖然在某些實施例(圖1中未繪示)中，MEMS慣性感測器12或其他感測器18可與外部電路直接進行通信(例如，經由一串列匯流排或者直接連接至感測器輸出及控制輸入)，但在一實施例中，處理電路14可處理自MEMS慣性感測器12及其他感測器18接收之資料且經由一通信介面20(例如，一SPI或I2C匯流排，或者在汽車應用中，一控制器區域網路(CAN)或區域互連網路(LIN)匯流排)而與外部組件進行通信。處理電路14可將自MEMS慣性感測器12及其他感測器18接收之信號轉換成適當量測單元(例如，基於由經由通信匯流排20而進行通信之其他計算單元提供之設定)且執行較複雜處理以判定量測(諸如定向或歐拉(Euler)角)，並且在某些實施例中自感測器資料判定一特定活動(例如，步行、跑步、制動、打滑、側滾等)是否正發生。
在某些實施例中，可在可稱為感測器融合之一程序中基於來自多個MEMS慣性感測器12及其他感測器18之資料而判定特定類型之資訊。藉由組合來自多種感測器之資訊，準確地判定用於多種應用(諸如影像穩定化、導航系統、汽車控制及安全、航位推算、遠端控制及遊戲裝置、活動感測器、3維相機、工業自動化以及眾多其他應用)中之資訊可為可能的。
一例示性MEMS慣性感測器(例如，MEMS慣性感測器12)可包含一或 多個可移動驗證質量，該一或多個可移動驗證質量以准許MEMS慣性感測器(例如，一MEMS加速度計或MEMS陀螺儀)量測沿著一軸之一所要力(例如，線性加速度、角速度、磁場等)之一方式進行組態。在某些實施例中，一或多個可移動驗證質量可自錨固點被懸置，該等錨固點可係指MEMS感測器之係固定之任何部分，諸如自平行於裝置之MEMS層之一層(例如，一CMOS層)延伸之一錨狀物、裝置之MEMS層之一框架或MEMS裝置之相對於可移動驗證質量係固定之其他適合部分。驗證質量可以使得其回應於所量測力而移動之一方式進行配置。驗證質量回應於所量測力而相對於一固定表面(例如，延伸至MEMS層中或平行於基板上之可移動質量而定位之一固定感測電極)進行之移動經量測且經縮放以判定所要慣性參數。
圖2A繪示根據本發明之某些實施例之一說明性慣性感測器200之一部分的一剖面圖，該說明性慣性感測器經組態以基於一驗證質量之平面外移動而感測一外部力(例如，沿著一軸之一線性加速度、圍繞一軸之一角速度或一磁場)。雖然在圖2A中繪示並以一特定方式組態特定組件，但將理解，一運動感測慣性感測器200可包含其他適合組件及組態。圖2A之剖面圖繪示一MEMS慣性感測器之組件之一有限子集，該等組件一般包含位於一MEMS層內之一彈簧-質量系統，該彈簧-質量系統包含各種組件，諸如彈簧、驗證質量、耦合質量、驅動質量、驅動電極及梳狀物、感測電極及梳狀物、槓桿臂、耦合件以及使用半導體製造技術製造之其他適合機電組件。圖2A中所繪示之組件集合提供用於藉由一慣性感測器進行平面外電容感測之一組態。一例示性MEMS加速度計可回應於在沿著z軸之一方向上之一線性加速度而經歷沿著彼軸(亦即，在MEMS裝置平面外)之一 力。一例示性陀螺儀可回應於沿著z軸之一柯氏(Coriolis)力(其由於圍繞垂直於z軸及MEMS陀螺儀之一驅動軸之一軸之一角速度而產生)而經歷沿著z軸(亦即，在MEMS裝置平面外)之一力。
在圖2A之實施例中，慣性感測器200由複數個經接合半導體層構造而成。雖然一MEMS裝置可以多種方式構造，但在一實施例中，MEMS裝置可包含在特定點處接合在一起以形成一氣密密封封裝之一基板220、一MEMS層210及一帽蓋層230。基板220可包含CMOS電路且形成MEMS裝置之一CMOS層，但CMOS電路可駐存於裝置之其他部分(諸如帽蓋層230)中或在某些實施例中位於MEMS晶粒外部。一例示性MEMS層可使用半導體製造技術來產生以構造微機械組件以供用於諸如MEMS感測器(例如，加速度計、陀螺儀、壓力感測器、麥克風等)之應用中。一例示性CMOS層可提供CMOS層內之電組件及裝置之整合，且亦可提供彼等組件之間的互連。在某些實施例中，MEMS層210之組件可為導電的，且可提供MEMS層210之組件與CMOS層220之組件之間的互連。作為一實例，CMOS層220內之電路可將MEMS層210之電組件(例如，電極或可移動驗證質量)電耦合至處理電路14或其他電組件。
在一例示性實施例中，MEMS層210可包含至少一個錨固點208及耦合至錨固點208並懸置於基板220上方之至少一個可移動驗證質量206。錨固點208可固定地附接(例如，接合)至基板220之一平坦表面且自該平坦表面延伸。錨固點208及可移動驗證質量206可由導電材料構成，且可移動驗證質量206可經配置以圍繞錨固點208樞轉，使得回應於一慣性力，驗證質量206之一端向上傾斜，而另一端向下傾斜。因此，當驗證質量表面之一側遠離基板220移動時，驗證質量表面之位於相對端上之另一側朝向 基板220移動。雖然在圖2A中未繪示，但彈簧及耦合件可以回應於所量測慣性力(諸如在一MEMS加速度計之情形中，沿著一所感測線性加速度之一軸，或針對一MEMS陀螺儀，沿著一柯氏軸(且在某些實施例中，一驅動軸))而將驗證質量之移動限制於所要移動之一方式連接至驗證質量、平面內錨狀物及MEMS層內之其他組件。
驗證質量206可界定複數個平坦表面，包含一上部平坦表面(驗證質量206之頂部，在x/y平面中)及一下部平坦表面(驗證質量206之底部，在x/y平面中)。雖然在不同實施例中，一驗證質量可在MEMS裝置平面內具有複數個不同形狀，但在圖2A之例示性實施例中，驗證質量206包含至少一左側平坦表面(驗證質量206之左側，在y/z平面中)及一右側平坦表面(驗證質量206之右側，在y/z平面中)。
慣性感測器200亦可包括至少一個感測電極，該至少一個感測電極連同驗證質量206一起形成一電容器。圖2A之例示性實施例展示在錨固點208之相對側上定位於基板220之一平坦表面上之兩個感測電極201及202，但在其他實施例中，其他數目及配置之感測電極係可能的。雖然在圖2A中未繪示，但在一實施例中，一電極屏蔽物亦可形成於基板上(例如，環繞感測電極)且在某些實施例中可具有與感測電極相同或類似之一材料。每一感測電極201及202面向懸置於基板220上方之驗證質量206之下部平坦表面之一相對部分。使用此等感測電極201及202，電容性地感測驗證質量206之位置。就此而言，感測電極201與驗證質量206之間的電容之值基於感測電極201之上部平坦表面與驗證質量206之下部平坦表面之間的距離而改變。感測電極202與驗證質量206之間的電容基於感測電極202之上部平坦表面與驗證質量206之下部平坦表面之間的距離而改 變。由每一電容器形成之電容可經感測，且電容信號可經處理(例如，藉由濾波、放大、縮放等)以判定關於所感測慣性力之資訊。在一例示性實施例中，記憶體16(圖1)儲存資料，該資料由處理電路14使用以便將所感測電壓轉換成運動量測，例如線性加速度、角速度或磁場。此資料可在製造期間或在其他時間經校準使得由驗證質量206進行之一特定移動對應於所量測運動參數之一特定改變。
圖2B繪示根據本發明之某些實施例之一說明性慣性感測器200之一部分的一剖面圖，該說明性慣性感測器經組態以基於一驗證質量之平面內移動而感測一外部力(例如，沿著一軸之一線性加速度、圍繞一軸之一角速度或一磁場)。例示性慣性感測器200包含一基板220、一MEMS層210及一帽蓋層230，如上文關於圖2A所闡述。雖然在圖2B中繪示並以一特定方式組態特定組件，但將理解，一運動感測慣性感測器200可包含其他適合組件及組態。圖2B之剖面圖繪示一MEMS慣性感測器之組件之一有限子集，該等組件一般包含位於一MEMS層內之一彈簧-質量系統，該彈簧-質量系統包含各種組件，諸如彈簧、驗證質量、耦合質量、驅動質量、驅動電極及梳狀物、感測電極及梳狀物、槓桿臂、耦合件以及使用半導體製造技術製造之其他適合機電組件。圖2B中所繪示之組件集合提供用於藉由一慣性感測器進行平面內電容感測之一組態。一例示性MEMS加速度計可回應於在沿著x軸之一方向上之一線性加速度而經歷沿著彼軸(亦即，在MEMS裝置平面內)之一力。一例示性陀螺儀可回應於沿著x軸之一柯氏力(其由於圍繞垂直於x軸及MEMS陀螺儀之一驅動軸(例如，y軸)之一軸(例如，z軸)之一角速度而產生)而經歷沿著x軸(亦即，在MEMS裝置平面內)之一力。
在一例示性實施例中，MEMS層210可包含耦合至複數個彈簧207及209之至少一個可移動驗證質量206。在一實施例中，彈簧207及209耦合至驗證質量206及MEMS層210內之其他組件，諸如耦合質量、驅動質量、柯氏質量、槓桿臂、錨狀物或其他適合組件。彈簧207及209以使得其回應於沿著感測軸之一慣性力而促進驗證質量206沿著感測軸(例如，x軸)移動之一方式進行組態。舉例而言，彈簧207及209可具有一縱橫比及形狀，使得該等彈簧順應沿著x軸之運動且在某些實施例中相對於沿著其他軸(例如，沿著y軸及z軸)之運動係剛性的。驗證質量206可界定複數個平坦表面，包含一上部平坦表面(驗證質量206之頂部，在x/y平面中)及一下部平坦表面(驗證質量206之底部，在x/y平面中)。雖然在不同實施例中，一驗證質量可在MEMS裝置平面內具有複數個不同形狀，但在圖2B之例示性實施例中，驗證質量206包含至少一左側平坦表面(驗證質量206之左側，在y/z平面中)及一右側平坦表面(驗證質量206之右側，在y/z平面中)。
慣性感測器200亦可包括至少一個感測電極，該至少一個感測電極連同驗證質量206一起形成一電容器。圖2B之例示性實施例展示兩個感測電極203及204，但在其他實施例中，其他數目及配置之感測電極係可能的。感測電極203及204被錨固至基板220且延伸至MEMS裝置平面中。感測電極203可包含一右側平坦表面，該右側平坦表面之一部分位於MEMS裝置平面中、與驗證質量206之左側平坦表面對置且平行。感測電極204可包含一左側平坦表面，該左側平坦表面之一部分位於MEMS裝置平面中、與驗證質量206之右側平坦表面對置且平行。使用此等感測電極203及204，電容性地感測驗證質量在MEMS平面內沿著x軸206之位置。就此 而言，感測電極203與驗證質量206之間的電容之值基於感測電極203之右側平坦表面與驗證質量206之左側平坦表面之間的距離而改變。感測電極203與驗證質量206之間的電容之值基於感測電極204之左側平坦表面與驗證質量206之左側平坦表面之間的距離而改變。由每一電容器形成之電容可經感測，且電容信號可經處理(例如，藉由濾波、放大、縮放等)以判定關於所感測慣性力之資訊。在一例示性實施例中，記憶體16(圖1)儲存資料，該資料由處理電路14使用以便將所感測電壓轉換成運動量測，例如線性加速度、角速度或磁場。此資料可在製造期間或在其他時間經校準使得由驗證質量206進行之一特定移動對應於所量測運動參數之一特定改變。
圖3A繪示根據本發明之某些實施例之一例示性MEMS加速度計300之一俯視圖，該例示性MEMS加速度計對沿著一z軸之一線性加速度做出回應。加速度計300包括兩個驗證質量PM1 302B及PM2 302A，該兩個驗證質量藉由在垂直於感測電極320A至320D之一上部平坦表面之反相方向上移動而對沿著z軸之一線性加速度做出回應，該等感測電極位於一基板306之一表面上。雖然在圖3A中未繪示，但在一實施例中，一電極屏蔽物亦可形成於基板上(例如，環繞感測電極)且在某些實施例中可具有與感測電極相同或類似之一材料。反相移動受兩個驗證質量PM1 302B及PM2 302A與基板306之間的一撓性耦合約束。撓性耦合包括兩個單獨錨固點A1 310A及A2 310B、兩個中心扭轉彈簧B1 314A及B2 314B、兩個旋轉槓桿L1 316A及L2 316B以及四個外部扭轉彈簧B11 318A、B21 318B、B12 318C及B22 318D。基於驗證質量相對於電容感測電極320A至320D之平面外移動而量測加速度計300之運動。
彈簧B1 314A及B2 314B將錨固點A1 310A及A2 310B連接至槓桿L1 316A及L2 316B。四個外部扭轉彈簧B11 318A、B21 318B、B12 318C及B22 318D透過兩個驗證質量PM1 302B及PM2 302A而將一個槓桿之端連接至位於相對側上之另一槓桿之端。特定而言，彈簧B11 318A將左側槓桿L1 316A之頂部連接至內部驗證質量PM1 302B，該內部驗證質量透過彈簧B22 318D而連接右側槓桿L2 316B之底部。以相同方式，左側槓桿L1 316A之底部利用彈簧B12 318C及B22 318D耦合至右側槓桿L2 316B之頂部。
為簡單起見，假定驗證質量使重心位於中心彈簧(B1 314A及B2 314B)之軸上且外部彈簧(B12 318C、B21 318B、B11 318A及B22 318D)以正交於此軸之距重心相同之距離耦合至驗證質量。在下文中闡述一較一般情形。
針對每一驗證質量，在Z方向上之一線性加速度a將形成在Z上之一力：FPM1=m1a (9)
FPM2=m2a (10)
其中m1及m2分別係PM1 302B及PM2 302A之質量。在每一驗證質量上，此力之一半作用於PM1 302B之外部彈簧B11 318A及B22 318D以及PM2 302A之外部彈簧B12 318C及B21 318B中之每一者上。此力在槓桿之末端上被傳送，因此在槓桿之中心，存在一轉矩，該轉矩係此力乘以槓桿PM1 302B與乘以槓桿PM2 302A之差：
Figure 107105416-A0305-02-0018-1
其中PM1之槓桿長度lPM1係自彈簧B11 318A至B1 314A及自彈簧B22 318D至B2 314B之距離且lPM2係自彈簧B12 318C至B1 314A及自彈簧B21 318B至B2 314B之距離。轉矩M致使中心彈簧及兩個槓桿以反相旋轉且因此一個驗證質量朝向基板移動且另一驗證質量在相反方向上移動。
為產生反相移動，必須存在一不平衡轉矩M。此不平衡轉矩M可由質量(m1≠m2)之一差、槓桿(lPM1≠lPM2)之差或質量與槓桿乘積(m1lPM1≠m2lPM2)之一差得出。
在一較一般實例中，在質量之重心並非位於彈簧軸上或外部彈簧並非以正交於此軸之相同距離耦合至驗證質量之情況下，除Z方向上之力之外，加速度亦導致一轉矩。在此情形中，感測器之結構亦旋轉。感測器亦包含用以量測感測器之運動之一感測電極。
如圖3A中所繪示，驗證質量PM2 302A可相對於下伏基板並朝向該下伏基板沿著z軸在一「向下」方向上移動，而驗證質量PM1 302B可相對於下伏基板並遠離該下伏基板沿著z軸在一「向上」方向上移動。複數個感測電極320A至320D可位於基板上，使一上部平坦表面與驗證質量PM2 302A及PM1 302B中之每一者之一下部表面平行且相對地定位。亦即，感測電極320A可與驗證質量PM1 302B之一第一部分相對地定位、感測電極320A可與PM2 302A之一第一部分相對地定位、感測電極320C可與PM2 302A之一第二部分相對地定位且感測電極320D可與PM1 302B之一第二部分相對地定位。
可基於由各別電極中之每一者與驗證質量之一部分形成之電容而執行電容感測，使得在圖3A之實施例中，基於驗證質量與感測電極之間的各別距離，與感測電極320A/320D及驗證質量PM1 302B相關聯之電容器將具有比與感測電極320B/320C及驗證質量PM2 302A相關聯之電容器低之一電容。
圖3B展示根據本發明之某些實施例之用於感測線性加速度之一說明性MEMS系統的自圖3A之剖面線330觀看之一側視剖面圖。圖3A及圖3B將驗證質量PM1 302B繪示為在「向上」方向上遠離下伏基板移動且將驗證質量PM2 302A繪示為在「向下」方向上朝向下伏基板移動。感測電極320A(圖3B中未繪示)、320B(圖3B中未繪示)、320C及320D位於基板上，其中320A及320B位於錨狀物A1及A2後面且感測電極320C及320D位於錨狀物A1及A2前面。感測電極中之每一者連接至一感測路徑(例如，在基板之CMOS電路內)，該感測路徑包含類比及數位電路(諸如一C至V轉換器)、放大器、比較器、濾波器及縮放以基於由感測電極感測之電容而判定加速度。
驗證質量PM2 302A之一第一部分位於錨狀物A1前面且在感測電極320C正上方以與該感測電極一起形成一電容器，該電容器之電容基於驗證質量PM2 302A之第一部分朝向感測電極320C之移動而增加。驗證質量PM2 302A之一第二部分位於錨狀物A2後面且在感測電極320B(其在感測電極320D後面，未繪示)正上方以與該感測電極一起形成一電容器，該電容器之電容基於驗證質量PM2 302A之第二部分朝向感測電極320B之移動而增加。驗證質量PM1 302B之一第一部分位於錨狀物A2前面且在感測電極320D正上方以與該感測電極一起形成一電容器，該電容器之電容基於驗證質量PM1 302B之第一部分遠離感測電極320D之移動而降低。驗證質量PM1 302B之一第二部分位於錨狀物A1後面且在感測電極320A(其在感測電極320C後面，未繪示)正上方以與該感測電極一起形成一電容器，該電容器之電容基於驗證質量PM1 302B之第二部分遠離感測電極320A之移動而降低。
圖4繪示根據本發明之某些實施例之具有對相對於感測電極之多個可移動質量之電壓感測的一說明性MEMS陀螺儀。出於圖解說明而非限制之目的而提供圖4之陀螺儀設計。將理解，本發明之原理可適用於任何適合MEMS裝置(例如，MEMS加速度計、陀螺儀、壓力感測器、麥克風等)且適用於此等裝置之任何適合組態。圖4之例示性實施例圖解說明一雙軸陀螺儀之一實施例，該雙軸陀螺儀包括一平衡經導引質量系統400。經導引質量系統400包括藉由耦合彈簧405而耦合在一起之兩個經導引質量系統400a及400b。
經導引質量系統400a及400b經由彈簧408a至408d而連接至錨固點406a至406d。額外錨固點440a及440b位於縱傾驗證質量450a及450b之內部中。基板CMOS層401位於圖4中所繪示之懸置彈簧-質量系統之MEMS層下方。錨固點406a至406d及440a至440b中之每一者可接合至CMOS層401(例如，經由各別連接點)且可向上延伸至懸置彈簧-質量系統之平面中。
對稱經導引質量系統400a圍繞一第一側滾感測軸在平面外旋轉。對稱經導引質量系統400b圍繞一第二側滾感測軸在平面外旋轉，該第二側滾感測軸與第一側滾感測軸共面且平行於第一側滾感測軸。耦合彈簧405連接至側滾驗證質量402b及402c。耦合彈簧405圍繞X方向上之一軸係扭轉順應的，使得對稱經導引質量系統400a及400b可圍繞第一及第二側滾感測軸在平面外反相旋轉。耦合彈簧405在Z方向上係剛硬的，此防止對稱經導引質量系統400a及400b在平面外同相旋轉。
在一實施例中，縱傾驗證質量450a及450b各自經由彈簧4201a至4201d而撓性地連接至其各別四個側滾驗證質量402a至402d。彈簧4201a 及4201b係扭轉順應的，使得縱傾驗證質量450a可在y方向上圍繞一第一縱傾感測軸在平面外旋轉，且彈簧4201c及4201d係扭轉順應的，使得縱傾驗證質量450b可在Y方向上圍繞一第二縱傾感測軸在平面外旋轉。
在此實施例中，驗證質量450a及450b亦分別經由彈簧系統431及432以及錨固點440a及440b而耦合至CMOS層401。縱傾驗證質量450a及450b跟隨CMOS層401基板之運動且基板與驗證質量之間的垂直間隙即使在如溫度變化及外部所施加力之外部效應下仍保持為相同的。
兩個對稱經導引質量系統400a及400b經配置使得側滾驗證質量402a至402d以反相沿著x軸移動。耦合彈簧405在X方向上係剛硬的，使得側滾驗證質量402b及402c在X方向上一起移動。側滾驗證質量402a及402d與側滾驗證質量402b及402c相反地移動。
彈簧4201a至4201d在平面內係順應的，使得當驅動側滾驗證質量402a至402d時，縱傾驗證質量450a及450b在z方向上圍繞單獨軸在平面內反相旋轉。靜電致動器409a至409h(諸如梳狀驅動器)連接至側滾驗證質量402a至402d以驅動平衡經導引質量系統400。包括側滾驗證質量402a至402d以及縱傾驗證質量450a及450b之兩個經導引質量系統400a及400b由耦合至致動器409a至409h之一驅動電路以一頻率一起驅動。在某些實施例中，驅動感測電極(未繪示)可連接至陀螺儀之組件中之任一者以偵測對提供至系統之一特定致動/驅動之驅動回應。來自驅動感測電極之量測可用作回饋以調整提供至系統之致動。
在x方向上圍繞縱傾輸入軸之角速度將致使柯氏力分別圍繞第一縱傾感測軸及第二縱傾感測軸而作用於縱傾驗證質量450a及450b上。柯氏力致使縱傾驗證質量450a及450b圍繞第一縱傾感測軸及第二縱傾感測軸在 平面外反相旋轉。縱傾驗證質量450a及450b圍繞第一縱傾感測軸及第二縱傾感測軸進行之旋轉之振幅與圍繞縱傾輸入軸之角速度成比例。
在一實施例中，位於基板上且位於縱傾驗證質量450a及450b下方之感測電極460a至460d用於偵測圍繞第一縱傾感測軸及第二縱傾感測軸之反相旋轉。雖然在圖4中未繪示，但在一實施例中，一電極屏蔽物亦可形成於基板上(例如，環繞感測電極)且在某些實施例中可具有與感測電極相同或類似之一材料。圍繞側滾輸入軸之外部所施加角加速度將在縱傾驗證質量450a及450b上產生同相之慣性轉矩，從而致使該等縱傾驗證質量圍繞第一縱傾感測軸及第二縱傾感測軸同相旋轉。感測電極460a及460d可經耦合且感測電極460b及460c可經耦合使得未偵測到縱傾驗證質量450a及450b之同相旋轉，但偵測到反相旋轉。
圍繞側滾輸入軸之角速度將致使柯氏力在Z方向上作用於側滾驗證質量402a至402d上。柯氏力致使對稱經導引質量系統400a及400b圍繞第一側滾感測軸及第二側滾感測軸在平面外反相旋轉。位於側滾驗證質量402a至402d下方之感測電極412a至412c用於偵測對稱經導引質量系統400a及400b之旋轉。圍繞縱傾輸入軸之外部所施加角加速度將在對稱經導引質量系統400a及400b上產生同相慣性轉矩。
然而，對稱經導引質量系統400a及400b並不旋轉，此乃因耦合彈簧405阻止圍繞第一側滾感測軸及第二側滾感測軸進行同相旋轉。感測電極412a及412c可經耦合使得未偵測到對稱經導引質量系統400a及400b之同相旋轉但偵測到反相旋轉。
圖5A展示根據本發明之某些實施例之位於一基板之一平面上之感測電極的一例示性組態。雖然可針對不同適合應用提供多種感測電極組態， 但在一實施例中，可將四個矩形感測電極502A至502D提供於一基板上以執行一慣性感測器之電容感測。基板500可為一適合基板，諸如一CMOS基板，如本文中所闡述。一電極屏蔽物501可形成於基板500上。電極屏蔽物501可使感測電極屏蔽其他組件系統(例如，除了所量測驗證質量之外)，此可改良由感測電極502A至502D執行之電容量測之準確度。可在電極屏蔽物501與感測電極502A至502D之間提供非導電間隙，使得每一感測電極502A至502D提供用於與其相關聯驗證質量或驗證質量部分進行電容互動之一經隔離且連續導電墊。
圖5B展示根據本發明之某些實施例之圖5A之感測電極中的一例示性感測電極。感測電極502A係一連續矩形感測電極，且由電極屏蔽物501環繞，其間以一非導電間隙隔開。在圖5A至圖5B之實施例中，MEMS感測器之組件(例如，電極屏蔽物501及感測電極502A至502D)可並未曝露於導致彼等組件之材料改變之環境狀況。因此，該等組件可實質上呈類似於其被沈積之方式之一形式，具有(例如，感測電極502A至502D之面向驗證質量之)大體平滑經曝露表面。
圖5C繪示在延長曝露於環境狀況之後的圖5A之例示性感測電極及電極屏蔽物。隨著時間推移，曝露於諸如溫度極限或突然溫度改變之環境狀況可影響電極屏蔽物501及感測電極502A至502D之構成材料之實體結構，從而導致形成破裂圖案(包含在電極屏蔽物501及感測電極502A至502D之表面處)。在圖5A至圖5E之例示性實施例中，電極屏蔽物501及感測電極502A至502D可以一類似方式受影響，使得破裂圖案遍及電極屏蔽物501及感測電極502A至502D係相對均勻的。在圖5D中針對一例示性感測電極502A較詳細地繪示此圖案，且在圖5E中繪示感測電極502A之額外 細節。
形成於感測電極502A至502D上之破裂圖案可導致表面效應，該等表面效應修改電特性且因此修改基於感測電極502A至502D與其各別驗證質量之電容器而感測之所得電容信號。另外，破裂亦可導致感測電極或其部分之高度相對於驗證質量之變化，此可導致MEMS慣性感測器之電容回應之一改變。此可導致所感測參數之不準確讀數，此乃因一給定所感測參數可為基於與一特定電容之一假定對應(例如，基於濾波、放大、縮放及其他處理，如本文中所闡述)。
圖6A展示根據本發明之某些實施例之位於一基板之一平面上之平行帶狹槽感測電極的一例示性組態。雖然可針對不同適合應用提供多種感測電極組態，但在一實施例中，可將四個帶狹槽矩形感測電極602A至602D提供於一基板上以執行一慣性感測器之電容感測。基板600可為一適合基板，諸如一CMOS基板，如本文中所闡述。一電極屏蔽物601可形成於基板600上。電極屏蔽物601可使帶狹槽感測電極屏蔽其他組件系統(例如，除了所量測驗證質量之外)，此可改良由帶狹槽感測電極602A至602D執行之電容量測之準確度。可在電極屏蔽物601與帶狹槽感測電極602A至602D之間提供非導電間隙，使得每一帶狹槽感測電極602A至602D提供用於與其相關聯驗證質量或驗證質量部分進行電容互動之一經隔離且連續導電墊。
雖然帶狹槽感測電極可以多種方式進行組態，但在圖6A之一實施例中，帶狹槽感測電極可具有形成一連續「蛇形」圖案之複數個平行狹槽，該連續「蛇形」圖案維持用於帶狹槽感測電極602A至602D之一連續導電路徑。可基於所要設計因素而修改用於帶狹槽感測電極之多種參數，(諸 如)以最佳化感測電極之操作表面積同時限制環境狀況對感測電極之操作之影響。可被修改之例示性因素包含狹槽數目、狹槽寬度、狹槽深度(例如，對於凹陷狹槽，如本文中所闡述)、狹槽形狀等。在某些實施例中，可針對特定電極材料及/或不同預期環境狀況(舉例而言，基於不同預期材料結構及預期破裂圖案)而最佳化此等設計因素。在某些實施例中，可期望組態一帶狹槽結構，使得該帶狹槽結構提供緩和以使材料在平面內膨脹，此限制由破裂導致之不期望之平面外改變。在某些實施例中，一單個裝置內之不同感測電極可針對一特定應用基於不同電極形狀、大小及材料而具有不同圖案。
圖6B展示根據本發明之某些實施例之圖6A之帶狹槽感測電極中的一例示性帶狹槽感測電極。感測電極602A係一帶狹槽矩形感測電極，且由電極屏蔽物601環繞，其間以一非導電間隙隔開。帶狹槽矩形感測電極可以是方波圖案。在圖6A至圖6B之實施例中，MEMS感測器之組件(例如，電極屏蔽物601及帶狹槽感測電極602A至602D)可能並未曝露於導致彼等組件之材料改變之環境狀況。因此，該等組件可實質上呈類似於其被沈積之方式之一形式，具有(例如，感測電極602A至602D之面向驗證質量之)大體平滑經曝露表面。
圖6C繪示在延長曝露於環境狀況之後的圖6A之例示性帶狹槽感測電極及電極屏蔽物。隨著時間推移，曝露於諸如溫度極限或突然溫度改變之環境狀況可影響電極屏蔽物601及帶狹槽感測電極602A至602D之構成材料之實體結構，從而導致形成破裂圖案(包含在電極屏蔽物601及感測電極602A至602D之表面處)。在圖6A至圖6E之例示性實施例中，電極屏蔽物601及感測電極602A至602D可能並非均勻地破裂，使得電極屏蔽物601之破裂圖案比由感測電極602A至602D經歷之破裂圖案顯著密集。如本文中 所闡述，狹槽可經設計使得破裂圖案較不可能形成完整結構(例如，基於由電極材料形成之結晶結構)，從而防止額外破裂且減小破裂對由各別帶狹槽感測電極形成之電容器之敏感度之影響。在圖6D中針對一例示性感測電極602A較詳細地繪示在帶狹槽區域中具有經減少破裂之此圖案，且在圖6E中繪示感測電極602A之額外細節。
形成於感測電極602A至602D上之破裂圖案可導致表面效應，該等表面效應修改電特性且因此修改基於感測電極602A至602D與其各別驗證質量之電容器而感測之所得電容信號。然而，由於開槽減小感測電極區域內之破裂程度，因此亦減小對電容器之敏感度之改變。對敏感度之改變可小於一臨限敏感度差異，或可因此延長感測器之一有用壽命。在某些實施例中，MEMS感測器之參數可經量測使得可估計感測器敏感度之預測改變且可執行補償。
圖7A至圖7E繪示根據本發明之多種帶狹槽感測電極圖案。本文中所繪示之圖案僅係例示性的，且將理解，本文中所繪示之電極圖案中之任一者可以一適當方式進行組合或修改，且可根據本發明而利用額外圖案。在實施例中，圖案之參數(諸如狹槽寬度、狹槽密度、狹槽深度及狹槽定向)可經修改以便滿足與電功能(例如，電容感測)及對破裂或其他環境效應之抵抗性相關之所要特性。在某些實施例中，可利用諸如典型破裂形狀及大小(例如，針對感測電極之特定構成材料)以及電極覆蓋率(例如，以維持一所要量之電極材料或表面積，諸如介於非帶狹槽材料及/或表面積之至少20%或更小之間)之因素來設定參數。
圖7A繪示根據本發明之某些實施例之一例示性「T形狹槽」感測電極開槽圖案700。例示性T形狹槽圖案可包含以一圖案(例如，平行，如圖 7A中所繪示)在一方向(例如，縱向、橫向、成角度或其他方向)上伸展之複數個狹槽。複數個狹槽短柱(stub)可自狹槽中之每一者延伸，從而形成一T形狹槽圖案，該T形狹槽圖案可提供額外開槽以用於與一破裂圖案介接，且因此減小破裂圖案之總體密度及感測電極內之結晶變形之形成。
圖7B繪示根據本發明之某些實施例之一例示性「Y形狹槽」感測電極開槽圖案701。針對一感測電極之某些材料組合，可能之結晶圖案及大小可為已知的。在某些實施例中，可期望設計狹槽結構，該等狹槽結構適應一已知破裂圖案且因此減小破裂圖案之總體密度及感測電極內之結晶變形之形成。一Y形狹槽開槽圖案可提供近似一可能之破裂圖案之一系列經互連120°角，從而限制包含於感測電極之電極材料內之材料破裂之程度。
如本文中所闡述，可根據本發明而實施多種開槽形狀，且可視需要組合多種開槽形狀。圖7C繪示根據本發明之某些實施例之一例示性「螺旋形狹槽」感測電極開槽圖案702。一螺旋形狹槽704自感測電極之中心開始且在一實施例中，自該中心延伸，其中在維持導電性之同時在狹槽之間具有一均勻距離。在如圖7C中所繪示之一例示性矩形電極中，一組額外線性周邊狹槽705可自電極之外表面延伸以提供額外電極開槽。然而，將理解，在其他螺旋形開槽實施例中可不利用額外電極狹槽。
圖7D繪示根據本發明之某些實施例之一「凹陷狹槽」感測電極開槽圖案706之一例示性俯視及側視圖。一組狹槽708可經凹陷使得其仍包含電極材料但係位於感測電極707之上部表面下方，而非提供其中所有感測電極材料被貫穿移除直至基板之表面之貫穿狹槽。以此方式，可遍及感測電極而維持導電性，此可准許在感測電極之表面上實施多種適合圖案(例如，平行、Y形狹槽、T形狹槽、螺旋形、其組合、其他複雜圖案等)。凹 陷開槽亦可在維持一所要量之電極材料之同時促進額外表面開槽。可以多種適合深度來提供狹槽凹陷，諸如總體感測電極深度之5%、20%、50%或80%。
圖7E繪示根據本發明之某些實施例之一「經連接狹槽」感測電極開槽圖案709之一例示性俯視及側視圖。一經連接狹槽圖案可在介於感測電極710之部分之間的橫跨貫穿狹槽711之間提供連接部分712。以此方式，可遍及感測電極而維持導電性，此可准許在感測電極之表面上實施多種適合貫穿狹槽圖案(例如，平行、Y形狹槽、T形狹槽、螺旋形、其組合、其他複雜圖案等)。在圖7E之例示性實施例中，連接部分712可相對於感測電極709之頂部表面711被凹陷，但在其他實施例中可採用其他圖案(例如，全厚度)。
圖8繪示根據本發明之某些實施例之一例示性加速度計800之帶狹槽感測電極的一例示性層。在一實施例中，一電極屏蔽物801具有與電極802A至802F中之每一者類似或相同之厚度及材料。在圖8之例示性實施例中，加速度計800之感測電極802A至802F中之每一者可與一各別驗證質量相關聯，該各別驗證質量朝向或遠離其相關聯感測電極802A至802F在平面外移動以回應於圍繞一感測軸之旋轉而改變一電容。雖然在某些實施例中，感測電極中之一或多者可基於MEMS感測器設計而具有一不同形狀或圖案，但在一實施例中，圖8之MEMS感測器之感測電極中之每一者可具有一類似形狀且可包含一類似開槽圖案(例如，一蛇形開槽圖案)。在一實施例中，設計可為部分或完全對稱的，使得電極圖案圍繞穿過感測電極之一中心點之一或多個線係對稱的。在一完全對稱設計之一例示性實施例中，開槽圖案可圍繞穿過感測電極之中心點之任何線係相同的。
圖9至圖10繪示根據本發明之某些實施例之用於設計及實施一帶狹槽感測電極結構之例示性步驟。雖然在帶狹槽感測電極本發明之內容脈絡中闡述圖9至圖10，但將理解，本文中及圖9至圖10中所闡述之設計、組件、組態、方法及步驟可應用於一MEMS感測器之任何適合組件，包含MEMS感測器之其他電極類型(例如，驅動電極)或非電極組件。雖然在圖9至圖10中繪示一特定次序及步驟流程，但將理解，在某些實施例中，可修改、移動、移除或添加步驟中之一或多者，且可修改圖9至圖10中所繪示之流程。
圖9繪示根據本發明之某些實施例之設計一帶狹槽電極圖案之一方法的例示性步驟。處理可以一例示性感測器設計(諸如針對一慣性設計)開始。該設計可包含組件，諸如位於具有一或多個驗證質量之一MEMS裝置平面中之一彈簧-質量系統，該一或多個驗證質量回應於將由感測器量測之一特定慣性力(例如，線性加速度、角速度或磁場)而相對於一下伏基板移動(例如，平面外感測)或在MEMS裝置平面內移動(例如，平面內感測)。
在步驟902處，可判定感測電極之可用電容區。此可用電容區可基於感測電極之相對(例如，平行)於對所量測感測器移動做出回應之驗證質量之一毗鄰區段而定位之一部分，以及驗證質量相對於感測電極進行移動之方式(例如，垂直於感測電極之一表面、以一角度(歸因於槓桿式移動)等)。在某些實施例中(例如，回應於其中驗證質量處於相對於感測電極之表面成一角度之槓桿式運動)，可判定一有效電容區(例如，基於感測電極之具有與驗證質量之較多電容互動之特定部分)。一旦判定可用電容區，處理便可繼續至步驟904。
在步驟904處，可分析可用感測電極材料、類比電路及/或數位電路以判定可對自一感測電極及/或驗證質量輸出之一電容信號執行之處理、放大、濾波及縮放之類型。舉例而言，特定處理電路可適應一特定電容範圍，可針對一特定應用以一可接受準確度處理該特定電容範圍，此可在維持適當電容解析度之同時影響感測電極之可用於開槽之一部分。亦可針對不同感測電極敏感度而提供不同感測電極材料。舉例而言，在一實施例中，可判定一可接受材料移除範圍，該可接受材料移除範圍在某些實施例中可為個位數或較低兩位數，諸如至少4%以提供充分開槽、小於33%以提供充分電容感測且在一項實施例中係8%至20%之一範圍。
在步驟906處，可基於自步驟902及904判定之資訊以及(在某些實施例中)不同資訊(諸如可用狹槽設計)而選擇一狹槽圖案。舉例而言，對一狹槽圖案之選擇可取決於若干因素，諸如來自步驟902之可用電容區之形狀、來自步驟904之構成材料及破裂圖案、來自步驟904之處理解析度以及來自步驟904之可用開槽區。一旦選擇一適當狹槽圖案，處理便可繼續至步驟908。
在步驟908處，可選擇狹槽參數。狹槽參數可包含諸如狹槽密度、狹槽寬度及狹槽深度之參數。在一實施例中，此等參數可經最佳化以限制完整結晶破裂圖案之形成同時針對特定應用、感測器組態及電路提供一適合電容感測區。一旦選擇狹槽參數，處理便可繼續至步驟908。
在步驟910處，可分析一初始開槽設計以判定一初始敏感度。可基於模擬而整體地或部分地執行此分析，或者在某些實施例中，可製作原型組件以用於分析。可在所感測運動(諸如慣性運動)之一預期範圍內分析感測器回應，(例如)以驗證感測電極設計適應具有足夠精確度之一全範圍之所 量測信號，且儲存縮放及修整因子以供在操作期間使用。處理可然後繼續至步驟912。
在步驟912處，可判定一環境回應。可基於模擬而整體地或部分地執行此分析，或者在某些實施例中，可製作原型組件且可執行生命期測試以量測環境狀況對感測器之影響。在實施例中，可在生命期測試中之不同階段處針對已知慣性力量測效能，以便判定特定感測電極設計之回應如何在不同環境狀況中隨時間改變。在某些實施例中，此資訊可用於隨時間或回應於針對感測器之特定所量測環境狀況而調整感測器之操作。在其他實施例中，可判定一特定感測電極設計在特定環境狀況中或在一所需長度之生命循環內並不提供可接受效能。在判定環境回應之後，處理可繼續至步驟914。
在步驟914處，可判定是否修改感測電極設計，舉例而言，此乃因所量測生命循環測試並不提供可接受結果或者係為了進一步改良一設計。若將修改感測電極設計，則處理可繼續至步驟906。若將不修改感測電極設計，則可保存諸如縮放值及補償值之若干值以供在感測器操作期間使用。圖9之處理可然後結束。
圖10繪示根據本發明之某些實施例之在曝露於一操作環境之一生命期內向一MEMS感測器提供補償之一方法的例示性步驟。如本文中所闡述，一感測電極設計可改良對環境狀況之感測回應。在某些實施例中，一設計亦可提供關於感測特性將如何隨時間改變之可預測性(例如，基於圖9中所執行之測試，且如本文中所闡述)。
在步驟1002處，可判定一環境回應。在一實施例中，可在設計及/或製造(例如，如關於圖9所闡述)期間判定一環境回應。在其他實施例中， 可在操作期間在現場判定一環境回應。舉例而言，在一實施例中，一或多個驅動測試電極可施加一已知力以致使一驗證質量或其他質量(例如，一測試質量)相對於一感測電極或一感測測試電極(例如，具有與感測電極相同之圖案之一電極部分(舉例而言，其相對於測試質量而定位))以一已知方式移動。基於對已知運動之回應之改變，可判定一操作環境回應。處理可然後繼續至步驟1004。
在步驟1004處，可將環境回應儲存於記憶體中，或者在某些實施例中作為修改提供至暫存器值或其他電路。在某些實施例中，可將表示環境回應之資料連同可用於補償環境回應之改變之關於感測器電路之資訊(諸如對感測器之操作(例如，驅動力、縮放因子、放大、濾波等)之修改)一起儲存。處理可然後繼續至步驟1004。
在步驟1006處，可識別感測器之一回應型樣，使得可提供對感測器之操作之一更新。一回應型樣可為基於適合操作資料，諸如使用時間、實際感測器運行時間、所量測回應(例如，基於測試質量及/或電極)或實際環境狀況之其他量測(例如，溫度、溫度改變速率等)以及其多種組合。在某些實施例中，回應型樣資料可用於直接判定一感測電極之一狀況，或在其他實施例中，可基於對相關資訊或計算(其基於對所量測回應型樣資料之預期回應)之一查找而判定一可能之狀況。處理可然後繼續至步驟1008。
在步驟1008處，可修改感測器之操作以補償環境狀況。在一實施例中，可藉由改變自一所感測電容計算一所感測值(例如，針對線性加速度、角速度或磁場)之方式(例如，藉由修改放大器增益、濾波器參數、縮放因子或者其他類比或數位操作參數)而修改該值之計算。以此方式，可補償感測器之操作以至少部分地基於經改良回應(歸因於由帶狹槽感測電 極設計所產生之經改良環境回應)而允許進行準確計算而不管環境狀況如何。一旦已執行補償，圖10之處理便可結束。
前述說明包含根據本發明之例示性實施例。此等實例僅出於圖解說明之目的而非出於限制之目的而提供。將理解，可以不同於本文中所明確闡述及繪示之形式之形式來實施本發明，且可由熟習此項技術者實施與隨附申請專利範圍一致之各種修改、最佳化及變化。
600:基板
601:電極屏蔽物
602A:帶狹槽矩形感測電極/帶狹槽感測電極/感測電極
602B:帶狹槽矩形感測電極/帶狹槽感測電極/感測電極
602C:帶狹槽矩形感測電極/帶狹槽感測電極/感測電極
602D:帶狹槽矩形感測電極/帶狹槽感測電極/感測電極

Claims (19)

  1. 一種用於提供對一微機電系統(MEMS)裝置上之一外部力之電容感測之系統，該系統包括：一基板，其位於一第一平面中；一MEMS裝置層之一可移動組件，該MEMS裝置層耦合至該基板，其中該可移動組件回應於該外部力而沿著一第一軸移動；及一第一感測電極，其安置於該第一平面中之該基板上，其中一第一電容感測元件形成於該可移動組件與該第一感測電極之間，其中該第一電容感測元件經組態以對該可移動組件沿著該第一軸之運動做出回應，其中：該第一感測電極包括其中減少該第一感測電極之一厚度之凹陷狹槽(recessed slots)之一圖案(pattern)。
  2. 如請求項1之系統，其中該等狹槽實質上延伸於該第一感測電極之兩個平行側之間。
  3. 如請求項2之系統，其中該兩個平行側包括該第一感測電極之兩個長側。
  4. 如請求項2之系統，其中該兩個平行側包括該第一感測電極之兩個短側。
  5. 如請求項1之系統，其中該等狹槽包括一梳狀圖案。
  6. 如請求項1之系統，其中該等狹槽包括一部分六邊形圖案。
  7. 如請求項1之系統，其中該等狹槽包括該第一感測電極之表面積之至少8%。
  8. 如請求項7之系統，其中該等狹槽包括該第一感測電極之該表面積之小於20%。
  9. 如請求項1之系統，其中該等狹槽中之每一者之至少一部分平行於該等狹槽中之另一者而定位。
  10. 如請求項1之系統，其中該第一軸垂直於該第一平面。
  11. 如請求項1之系統，其進一步包括：該MEMS裝置層之一第二可移動組件，其中該第二可移動組件回應於該外部力而沿著一第二軸移動；及一第二感測電極，其安置於該第一平面中之該基板上，其中一第二電容感測元件形成於該第二可移動組件與該第二感測電極之間，其中該第二電容感測元件經組態以對該第二可移動組件沿著該第二軸之運動做出回應，且其中該第二感測電極包括實質上延伸於該第二感測電極之兩個非毗鄰側之間的第二複數個狹槽。
  12. 如請求項11之系統，其進一步包括一中心點，該中心點位於該第一平面中、介於該第一感測電極與該第二感測電極之間，其中該等狹槽與該第二複數個狹槽圍繞通過該第一平面中之該中心點之一線係對稱的。
  13. 如請求項11之系統，其進一步包括一處理單元，該處理單元耦合至該第一感測電極及該第二感測電極以基於該第一電容感測元件及該第二電容感測元件之一經組合量測而判定一外部力之一值。
  14. 如請求項1之系統，其中該等狹槽包括多個成角度狹槽。
  15. 如請求項14之系統，其中該等成角度狹槽中之三個成角度狹槽以120度角相交。
  16. 如請求項1之系統，其中該第一感測電極包括一摺疊條帶(folded strip)電極。
  17. 如請求項16之系統，其中該摺疊條帶電極之長度比該第一感測電極之周界之長度長。
  18. 如請求項16之系統，其中該第一感測電極實質上形成一方波圖案、一螺旋形圖案、一T形狹槽圖案或一Y形狹槽圖案。
  19. 如請求項1之系統，其進一步包括：一第二感測電極，其安置於該第一平面中之該基板上，其中一第二電容感測元件形成於該MEMS裝置層中之一或多個組件與該第二感測電極之間；及處理電路，其耦合至該第一感測電極及該第二感測電極以自該第一感測電極接收一第一信號且自該第二感測電極接收一第二信號，該處理電路經組態以組合該第一信號與該第二信號以回應於該MEMS裝置層之至少一部分沿著該第一軸之移動而輸出一信號。
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