專利名稱：微型機(jī)械結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括有可動(dòng)元件的一種微型機(jī)械結(jié)構(gòu)。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及用于將這種可動(dòng)元件與一個(gè)微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的其他結(jié)構(gòu)連接的結(jié)構(gòu)。
在微電子領(lǐng)域中，目前的發(fā)展趨勢(shì)是走向更高度的集成化。同樣的情況也適用于微型機(jī)械領(lǐng)域。結(jié)果，因?yàn)殡姎鈶?yīng)用場(chǎng)合要求越來(lái)越小的元件，因此，專門(mén)設(shè)計(jì)用于微電子領(lǐng)域的微型機(jī)械元件必需更高度的集成化。
先前技術(shù)的微型機(jī)械元件是針對(duì)低頻(＜1MHz)應(yīng)用情況來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)的，并且主要用于慣性和壓力傳感器。用于可動(dòng)終端裝置的1～5GHz應(yīng)用場(chǎng)合的微型機(jī)械射頻(RF)元件的設(shè)計(jì)，對(duì)微切削加工結(jié)構(gòu)提出了要求。這些要求有一部分是與在低頻微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)應(yīng)用中的問(wèn)題不相同的。
電容性微型機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是針對(duì)幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行的—對(duì)測(cè)量值或控制力的靈敏度(例如，加速度對(duì)電容的傳遞函數(shù)，控制電壓對(duì)電容的傳遞函數(shù))；—依賴于幾個(gè)其他裝置的參數(shù)的信噪比；—對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間周期和溫度的裝置的零點(diǎn)穩(wěn)定性。
當(dāng)考慮使用情況，特別是測(cè)量或工作頻率時(shí)，這些優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為更加具體的裝置要求。本發(fā)明涉及使用微型機(jī)械結(jié)構(gòu)作為高頻應(yīng)用場(chǎng)合的一部分的情況。這種應(yīng)用場(chǎng)合的二個(gè)不同的例子為—MEMS射頻元件可調(diào)電容器和微型機(jī)械式的微動(dòng)繼電器；—使用LC共振作為測(cè)量電子線路基礎(chǔ)的微型機(jī)械式低噪聲、高靈敏度的加速度計(jì)。
對(duì)于這二個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)裝置有幾個(gè)共同的要求—裝置的串聯(lián)電阻必需最??；—裝置的串聯(lián)(散逸)電感必需減至最小，并且是可重復(fù)的；—結(jié)構(gòu)對(duì)溫度的依賴性必須盡可能小；和—寄生電容必需減至最小。
先前技術(shù)的微型機(jī)械結(jié)構(gòu)大部分都是建筑在硅和多晶硅結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的。多晶硅具有良好的機(jī)械性質(zhì)，并且由多晶硅制造懸掛結(jié)構(gòu)的工藝已研究得較透徹。然而，這些結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是串聯(lián)電阻大。串聯(lián)電阻可降低高頻時(shí)元件的Q值。
諸如低噪聲的射頻電壓控制的振蕩器(VCO)等許多裝置，由于振蕩器的相噪聲與1/QT2成正比(式中，QT為諧振器的總的Q值)，因此，要求具有高Q值的諧振裝置。由于濾波器的動(dòng)態(tài)范圍與QT2成正比，因此，高動(dòng)態(tài)范圍的濾波器也要求高Q值的諧振器。在1～2GHz頻率范圍內(nèi)的質(zhì)量因子受串聯(lián)電阻支配。以前，例如MEMS的可調(diào)電容器都是用多晶硅制造的，但串聯(lián)電阻低的要求已迫使要考慮金屬作為結(jié)構(gòu)的材料。金屬，例如可以是金、銅、銀、鎳、鋁、鉻、高熔點(diǎn)金屬或幾種金屬的合金。
在電容性傳感器中，電容測(cè)量的極限分辨率受到檢測(cè)電容的串聯(lián)和/或并聯(lián)電阻限制。大多數(shù)先前技術(shù)的電容性慣性傳感器，都是由攙有雜質(zhì)的單晶硅或多晶硅制成的，而且其導(dǎo)電率限制在較中等的值。另外，由于金屬/硅界面產(chǎn)生的附加的串聯(lián)電阻會(huì)使串聯(lián)電阻增大。由于有二個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)1)金屬材料密度較高，這可使電容性傳感器的質(zhì)量，因而也是其靈敏度增加；2)金屬導(dǎo)電率較高，這可減少電容性傳感器的電氣噪聲，因此，研究了基于金屬結(jié)構(gòu)的慣性傳感器[1]，[2]。使用金屬材料制作了慣性傳感器的關(guān)鍵問(wèn)題之一，是消除由基片和結(jié)構(gòu)之間的熱膨脹系數(shù)的不匹配造成的熱應(yīng)力。
這樣，金屬具有一些不利的特性，例如內(nèi)在應(yīng)力；這種內(nèi)在應(yīng)力可以造成懸掛結(jié)構(gòu)的翹曲。另外，在MEMS過(guò)程中適用的大多數(shù)金屬的熱膨脹系數(shù)，與大多數(shù)基片材料—例如硅、石英或硼硅酸鹽玻璃—的熱膨脹系數(shù)非常不同。由于熱膨脹的不匹配造成的懸掛結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力可以在裝置中造成嚴(yán)重的熱依賴性。


圖1表示一個(gè)典型的微型機(jī)械橋。要求是使用最少的加工工序，來(lái)制造一個(gè)機(jī)械性能方面理想的固定器。利用圖1所示的方法，一種簡(jiǎn)單的加工是有利的。這種金屬結(jié)構(gòu)的一個(gè)缺點(diǎn)是內(nèi)在應(yīng)力和任何與溫度有關(guān)的應(yīng)力都會(huì)使懸臂結(jié)構(gòu)彎曲。
圖1表示帶有一個(gè)可動(dòng)元件110和固定器130、132的微型機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)放置在硅基片150的頂部的情況。圖1還表示了絕緣層160和在基片上的固定電極140、142。由于溫度變化引起的金屬可動(dòng)元件110的內(nèi)應(yīng)力的變化可由下式計(jì)算Δσ＝E·(α2-α1)·ΔT(1)式中E-楊氏模量；α1和α2-分別為金屬薄膜和硅基片的熱膨脹系數(shù)；ΔT-溫度變化。
對(duì)于在硅基片頂部的銅薄膜， 金屬中的應(yīng)力對(duì)固定結(jié)構(gòu)130和132產(chǎn)生一個(gè)力Feff。
圖2表示在升高的固定器結(jié)構(gòu)上的力矩作用。我們假定，該懸掛結(jié)構(gòu)在幾個(gè)點(diǎn)與基片連接；并且，基片和懸掛結(jié)構(gòu)之間的熱膨脹不匹配，在該懸掛結(jié)構(gòu)中引起應(yīng)變。在圖2中，應(yīng)變的作用表示成二個(gè)箭頭。圖2表示，曲升高的固定器造成的力矩使該懸掛結(jié)構(gòu)彎曲(圖中的彎曲是夸大了的)。該懸掛結(jié)構(gòu)的正常尺寸，例如可以為500微米(μm)長(zhǎng)，1微米(μm)厚和在基片之上1微米(μm)。由于該結(jié)構(gòu)會(huì)觸及表面，因此，甚至是一個(gè)非常小的彎曲力矩也會(huì)是災(zāi)難性的。
圖3表示控制電壓與銅薄膜雙重支承梁的殘余應(yīng)力的依賴關(guān)系。電容保持為常數(shù)，在這個(gè)情況下為0.9pF。梁的長(zhǎng)度為0.5毫米(mm)，寬度為0.2毫米，厚度為0.5微米(μm)?？刂齐姌O與梁之間的間隙為1微米(μm)。圖3表明，控制電壓對(duì)較低的薄膜殘余應(yīng)力是相當(dāng)敏感的。
電容與溫度的依賴關(guān)系可按下式計(jì)算∂C∂T=∂C∂σ·∂σ∂T---(3)]]>對(duì)溫度的依賴關(guān)系隨著控制電壓增大而增大。例如，對(duì)于5兆帕(MPa)的殘余應(yīng)力，在1伏(V)的控制電壓下，電容與溫度的依賴關(guān)系可為1％/℃；而在3伏(V)的控制電壓下，該依賴關(guān)系為24％/℃。如果裝置在低的控制電壓下工作，則必需將薄膜的殘余應(yīng)力減至最小。這時(shí)，必需通過(guò)一些結(jié)構(gòu)上的改造，將電容對(duì)溫度的依賴關(guān)系減至最小。
通過(guò)對(duì)該結(jié)構(gòu)使用撓性的彈簧支承，可以減小電容對(duì)溫度的依賴關(guān)系。這種實(shí)現(xiàn)微型機(jī)械元件的先前技術(shù)的解決方法，例如在文獻(xiàn)[3]～[6]中有說(shuō)明。然而，這些先前技術(shù)裝置的問(wèn)題是1)串聯(lián)電阻太大；2)電容與溫度的依賴關(guān)系太大；3)散逸的電感太大。
因此，包括可動(dòng)元件的先前技術(shù)的微型機(jī)械結(jié)構(gòu)具有與上述要求有關(guān)的缺點(diǎn)。由于微型機(jī)械結(jié)構(gòu)和基片的熱膨脹系數(shù)不匹配，先前技術(shù)的結(jié)構(gòu)具有與溫度有依賴關(guān)系的缺點(diǎn)。在先前技術(shù)的射頻(RF)元件，例如可調(diào)電容器和基于可調(diào)的微型機(jī)械式電容器和集成電感器的諧振器中，串聯(lián)電阻和寄生電容也較大。這些因素可能導(dǎo)致微型機(jī)械元件的損失大，熱不穩(wěn)定性和不可靠。
本發(fā)明的目的就是要改進(jìn)上述缺點(diǎn)，所發(fā)明的，用于將一個(gè)可動(dòng)元件與其他微型機(jī)械結(jié)構(gòu)連接的結(jié)構(gòu)，可使將對(duì)溫度的依賴關(guān)系、串聯(lián)電阻、散逸電感和寄生電容減至最小的工作容易進(jìn)行。因此，本發(fā)明對(duì)微型機(jī)械元件，特別是在射頻(RF)應(yīng)用場(chǎng)合下的微型機(jī)械元件的穩(wěn)定性和可靠性提出了重大的改進(jìn)。
根據(jù)本發(fā)明的，用于將一個(gè)具有一個(gè)特征運(yùn)動(dòng)方向的可動(dòng)元件，與微型機(jī)械元件的一個(gè)固定結(jié)構(gòu)-例如基片連接的結(jié)構(gòu)的特征在于，該結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)用于將該可動(dòng)元件與固定結(jié)構(gòu)連接的連接裝置；和至少一個(gè)在與該可動(dòng)元件的特征運(yùn)動(dòng)方向基本上垂直的方向上，允許該可動(dòng)元件和其他結(jié)構(gòu)之間，有不同的熱膨脹的撓性裝置，其特征還在于，所述連接裝置和/或撓性裝置，在該可動(dòng)元件的特征運(yùn)動(dòng)方向上得到增強(qiáng)，變成基本上非撓性的裝置。
本發(fā)明還涉及一個(gè)包括上述結(jié)構(gòu)的微型機(jī)械元件。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例將在相關(guān)的權(quán)利要求中進(jìn)行說(shuō)明。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一個(gè)思路是使用一個(gè)附加層，例如一個(gè)金屬層，以形成對(duì)于懸掛結(jié)構(gòu)盡可能接近理想的邊界條件。使用以下的一個(gè)或幾個(gè)詳盡的構(gòu)想，可以最有利地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的概念1)使偏轉(zhuǎn)的金屬薄膜機(jī)械地與基片分離，并且該金屬薄膜由以下元件構(gòu)成a)任何形狀的膜片、隔膜或金屬薄膜；b)周?chē)目蚣?，該框架可為任何形狀，只要?duì)于由二個(gè)相對(duì)的固定器形成的軸線對(duì)稱即可；c)在該框架的角落上，形成使該偏轉(zhuǎn)元件與該框架連接的內(nèi)彈簧；d)在形成該框架的梁的中間，使該框架與基片固定；e)使該框架與基片固定器進(jìn)一步連接的隨意的外橫梁；該結(jié)構(gòu)還可進(jìn)一步用圖9A所示的對(duì)稱結(jié)構(gòu)來(lái)表征(在本發(fā)明的以下部分將作更詳細(xì)的說(shuō)明)；和f)使該框架與基片固定的結(jié)構(gòu)是溫度補(bǔ)償式的。
該結(jié)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的可動(dòng)元件的機(jī)械分離幾乎是完美無(wú)缺的。然而，這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的平面結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是，由于在框架或可動(dòng)元件中的內(nèi)在(殘余)應(yīng)力的影響，該框架的幾個(gè)角可能會(huì)在與基片平面垂直的方向(垂直方向)上翹曲。
2)使該框架的垂直厚度比該可動(dòng)元件的垂直厚度大，這樣來(lái)消除結(jié)構(gòu)的翹曲。另一種獲得剛性的垂直結(jié)構(gòu)的可能性是使用成形輪廓的幾何形狀。
本發(fā)明可以利用通常稱為微型系統(tǒng)工藝(MST)或微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的新的制造工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些制造工藝可以在硅晶片或任何其他基片材料的頂面上制造可動(dòng)結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的方法是基于在制造過(guò)程中，在可動(dòng)結(jié)構(gòu)下面沉積一個(gè)犧牲材料層(二氧化硅或聚合物薄膜)。在最后的制造工序過(guò)程中，通過(guò)腐蝕掉該犧牲層，而取出可動(dòng)的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明用幾種方法來(lái)改進(jìn)先前技術(shù)的裝置(金屬薄膜結(jié)構(gòu)在硅基片頂面上)—由于幾何形狀對(duì)稱，偏轉(zhuǎn)薄膜的熱誘導(dǎo)產(chǎn)生的應(yīng)力減小至低于0.5MPa的水平；—由于從該薄膜至固定器有8條平行的電流通道，因此，串聯(lián)電阻低于0.1歐(Ω)；—由于從該薄膜至固定器有8條平行的電流通道，因此，串聯(lián)(散逸)電感低于0.1毫微亨利(nH)；
—由于薄膜應(yīng)力小，因此，控制電壓可能達(dá)到較低(3～5V)；和—機(jī)械分離結(jié)構(gòu)的翹曲??；—去除幾乎所有的，由于熱膨脹不匹配產(chǎn)生的加在懸掛結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力；—緩和在懸掛結(jié)構(gòu)中的內(nèi)在應(yīng)力；—彈簧結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電阻小于在先前的彈簧結(jié)構(gòu)中的串聯(lián)電阻；—在其他自由度方面剛性非常大的結(jié)構(gòu)。剛性的邊界可防止翹曲，并且可將電容器制造得比在先前結(jié)構(gòu)中的電容器大些；—消除由于厚的固定器的熱變形造成的力矩作用。
下面，將根據(jù)附圖，參照示例性的實(shí)施例，更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，其中圖1表示一種先前技術(shù)的微型機(jī)械橋；圖2表示在先前技術(shù)的微型機(jī)械橋的固定器上的力矩影響；圖3表示在一個(gè)先前技術(shù)的微電子機(jī)械電容器中，接通電壓與橋的殘余應(yīng)力的函數(shù)依賴關(guān)系；圖4A表示根據(jù)本發(fā)明的固定器的一個(gè)例子；圖4B表示一個(gè)厚的固定器的變形；圖4C表示可以消除由厚的固定器的變形造成的影響的、根據(jù)本發(fā)明的對(duì)稱的固定器的一個(gè)例子；圖4D表示可從消除由厚的固定器的變形造成的影響、根據(jù)本發(fā)明的對(duì)稱的固定器的另一個(gè)例子；圖5為根據(jù)本發(fā)明的一種微型機(jī)械橋的一個(gè)例子；圖6表示在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性微型機(jī)械橋中的彈簧和固定器元件的一個(gè)橫截面；圖7為根據(jù)本發(fā)明的，包括一個(gè)彈簧元件的微型機(jī)械橋的一個(gè)例子；圖8表示根據(jù)本發(fā)明的一塊方形電極板的連接結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子；圖9A表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)矩形膜片的優(yōu)選的連接結(jié)構(gòu)；圖9B表示由一個(gè)固定框架懸掛起來(lái)的一塊膜片；圖9C表示由二個(gè)固定器固定的一個(gè)對(duì)稱框架；
圖9D表示圖9B所示的連接結(jié)構(gòu)的典型尺寸；圖9E表示一個(gè)框架橫梁由成形輪廓幾何形狀增強(qiáng)的橋式電容器的簡(jiǎn)化的頂視圖和橫截面圖；圖9F表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)帶有溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的加速度傳感器；圖10表示一個(gè)微型機(jī)械電容器的等效交流電路；圖11A表示根據(jù)本發(fā)明的，帶有一個(gè)矩形電極板的框架的連接結(jié)構(gòu)的第一個(gè)實(shí)施例；圖11B表示根據(jù)本發(fā)明的，帶有一個(gè)矩形電極板的框架的連接結(jié)構(gòu)的第一個(gè)實(shí)施例；圖11C表示根據(jù)本發(fā)明的，帶有一個(gè)矩形電極板的框架的連接結(jié)構(gòu)的第一個(gè)實(shí)施例；圖11D表示根據(jù)本發(fā)明的，帶有一個(gè)矩形電極板的框架的連接結(jié)構(gòu)的第一個(gè)實(shí)施例；圖12A表示在一個(gè)生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的示例性過(guò)程中，在1210-1240工序以后的一個(gè)生產(chǎn)樣品的橫截面；和圖12B表示在一個(gè)生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的示例性過(guò)程中，在1250-1270工序以后的一個(gè)生產(chǎn)樣品的橫截面。
圖1～圖3在上面說(shuō)明先前技術(shù)時(shí)已經(jīng)作了說(shuō)明。
圖4A表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性固定器的橫截面。一個(gè)厚的第二個(gè)層430B沉積在構(gòu)成懸掛結(jié)構(gòu)410的固定器的區(qū)域430A上。這個(gè)第二個(gè)層可以消除由于升高的固定器結(jié)構(gòu)的彎曲造成的，對(duì)懸掛結(jié)構(gòu)的扭曲影響；并且，如果第二個(gè)層是由導(dǎo)電材料制成，則該第二個(gè)層還可減小裝置的串聯(lián)電阻。最好，該第二個(gè)層為一個(gè)金屬層，但也可用其他材料制造。
當(dāng)微型機(jī)械固定結(jié)構(gòu)較厚時(shí)，由于膜片410的熱膨脹，該固定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形。這點(diǎn)在圖4B中表示。圖中顯示，當(dāng)固定器430固定在基片450上時(shí)，其底部不能隨溫度變化改變其尺寸。然而，厚的固定結(jié)構(gòu)的上部可以隨溫度變化改變其尺寸。這就形成了對(duì)懸掛結(jié)構(gòu)的一個(gè)力矩M，造成該裝置的性能與溫度有依賴關(guān)系。
圖4C和4D表示可以消除這種影響的二個(gè)固定結(jié)構(gòu)的頂視圖和橫截面圖。該二個(gè)結(jié)構(gòu)是基于一個(gè)帶有與基片對(duì)稱連接的二個(gè)固定點(diǎn)的固定結(jié)構(gòu)，因此，從這二個(gè)固定點(diǎn)產(chǎn)生的力矩互相抵消。在圖4C所示的方案中，有二個(gè)圍繞著框架480的一個(gè)截面對(duì)稱配置的固定點(diǎn)430p和430q，因此，由第一個(gè)固定點(diǎn)430p產(chǎn)生的力矩被由第二個(gè)固定點(diǎn)430q產(chǎn)生的力矩抵消。在圖4D所示的方案中，也有二個(gè)圍繞著框架480的截面的一個(gè)突出部分481對(duì)稱配置的固定點(diǎn)430r和430s，因此，由第一個(gè)固定點(diǎn)430r產(chǎn)生的力矩，被由第二個(gè)固定點(diǎn)430s產(chǎn)生的力矩抵消。
圖5表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)微型機(jī)械橋的例子。該橋包括在懸掛結(jié)構(gòu)510和固定器530與532之間的二個(gè)彈簧結(jié)構(gòu)570、572。該彈簧結(jié)構(gòu)可以降低由于該基片和懸掛結(jié)構(gòu)之間熱膨脹的不匹配所產(chǎn)生的應(yīng)力。另外，該彈簧結(jié)構(gòu)還可以翻放在制造過(guò)程中，在該懸掛結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生的內(nèi)在應(yīng)力。
圖6表示在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性微型機(jī)械橋中的彈簧和固定器元件的橫截面。固定器630由第一個(gè)金屬層630A和第二個(gè)金屬層630B組成。在由第一個(gè)金屬層670A和第二個(gè)金屬層670B組成的彈簧元件670中，也使用了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。圖6還表示了懸掛結(jié)構(gòu)610和基片650。
當(dāng)用于可調(diào)電容器時(shí)，彈簧結(jié)構(gòu)有幾種實(shí)現(xiàn)方式。第一種實(shí)現(xiàn)方式表示在圖4和圖5中，其中，在梁的兩端都使用了彈簧結(jié)構(gòu)，以降低對(duì)溫度的依賴關(guān)系，而不致明顯地增加串聯(lián)電阻。圖7表示第二種實(shí)現(xiàn)方式，在該方式中，在梁的中心放置了一個(gè)增強(qiáng)的彈簧770，并將該梁分割成二個(gè)部分710和712。固定器730和732直接與該梁的二個(gè)部分710，712連接。
圖8表示根據(jù)本發(fā)明的一塊方形電極板的示例性連接結(jié)構(gòu)。在這個(gè)實(shí)施例中，第二個(gè)金屬層形成一個(gè)增強(qiáng)的框架880、880A，880B；該框架為可動(dòng)電極810提供堅(jiān)固的邊界結(jié)構(gòu)，從而可以防止膜片式電容器結(jié)構(gòu)的扭曲。扭曲會(huì)限制薄膜電容器的尺寸，因此，由第二個(gè)噴鍍金屬層形成的堅(jiān)固的邊界結(jié)構(gòu)可使連接結(jié)構(gòu)做得大得多；另外還可減小串聯(lián)電阻?？蚣?80利用四根彈簧870、872、874和876，與固定器830、832、834和836連接。固定器和彈簧兩者都是增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)(872A、872B、876A、876B)。
圖9A表示根據(jù)本發(fā)明的矩形電極板使用一個(gè)框架的一種優(yōu)選的連接結(jié)構(gòu)。在這個(gè)實(shí)施例中，第二個(gè)金屬層形成一個(gè)增強(qiáng)的框架980，該框架通過(guò)內(nèi)部彈簧990、992、994和996，從四個(gè)角落與可動(dòng)薄膜910連接，這樣，可防止薄膜式電容器結(jié)構(gòu)扭曲。該框架通過(guò)四個(gè)固定器930、932、934和936與基片連接，而這些固定器又通過(guò)也可用作彈簧的外部梁970、972、974和976，與該框架連接。這些固定器和彈簧的結(jié)構(gòu)也可以是增強(qiáng)的。
圖9B和9C表示帶有一個(gè)框架的結(jié)構(gòu)的其他可能的幾何形狀。圖9C表示在二個(gè)固定點(diǎn)930和932之間，沿著軸線957對(duì)稱的框架980的一個(gè)實(shí)施例，該框架與二個(gè)固定點(diǎn)為撓性連接。設(shè)置了一個(gè)橫梁955，使得在沒(méi)有其他固定點(diǎn)的情況下，該框架成為剛性框架。膜片910固定在這個(gè)剛性的框架上。圖9D表示圖9B所示結(jié)構(gòu)的典型尺寸。圖中所示的典型尺寸以微米為單位。圍繞著補(bǔ)償熱應(yīng)力的薄膜的框架寬度一般約為20微米(μm)，其厚度約為10(μm)。該框架的剛性足以防止結(jié)構(gòu)的扭曲。當(dāng)在中心的薄膜作為可調(diào)電容器使用時(shí)，其典型的厚度為1微米(μm)。該薄膜側(cè)邊的典型尺寸為50～500微米(μm)。圖9D還表示，為了不使膜片長(zhǎng)度的任何伸長(zhǎng)通過(guò)固定器930和932波及基片，使用了二個(gè)外部梁998、999。
圖9A～9B所示的實(shí)施例具有下列特點(diǎn)a)薄膜910是矩形的，最好是方形的；b)周?chē)目蚣?80是一個(gè)連續(xù)的矩形(方形)結(jié)構(gòu)；c)內(nèi)部彈簧990、992、994和996在該框架的四個(gè)角落上，使薄膜與框架連接；d)框架980在構(gòu)成框架的梁的中間，與基片固定；e)該結(jié)構(gòu)可以具有任意的、進(jìn)一步使該框架與基片固定器連接的外部梁。
該結(jié)構(gòu)最好是對(duì)稱的?？蚣芘c基片的固定和薄膜與框架的固定最好彼此成45°。如果該結(jié)構(gòu)能使膜片與基片機(jī)械上分離是最優(yōu)的。
測(cè)量顯示，圖9A所示的結(jié)構(gòu)幾乎可以完全防止由于溫度變化引起的薄膜中應(yīng)力的變化。該薄膜周?chē)目蚣茉跓釕?yīng)力作用下會(huì)變形，但薄膜則大部分保持原封不動(dòng)。在一個(gè)通常的橋結(jié)構(gòu)在懸掛著的薄膜中誘導(dǎo)產(chǎn)生100兆帕(MPa)的熱應(yīng)力的情況下，圖9A所示結(jié)構(gòu)的薄膜中的熱應(yīng)力小于0.5MPa。在這個(gè)測(cè)量中，溫度變化為50℃，這在移動(dòng)裝置的環(huán)境中是有可能的。
如上所示，通過(guò)使用較厚的材料來(lái)制造框架，使整個(gè)框架在薄膜的特征運(yùn)動(dòng)方向較厚，就可以增強(qiáng)該框架，防止該框架在薄膜的特征運(yùn)動(dòng)方向上運(yùn)動(dòng)。另一種增強(qiáng)框架的方法是使用成形輪廓的幾何形狀作為框架的橫截面。上述框架上的梁的幾何形狀可以是，例如，“U”形、“T”形輪廓的形狀。圖9E表示由用成形輪廓幾何形狀增強(qiáng)的框架980包圍的一個(gè)橋式電容器的簡(jiǎn)化的頂視圖和橫截面圖。這種增強(qiáng)結(jié)構(gòu)不但可以用在例如圖9A～9D所示的例子那樣的，使用一個(gè)框架的實(shí)施例中；而且可以用在諸如圖5～7所示的例子那樣的其他實(shí)施例中。
圖9F表示利用所發(fā)明的溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)帶有慣性質(zhì)量914的加速度傳感器的情況。由理論可知，測(cè)量電容性結(jié)構(gòu)中位移的最精確的方法是利用電感線圈調(diào)節(jié)電容式傳感器。用電感線圈調(diào)節(jié)電容式傳感器時(shí)，電容式傳感器的分辨率的改善，與調(diào)節(jié)線路的Q值成反比。結(jié)論是只有當(dāng)調(diào)節(jié)線路的Q值較大，即Q＞100時(shí)，射頻(rf)測(cè)量原理才可以改善測(cè)量的分辨率。現(xiàn)代化的微型機(jī)械式加速度計(jì)的串聯(lián)電阻較大，因此其Q值低。根據(jù)本發(fā)明的加速度計(jì)使用厚度為12微米的400×400微米2(μm2)的平板，加速度計(jì)的靈敏度可達(dá)到10-2微米/g(μm/g)，這對(duì)于50g的測(cè)量范圍是最優(yōu)的。
圖10表示圖9A所示的可調(diào)電容器的等效電路。表1列出了圖9A所示結(jié)構(gòu)的電氣參數(shù)的說(shuō)明及一些典型的值。
表1 圖10所示的等效電路的參數(shù)
表1中的值表明，串聯(lián)電阻和電感的值都非常小，這就使該電容器結(jié)構(gòu)非常適合于高頻應(yīng)用。
圖11A～11D表示帶有一個(gè)連接框架的可調(diào)電容器的四種實(shí)現(xiàn)方式，和一個(gè)可調(diào)電容器連接在一個(gè)共面的波導(dǎo)管(CPW)線路中的情況。在圖11A和11B所示的實(shí)施例中，框架1180從二個(gè)固定點(diǎn)1132、1136與地線1140、1142接地；而在圖11C和11D所示的實(shí)施例中，該框架從所有四個(gè)固定點(diǎn)1130、1132、1134、1136與地線1140、1142接地。薄膜1110從所有角落，在機(jī)械和電氣方面與該框架1180連接。
在圖11A和11B所示的實(shí)施例中，信號(hào)電極1145也可以用作控制電極，但圖11C和11D所示的實(shí)施例包括有一個(gè)單獨(dú)的信號(hào)電極1146，而電容則由單獨(dú)的控制電極1147、1148控制。在圖11C和11D中還表示了在薄膜1110下面的信號(hào)電極和控制電極。在所有四個(gè)實(shí)施例中，薄膜本身都是相同的。
在圖11A～11D所示的實(shí)施例中，可動(dòng)的薄膜接地，并且“工作中的”信號(hào)電極和控制電極固定在基片上，這可使與薄膜的電氣連接更方便。這樣也可以使電容器的工作電極(hot electrode)和基片接地電位之間的寄生電容減至最小。但是，也可以使用可動(dòng)薄膜作為工作電極，而使用基片的固定電極作為接地電極。
圖12A和12B說(shuō)明制造所發(fā)明的結(jié)構(gòu)的一個(gè)典型的工藝過(guò)程的幾個(gè)階段，在工序1210中，首先，在基片1211上逐漸形成一個(gè)保護(hù)性的氮化物層1212；并且在該氮化物層上沉積一個(gè)聚合物層1213。聚合物可以通過(guò)，例如，旋轉(zhuǎn)來(lái)沉積。在下一個(gè)1220工序中，進(jìn)行最初的金屬版印刷，并且在聚合物上作出固定器開(kāi)口的圖形。接著是1230工序，進(jìn)行種子層(seed layor)1234的沉積，和在種子層上作出圖形；然后是在1240工序中進(jìn)行電鍍。第一次電鍍?cè)诰酆衔餇奚鼘由闲纬梢粋€(gè)薄(例如厚度為1微米(μm))的金屬層1245。
在1250工序中，沉積第二個(gè)聚合物層1256；然后，利用第三個(gè)金屬版印刷工序，部分地去除聚合物。在1260工序中，可看見(jiàn)第一個(gè)金屬結(jié)構(gòu)的一部分，并利用該一部分作為第二次電鍍的種子層。這次電鍍可形成厚的金屬層(例如，厚度為10微米(μm))1267，該厚的金屬層可使固定器穩(wěn)定，并構(gòu)成和增強(qiáng)上述的彈簧。在最后的1270工序中，將犧牲層1278腐蝕掉，這樣，就形成了懸掛結(jié)構(gòu)。
上面，參照上述的實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，并且顯示了本發(fā)明的幾個(gè)工業(yè)上使用的優(yōu)點(diǎn)。顯然，本發(fā)明不僅僅限于這些實(shí)施例，在本發(fā)明思路的下面的專利權(quán)利要求書(shū)的精神和范圍內(nèi)，它包括所有可能的實(shí)施例。例如，本發(fā)明的微型機(jī)械結(jié)構(gòu)的思想，不僅僅局限于使用在可調(diào)電容器中，它也可用在許多其他的元件和用途中。本發(fā)明的一個(gè)示例性應(yīng)用是例如加速度計(jì)一類的慣性傳感器，或者角速度傳感器。在這種應(yīng)用中，可以利用本發(fā)明，在引入大的慣性質(zhì)量的同時(shí)，達(dá)到低的串聯(lián)電阻和大的Q值。本發(fā)明也不限于只是使用上面提到的材料。例如，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以包括薄膜和/或電鍍的金屬，它也可以包括多晶硅和/或單晶硅，或者可以包括絕緣薄膜。
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權(quán)利要求
1.一種將具有一個(gè)特征運(yùn)動(dòng)方向的可動(dòng)元件(910)，與諸如基片(950)那樣的一個(gè)微型機(jī)械部件的一個(gè)固定結(jié)構(gòu)連接的結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)將該可動(dòng)元件與該固定結(jié)構(gòu)連接的連接裝置(930～936)；至少一個(gè)允許在該可動(dòng)元件與其他結(jié)構(gòu)之間，沿基本上與該可動(dòng)元件的特征運(yùn)動(dòng)垂直的方向有不同的熱膨脹的撓性裝置(980，990～996)；其中，所述連接裝置(930～936)和/或撓性裝置(980，990～996)在該可動(dòng)元件的特征運(yùn)動(dòng)方向上，被增強(qiáng)到基本上成非撓性的。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征為，所述撓性裝置(980)位于所述可動(dòng)元件(910)和所述連接裝置(930～936)之間。
3.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征為，該撓性裝置(990～996)放在所述可動(dòng)元件內(nèi)。
4.如上述權(quán)利要求中任何一條所述的結(jié)構(gòu)，其特征為，該撓性裝置包括一個(gè)框架(980)，該框架與可動(dòng)元件(910)及用于使該可動(dòng)元件撓性地與其連接的連接裝置(930～936)連接。
5.如上述權(quán)利要求中任何一條所述的結(jié)構(gòu)，其特征為，通過(guò)增加材料的厚度，使結(jié)構(gòu)增強(qiáng)。
6.如上述權(quán)利要求中任何一條所述的結(jié)構(gòu)，其特征為，利用斷面幾何形狀使該結(jié)構(gòu)增強(qiáng)。
7.如上述權(quán)利要求中任何一條所述的結(jié)構(gòu)，其特征為，該增強(qiáng)結(jié)構(gòu)包括薄膜和/或電鍍金屬。
8.如權(quán)利要求1～6中任何一條所述的結(jié)構(gòu)，其特征為，該增強(qiáng)結(jié)構(gòu)包括多晶硅和/或單晶硅。
9.如權(quán)利要求1～6中任何一條所述的結(jié)構(gòu)，其特征為，該增強(qiáng)結(jié)構(gòu)包括絕緣薄膜。
10.如權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)，其特征為，該框架從其內(nèi)部與可動(dòng)元件固定，并且該框架從其外部與連接裝置固定。
11.如權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)，其特征為，該連接裝置至少在二個(gè)圍繞著所述框架(480)的一部對(duì)稱配置的單獨(dú)的固定點(diǎn)(430p，430q，430r，430s)，與一個(gè)固定結(jié)構(gòu)連接。
12.如權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)，其特征為，框架(980)從該框架的四個(gè)角落(990～996)，與該可動(dòng)元件(910)固定；并且該框架(980)從該框架梁綿中間與連接裝置(930～936)固定。
13.如上述權(quán)利要求中任何一條所述的結(jié)構(gòu)，其特征為，該可動(dòng)元件為一個(gè)偏轉(zhuǎn)膜片。
14.如上述權(quán)利要求中任何一條所述的結(jié)構(gòu)，其特征為，該可動(dòng)元件為一個(gè)可調(diào)電容器的電極。
15.如權(quán)利要求1～12中任何一條所述的結(jié)構(gòu)，其特征為，該可動(dòng)元件的厚度增大，形成慣性傳感器的一個(gè)慣性質(zhì)量(914)。
16.一種微型機(jī)械零件，其特征為，它包括如上述權(quán)利要求中任何一條所述的結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括可動(dòng)元件的一種微型機(jī)械結(jié)構(gòu)。具體地說(shuō),本發(fā)明涉及一種用于將這種可動(dòng)元件與一種微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的其他結(jié)構(gòu)連接起來(lái)的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的特征在于,該結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)用于將該可動(dòng)元件與固定結(jié)構(gòu)連接起來(lái)的連接裝置(930～936);和至少一個(gè)可允許在該可動(dòng)元件與其他結(jié)構(gòu)之間,在基本上與該可動(dòng)元件的特征運(yùn)動(dòng)垂直的方向上的不同的熱膨脹的撓性裝置(980,990～996)。其特征還在于,所述連接裝置和/或撓性裝置,在該可動(dòng)元件的特征運(yùn)動(dòng)方向上被增強(qiáng)。
文檔編號(hào)B81B3/00GK1344670SQ01141039
公開(kāi)日2002年4月17日 申請(qǐng)日期2001年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月2日
發(fā)明者H·尼米寧, T·賴海寧, V·埃莫洛夫, S·斯蘭托 申請(qǐng)人:諾基亞移動(dòng)電話有限公司