專利名稱：對(duì)稱差動(dòng)電容式傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器。更具體地，本發(fā)明涉及MEMS對(duì)稱 差動(dòng)電容式加速計(jì)。
背景技術(shù)：
加速計(jì)是典型地用于測(cè)量加速力的傳感器。這些力可以是靜態(tài)的，如重力的恒力，
或者它們也可以是動(dòng)態(tài)的，由運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)加速計(jì)產(chǎn)生。加速計(jì)可以沿一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)軸或 方向感測(cè)加速度或其他現(xiàn)象。根據(jù)此信息，可以確定在其中安裝了加速計(jì)的設(shè)備的運(yùn)動(dòng)或 方位。加速計(jì)被用于內(nèi)部引導(dǎo)系統(tǒng)、車輛的安全氣囊展開系統(tǒng)、多種設(shè)備的保護(hù)系統(tǒng)，以及 許多其他的科學(xué)和工程學(xué)系統(tǒng)中。 由于其相對(duì)價(jià)格低廉，電容式感測(cè)MEMS加速計(jì)設(shè)計(jì)非常值得在高重力環(huán)境和小 型化的設(shè)備中運(yùn)行。電容式加速計(jì)感測(cè)與加速度相關(guān)的電容的變化，以改變帶電電路的輸 出。加速計(jì)的一個(gè)普遍形式是具有"蹺蹺板"或"秋千"配置的兩層電容式換能器。該普遍 應(yīng)用的換能器類型使用在基底上的在z軸加速度下旋轉(zhuǎn)的可動(dòng)元件或板。該加速計(jì)結(jié)構(gòu)可 以測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同的電容以確定差動(dòng)或相對(duì)電容。 圖1示出現(xiàn)有技術(shù)不對(duì)稱電容式加速計(jì)20的側(cè)視圖，其被構(gòu)造為常規(guī)的鉸接或 "蹺蹺板"型傳感器。電容式加速計(jì)20包括靜態(tài)基底22，其具有預(yù)定配置的金屬電極元件24 和26沉積在表面上，以形成相應(yīng)的電容器電極或"板"。普遍稱為"檢測(cè)質(zhì)量(proof mass)" 的可動(dòng)元件28由扭力式懸掛元件30柔性懸掛于基底22之上并繞由雙向箭頭32表示的旋 轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)軸32 —側(cè)上的可動(dòng)元件28的部件34被形成為比在旋轉(zhuǎn)軸32另一側(cè)上 的可動(dòng)元件28的部件36具有相對(duì)更大的質(zhì)量。典型地通過從可動(dòng)元件28的幾何中心38 偏置旋轉(zhuǎn)軸32而產(chǎn)生部件34的該更大質(zhì)量。由于旋轉(zhuǎn)軸32兩側(cè)的質(zhì)量不同，可動(dòng)元件28 響應(yīng)于加速度樞轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)，從而改變其相對(duì)于靜態(tài)感測(cè)電極24和26的位置。該位置的改 變導(dǎo)致可動(dòng)元件28和每一個(gè)電極24和26之間的電容的改變。圖1所示的電容器40和42 表示該電容，或更具體地是當(dāng)可動(dòng)元件28響應(yīng)于加速度樞轉(zhuǎn)時(shí)表示電容的改變。該電容之 間的差，即差動(dòng)電容，表示加速度。應(yīng)當(dāng)理解的是，電容器40和42表示該電容，并且不是加 速計(jì)20的實(shí)際組件。 當(dāng)加速計(jì)20承受高加速度時(shí)，可動(dòng)部件28可以旋轉(zhuǎn)并接觸基底22，從而避免進(jìn)一 步旋轉(zhuǎn)。該止動(dòng)特征用于避免可動(dòng)元件28的結(jié)構(gòu)故障和/或避免任一電容器40和42的 短路。在一些實(shí)施例中，可以將止動(dòng)器或柱形結(jié)構(gòu)44實(shí)現(xiàn)在可動(dòng)元件28的相對(duì)的縱向末 端46上作為該止動(dòng)特征。止動(dòng)器44的相對(duì)較小的表面區(qū)域會(huì)在很大程度上避免可動(dòng)元件 28粘在下面的電極和/或基底上。也就是說，在沒有止動(dòng)器44時(shí)，可動(dòng)元件28的該較大表 面區(qū)域?qū)?huì)粘在下面的電極和/或基底上，從而使得加速計(jì)20不可用。
圖2表示正弦激勵(lì)下的不對(duì)稱加速計(jì)20(圖1)的示例性的輸出信號(hào)46的圖表。 由于其不對(duì)稱配置以及止動(dòng)器44的不對(duì)稱布置，可動(dòng)元件28在正負(fù)方向之間止動(dòng)在不同 的加速度振幅上。止動(dòng)器導(dǎo)致在正加速度值上的削波48不同于在負(fù)加速度值上的削波50。
6這產(chǎn)生了在超載響應(yīng)下的非零時(shí)間平均輸出值52。正弦激勵(lì)的時(shí)間平均輸出值應(yīng)當(dāng)為零， 所以非零值52可引起加速度測(cè)量的不準(zhǔn)確性，以及加速計(jì)20被合成于其中的設(shè)備的可能 的故障。 再參考圖l，有時(shí)激勵(lì)電極(未示出)被布置在基底22上，在可動(dòng)元件28的部件 34的下方并在電極24旁邊。這樣的激勵(lì)電極可以用于自檢活動(dòng)。不幸地，使用在旋轉(zhuǎn)軸 32—側(cè)的單個(gè)激勵(lì)電極只允許在單個(gè)方向的自檢。 一些方法要求兩個(gè)方向的激勵(lì)，即雙向 自檢。對(duì)于加速計(jì)20的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)， 一種實(shí)現(xiàn)雙向自檢的技術(shù)是減少兩個(gè)電極24和26的 有效區(qū)域并利用該區(qū)域中的一些作為附加的一對(duì)激勵(lì)電極。不幸地，電極24和26的區(qū)域 的損失可能導(dǎo)致加速計(jì)性能下降。


當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，可通過參考詳細(xì)說明和權(quán)利要求得出對(duì)本發(fā)明的更加完整的 理解，其中在各個(gè)圖中相同附圖標(biāo)記表示類似項(xiàng)目，并且 圖1示出現(xiàn)有技術(shù)不對(duì)稱電容式加速計(jì)的側(cè)視圖，其被構(gòu)造為常規(guī)鉸接或"蹺蹺 板"型傳感器； 圖2示出正弦激勵(lì)下的圖1中的不對(duì)稱加速計(jì)的示例性輸出信號(hào)的圖表；
圖3示出依照本發(fā)明的對(duì)稱差動(dòng)電容式傳感器的頂視圖；
圖4示出圖3的對(duì)稱差動(dòng)電容式傳感器的側(cè)視圖；
圖5示出布置在圖3的傳感器的基底上的電極的頂視圖；
圖6示出依照本發(fā)明的差動(dòng)電容式傳感器在處理期間的側(cè)視圖；
圖7示出依照本發(fā)明另一實(shí)施例的對(duì)稱差動(dòng)電容式傳感器的頂視圖；
圖8示出布置在圖7的傳感器的基底上的電極的頂視圖；以及
圖9示出該差動(dòng)電容式傳感器可以被安裝于其中的設(shè)備。
具體實(shí)施例方式
參考圖3和圖4，圖3示出依照本發(fā)明的對(duì)稱差動(dòng)電容式傳感器60的透視圖，圖 4示出對(duì)稱差動(dòng)電容式傳感器60的側(cè)視圖。傳感器60可以是例如微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加 速計(jì)或其他MEMS感測(cè)設(shè)備。為了接下來的討論，在下文中將傳感器60稱為電容式加速計(jì) 60。電容式加速計(jì)60具有幾何對(duì)稱的蹺蹺板配置，其消除由不對(duì)稱削波引起的非零時(shí)間平 均輸出值，使芯片區(qū)的利用最優(yōu)化以提供更好的感測(cè)，并允許足夠的靜電激勵(lì)，可用于雙向 自檢和/或"閉環(huán)"或反饋設(shè)計(jì)。 電容式加速計(jì)60包括布置在基底64上的靜態(tài)導(dǎo)電層62 。另 一個(gè)導(dǎo)電層，這里稱 作可動(dòng)感測(cè)元件66，形成于導(dǎo)電層62之上?？蓜?dòng)感測(cè)元件66由鉸鏈元件68支撐，并被允 許繞由鉸鏈元件68限定的旋轉(zhuǎn)軸70樞轉(zhuǎn)。應(yīng)當(dāng)理解的是，許多彎曲部件、鉸鏈及其他旋轉(zhuǎn) 機(jī)構(gòu)可以用于使可動(dòng)感測(cè)元件66繞旋轉(zhuǎn)軸70樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 靜態(tài)導(dǎo)電層62包括至少一個(gè)電極，其是放置在基底64上的四個(gè)電極或板的形式 并面向可動(dòng)元件66的表面72。這些電極包括與另一個(gè)感測(cè)電極76電隔離的感測(cè)電極74， 和與激勵(lì)電極80電隔離的激勵(lì)電極78。感測(cè)電極74和76及激勵(lì)電極78和80位于可動(dòng) 元件66下方。因此，在圖3的頂視圖中，電極正常時(shí)不會(huì)可見，由虛線表示電極74、76、78
7和80以表明其相對(duì)于可動(dòng)元件66和旋轉(zhuǎn)軸70的位置。 如以上簡(jiǎn)單提到的，電容式加速計(jì)60具有幾何對(duì)稱的蹺蹺板配置。最終，鉸鏈元件68被放置為使得旋轉(zhuǎn)軸70在可動(dòng)元件66的端部82和84之間基本幾何居中。部件86形成于旋轉(zhuǎn)軸70與端部82之間，而部件88形成于旋轉(zhuǎn)軸70與端部84之間。根據(jù)總幾何構(gòu)型，從端部82到旋轉(zhuǎn)軸70的長(zhǎng)度90基本上等于端部84與旋轉(zhuǎn)軸70之間的長(zhǎng)度90?？蓜?dòng)元件66基本上是矩形的。因此，每一個(gè)部件86和88的寬度92也基本上相等。
止動(dòng)器94和96分別在端部82和84從可動(dòng)元件66的表面72朝向基底64延伸。當(dāng)止動(dòng)器94和96接觸相應(yīng)的設(shè)置在基底64上的專用接觸板98和100時(shí)，可動(dòng)元件66的樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被止動(dòng)，并保持與止動(dòng)器94和96相同的電位。止動(dòng)器94和96被設(shè)置為距旋轉(zhuǎn)軸70相等的距離。因此，在正負(fù)方向上在基本上相同的加速度幅值將可動(dòng)元件66止動(dòng)。因此，消除了現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)中的由不對(duì)稱削波引起的非零時(shí)間平均輸出值。
在可動(dòng)元件66上需要產(chǎn)生繞旋轉(zhuǎn)軸70的運(yùn)動(dòng)的力矩或趨勢(shì)，以使電容式加速計(jì)60執(zhí)行其感測(cè)功能。通過在部件86和88的每個(gè)中形成尺寸和/或數(shù)量不同的延伸貫通可動(dòng)元件66的孔來實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)。例如，以配置104來設(shè)置部件86中的孔102，并且以配置108來設(shè)置部件88中的孔106。配置104和108描述在相應(yīng)部分86和88中的孔102和106的對(duì)應(yīng)一個(gè)孔的尺寸和數(shù)量。例如，在配置104中的孔102比配置108的孔106的直徑小并且數(shù)量少。 通過在部件86中放置較小和/或較少的孔102以及在部件88中放置較大和較多的孔106，產(chǎn)生關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸70的質(zhì)量的不平衡。通過將孔102和106放置在旋轉(zhuǎn)軸70的遠(yuǎn)端從而增加可動(dòng)元件66的力臂，有效地增大該質(zhì)量的不平衡。在此情形中，部件88的質(zhì)量比部件86小。由于該不平衡，由輸入加速度產(chǎn)生力矩以使可動(dòng)元件66繞旋轉(zhuǎn)軸70樞轉(zhuǎn)。因此，通過檢測(cè)形成于對(duì)應(yīng)的感測(cè)電極74和76與可動(dòng)元件66之間的電容器110和電容器112之間的差動(dòng)電容信號(hào)而實(shí)現(xiàn)該感測(cè)功能。此外，通過形成于激勵(lì)電極78和可動(dòng)元件66之間的電容器111以及形成于激勵(lì)電極80和可動(dòng)元件66之間的電容器113來實(shí)現(xiàn)激勵(lì)功能。雖然示出兩個(gè)配置104和108，但明顯的是，只要其能引起關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸70不平衡的可動(dòng)元件66，可以實(shí)現(xiàn)孔102和106的尺寸和數(shù)量的變化。 孔102和106另外還用于當(dāng)可動(dòng)元件66樞轉(zhuǎn)時(shí)使空氣的阻尼效應(yīng)最優(yōu)化。阻尼器是調(diào)節(jié)機(jī)械的、聲學(xué)的、電子的或空氣動(dòng)力學(xué)的振蕩的振幅的實(shí)體。在可動(dòng)元件66和基底64之間的空氣作為阻尼器，并且可導(dǎo)致不需要的高阻尼。不需要的高阻尼可使可動(dòng)元件66響應(yīng)過慢，特別是對(duì)于大的加速度。相反地，如果可動(dòng)元件66與基底64之間俘獲的空氣量不夠，可動(dòng)元件66可振蕩過多，導(dǎo)致加速度測(cè)量的不準(zhǔn)確和過載。孔102和106允許可動(dòng)元件66和之下的結(jié)構(gòu)之間的一些空氣溢出以適當(dāng)?shù)乜刂瓶諝庾枘嵝?yīng)。
圖5示出布置于電容式加速計(jì)60的基底64上的電極74、76、78、80的頂視圖。在圖5的頂視圖中，由虛線表示可動(dòng)元件66以說明其相對(duì)于電極74、76、78和80的位置。一般的，部件86可以被表征為具有鄰近旋轉(zhuǎn)軸70放置的近側(cè)區(qū)域114和鄰近端部82放置的遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域116。同樣的，部件88可以被表征為具有鄰近旋轉(zhuǎn)軸70放置的近側(cè)區(qū)域118和鄰近端部84放置的遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域120。 在實(shí)施例中，感測(cè)電極74面向部件86的近側(cè)區(qū)域114，而感測(cè)電極76面向部件88的近側(cè)區(qū)域118。更重要地，將感測(cè)電極74和76相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸70對(duì)稱地安排，使得每個(gè)電極74和76與旋轉(zhuǎn)軸70之間的距離122基本上相等。激勵(lì)電極78面向部件86的遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域116，并且激勵(lì)電極80面向部件88的遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域120。和電極74和76 —樣，將激勵(lì)電極78和80相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸70對(duì)稱地安排，使得每個(gè)電極78和80與旋轉(zhuǎn)軸70之間的距離124基本上相等。 和可動(dòng)元件66的部件88中的孔106 (圖3) —樣，激勵(lì)電極78具有以配置108安排的孔126。此外，和可動(dòng)元件66的部件86中的孔102(圖3) —樣，激勵(lì)電極80具有以配置104安排的孔128。電極74、76的對(duì)稱放置產(chǎn)生匹配電容，即，在電容器110和112 (圖4)之間的相等且相對(duì)的電容。這在兩個(gè)方向提供了感測(cè)電極74，76的相等感測(cè)能力。電極78、80的對(duì)稱放置以及孔126相對(duì)于孔106以及孔128相對(duì)于孔102的"鏡像"或翻轉(zhuǎn)對(duì)稱在電容器lll和113(圖4)之間產(chǎn)生匹配電容。這在兩個(gè)方向提供了激勵(lì)電極78、80的相等激勵(lì)能力。 當(dāng)在任一激勵(lì)電極78和80與可動(dòng)元件66之間施加偏壓時(shí)，可有效地產(chǎn)生靜電力以提供激勵(lì)功能?？蓜?dòng)元件66的部件86的遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域116的凈表面區(qū)域不同于可動(dòng)元件66的部件88的遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域120的凈區(qū)域。在該情形中，配置104(圖3)包括比配置108(圖3)更小且數(shù)量更少的孔102。因此，部件86的遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域116中的剩余可動(dòng)元件66的凈表面區(qū)域大于部件88的遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域120中的剩余可動(dòng)元件66的凈表面區(qū)域。 邊緣電場(chǎng)描述歸于周界尺寸的電場(chǎng)通量。即，該電場(chǎng)集中在邊緣，諸如在孔102和106(圖3)的每個(gè)的周界上。由于邊緣電場(chǎng)，仍可以在部件86和88之間以合理的程度匹配電極78和80與可動(dòng)元件66之間的電容，因此也從兩個(gè)方向在激勵(lì)電極78和80上提供相等的激勵(lì)能力。 激勵(lì)電極78和80分別有利地為"自檢"操作和/或反饋"閉環(huán)"操作提供激勵(lì)。對(duì)于"自檢"操作，其可以提供大量的激勵(lì)以檢測(cè)差動(dòng)加速計(jì)60的功能。對(duì)于反饋操作，其提供抵消大的加速度的能力。因此，在反饋操作中，可以將反饋信號(hào)施加到激勵(lì)電極78和80以用電容感測(cè)可動(dòng)元件66的位置，并向該激勵(lì)電極提供靜電偏壓以保持該可動(dòng)元件固定，或在特定頻率范圍內(nèi)限制運(yùn)動(dòng)。例如，可以限制運(yùn)動(dòng)以允許高頻運(yùn)動(dòng)但抵消低頻運(yùn)動(dòng)，諸如任何由封裝壓力引起的溫度和/或時(shí)間相關(guān)的偏移量。因此，電容式加速計(jì)60的對(duì)稱的蹺蹺板設(shè)計(jì)進(jìn)一步為自檢、反饋、偏移消除等提供有效的雙向激勵(lì)。 應(yīng)當(dāng)注意的是，電極74和78的組合基本上在可動(dòng)元件66的部件86的整體的下方。類似地，電極76和80的組合基本上在可動(dòng)元件66的部件88的整體的下方。與現(xiàn)有技術(shù)的不對(duì)稱檢測(cè)質(zhì)量配置具有未使用的屏蔽區(qū)域相比，該配置使得可動(dòng)元件66的全部表面區(qū)域得到充分利用。此外，該配置考慮到最佳尺寸的檢測(cè)質(zhì)量，即可動(dòng)元件66，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電容器110和112的重要的電容輸出及考慮到激勵(lì)電極78和80上的充足的激勵(lì)電壓。
圖6示出依照本發(fā)明的在處理期間的差動(dòng)電容式傳感器60的側(cè)視圖?；?4可以是包括硅的半導(dǎo)體晶片，雖然也可以利用任何機(jī)械支撐基底。依照常規(guī)制造實(shí)踐，如果基底64不導(dǎo)電，絕緣層130可以形成于基底64的表面上。靜態(tài)導(dǎo)電層62可以包括多晶硅，雖然也可以采用其他導(dǎo)電材料?？梢酝ㄟ^諸如沉積和濺射的已知方法形成導(dǎo)電層62。例如，可以將導(dǎo)電層62作為覆蓋層沉積在基底64的表面上，并隨后將其圖案化并蝕刻以形成感測(cè)電極74和76，以及分別具有孔126和128的激勵(lì)電極78和80 (圖5)。然后可以將接觸板98和100形成在基底64上?？梢酝ㄟ^已知方法并從已知材料形成接觸板98和100。保護(hù)層(未示出)可以可選擇地被沉積在導(dǎo)電層62上以及依需要被圖案化并蝕刻以在進(jìn)一步處理步驟期間保護(hù)基底64并防止導(dǎo)電層62和可動(dòng)元件66之間的短路和/或焊接。
隨后將犧牲層132形成在被圖案化并蝕刻的導(dǎo)電層62及接觸板98和100上。和前面的層一樣，也可以依需要共形地形成犧牲層132并隨后將其圖案化并蝕刻。例如，可以在犧牲層132中形成接觸開口用來沉積用以將鉸鏈元件68機(jī)械連接到基底64的鉸鏈錨133。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，犧牲層132典型地為氧化硅，并可以通過化學(xué)汽相沉積來沉積。應(yīng)當(dāng)理解的是，可以使用其它犧牲材料代替氧化硅，諸如磷硅酸鹽玻璃或硼磷硅酸鹽玻璃。 下一個(gè)導(dǎo)電層，S卩，具有止動(dòng)器82和84的可動(dòng)元件66，包括多晶硅，并且通過已知方法被形成為置于導(dǎo)電層62上方的蹺蹺板結(jié)構(gòu)。此外，可以通過已知方法在可動(dòng)元件66中圖案化并蝕刻孔102和孔106(圖3)。在一實(shí)施例中，可以在單個(gè)工藝中掩膜、圖案化及蝕刻該導(dǎo)電層以限定可動(dòng)元件66的各個(gè)元件。在所描述的實(shí)施例中，這些包括鉸鏈錨133、鉸鏈元件68、具有止動(dòng)器82和84及孔102和106的可動(dòng)元件66。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，隨后可被執(zhí)行的其它沉積工藝包括，例如在可動(dòng)元件66之上的另一個(gè)犧牲層的沉積等等。
在形成以上描述的結(jié)構(gòu)之后，將犧牲層132移除使得該可動(dòng)元件66自由樞轉(zhuǎn)。例如，可以采用選擇性的蝕刻劑，能夠移除磷硅酸鹽玻璃犧牲層而一點(diǎn)都不破壞靜態(tài)導(dǎo)電層62和可動(dòng)元件66的多晶硅?？蓜?dòng)元件66中的孔102和106 (圖3)在電容式加速計(jì)60的制造期間另外提供有用的功能?？赏ㄟ^孔102和106將蝕刻劑應(yīng)用于犧牲層132。這有效地增加了蝕刻劑的傳播從而促進(jìn)在制造期間的犧牲層132的蝕刻及所后的從下面的結(jié)構(gòu)中釋放可動(dòng)元件66。 參考圖7-8，圖7示出依據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的對(duì)稱差動(dòng)電容式傳感器134的頂視圖，圖8示出布置在傳感器134的基底140上的電極136和138的頂視圖。應(yīng)當(dāng)注意的是，電極136和138在可動(dòng)元件142之下。因此，在圖7的頂視圖中，由虛線表示電極136和138以說明其相對(duì)于可動(dòng)元件142的幾何居中的旋轉(zhuǎn)軸144的位置。此外，在圖8的頂視圖中由虛線表示可動(dòng)元件142以說明其相對(duì)于電極136和138的位置。
電容式傳感器134包括電容式加速計(jì)60的幾個(gè)特征，諸如包括以配置104安排的孔102和以配置108安排的孔106的可動(dòng)元件142，和鉸鏈元件68。此夕卜，電極136包括以配置108安排的孔126，并且孔138包括以配置106安排的孔128。還相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸144對(duì)稱地安排電極136和138。在上文中結(jié)合圖3-5討論了這些特征，為了簡(jiǎn)便這里不再對(duì)其描述和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)述。 傳感器134的可動(dòng)元件142包括部件146和部件148，其限定由旋轉(zhuǎn)軸144描述的元件142的相對(duì)兩半。在孔102的配置104的附近，將材料150設(shè)置在可動(dòng)元件142的部件146上。材料150可以是例如設(shè)置于可動(dòng)元件142的部件146上的金屬或其他材料?？梢愿鶕?jù)每種已知工藝來沉積和圖案化材料150。材料150用于進(jìn)一步增加可動(dòng)元件142的部件146相對(duì)于部件148的質(zhì)量，以致在部件146和148之間產(chǎn)生更大的不平衡。所以，可以增加傳感器134的靈敏度而不改變扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)或不增大傳感器尺寸。
通常，可動(dòng)元件142的部件146可以被表征為具有鄰近旋轉(zhuǎn)軸144放置的近側(cè)區(qū)域152和鄰近可動(dòng)元件142的端部156放置的遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域154。同樣的，部件148可以被表征為具有鄰近旋轉(zhuǎn)軸144放置的近側(cè)區(qū)域158和鄰近端部162放置的遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域160?？蓜?dòng)元件142包括延伸貫通部件146的近側(cè)區(qū)域152的孔164，和延伸貫通部件148的近側(cè)區(qū)域158的孔166。以定義孔164和166的數(shù)量和尺寸的公共配置168來安排孔162和164的每個(gè)。孔164和166也對(duì)稱地位于旋轉(zhuǎn)軸144的相對(duì)側(cè)。由于其公共配置168以及相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸144的對(duì)稱的位置，孔164和166不用于在部件146和148之間產(chǎn)生質(zhì)量不平衡。更確切地，孔164和166促進(jìn)可動(dòng)元件142和靠近旋轉(zhuǎn)軸144的下面的結(jié)構(gòu)之間的蝕刻釋放。 在圖7-8的實(shí)施例中，電極136面向可動(dòng)元件142的部件146，且電極138面向可動(dòng)元件142的部件148。電極136和138的每個(gè)具有制作得盡可能大的外周界170。例如，電極136和138的每個(gè)的周界170大約等于其相應(yīng)上面的部件146和148的外周界172。電極136和138的每個(gè)提供結(jié)合的功能。S卩，電極136和138的每個(gè)同時(shí)提供感測(cè)功能和激勵(lì)功能。在示例性情形中，當(dāng)將激勵(lì)或反饋信號(hào)疊加到感測(cè)信號(hào)上時(shí)，電極元件136和138的單個(gè)集同時(shí)起感測(cè)和激勵(lì)或反饋電極的作用，同時(shí)有效地利用可動(dòng)元件66的表面區(qū)域的整體。該電極配置有效地改善感測(cè)和激勵(lì)能力。 圖9示出差動(dòng)加速計(jì)60可以安裝于其中的設(shè)備174。雖然示出的是將差動(dòng)加速計(jì)60安裝于其中的設(shè)備174，但設(shè)備174的另一實(shí)施例可以具有安裝在其中的差動(dòng)加速計(jì)134(圖7)。設(shè)備174可以是許多設(shè)備中的任一種，諸如內(nèi)部引導(dǎo)系統(tǒng)、車輛的安全氣囊展開系統(tǒng)、各種設(shè)備的保護(hù)系統(tǒng)，以及許多其他的科學(xué)和工程學(xué)系統(tǒng)。設(shè)備174包括差動(dòng)加速計(jì)60被合并于其中的加速計(jì)封裝176。在該示例性情形中，加速計(jì)封裝176與電路178通信，該電路178可以包括例如處理器、硬盤驅(qū)動(dòng)，以及通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的常規(guī)總線結(jié)構(gòu)互聯(lián)的其他組件。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，設(shè)備174可以包括為簡(jiǎn)便起見在此處未討論的很多其他組件。而且，設(shè)備174不需要具有在此處描述的結(jié)構(gòu)。
通常，電路178監(jiān)視來自加速計(jì)封裝176的信號(hào)。這些信號(hào)包括沿Z軸的加速度。加速計(jì)封裝176的差動(dòng)加速計(jì)60感測(cè)Z軸加速度(Az) 180。依據(jù)本發(fā)明，由來自結(jié)合圖4所討論的電容器110和112的電容產(chǎn)生Z軸加速度180。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，在輸出到電路178之前，來自差動(dòng)加速計(jì)50的電容信號(hào)被傳送到輸入/輸出電路芯片182的感測(cè)電路通信，用于適當(dāng)?shù)奶幚怼?加速計(jì)封裝176進(jìn)一步包括與電路178通信的激勵(lì)電壓輸入端口 184，用于施加數(shù)字輸入電壓信號(hào)186。電壓信號(hào)186發(fā)信號(hào)到I/O電路芯片182的激勵(lì)電路188以在激勵(lì)電極78和/或80上提供激勵(lì)電壓(V+和V-) 190。電路178可以另外與設(shè)備174的外部端口 (未示出)通信，使得外部輸入信號(hào)可以被傳送至電路178。電路178上的處理器軟件或硬件隨后產(chǎn)生電壓信號(hào)186，其被傳遞至輸入端口 184。 這里所描述的實(shí)施例由包括被制造為對(duì)稱蹺蹺板結(jié)構(gòu)的差動(dòng)電容式傳感器的設(shè)備組成。另一實(shí)施例包括制造本發(fā)明的微機(jī)電系統(tǒng)對(duì)稱差動(dòng)電容式傳感器的方法。止動(dòng)器從可動(dòng)元件伸出，與蹺蹺板檢測(cè)質(zhì)量的幾何居中的旋轉(zhuǎn)軸距離相等，使得可動(dòng)元件止動(dòng)器在正負(fù)方向上均在相同的加速度幅值止動(dòng)。因此，消除了由不對(duì)稱削波引起的非零時(shí)間平均輸出值。此外，在該可動(dòng)檢測(cè)質(zhì)量的每個(gè)遠(yuǎn)側(cè)的部分設(shè)置多個(gè)孔。旋轉(zhuǎn)軸一側(cè)上的孔與旋轉(zhuǎn)軸另一側(cè)上的孔具有不同的尺寸和/或數(shù)量，從而在檢測(cè)質(zhì)量的相對(duì)的兩半之間產(chǎn)生質(zhì)量不平衡。而且，在旋轉(zhuǎn)軸的任一側(cè)上的孔被放置為遠(yuǎn)離可動(dòng)元件的旋轉(zhuǎn)軸以產(chǎn)生可動(dòng)元件的大的力臂。這使得該可動(dòng)檢測(cè)質(zhì)量元件響應(yīng)于Z軸的加速度而旋轉(zhuǎn)。諸如金屬的附
11加材料可以被設(shè)置在可動(dòng)檢測(cè)質(zhì)量的重的一邊以進(jìn)一步增加其質(zhì)量。該檢測(cè)質(zhì)量中的孔還在傳感器制造期間促進(jìn)犧牲氧化物蝕刻，并且當(dāng)該可動(dòng)檢測(cè)質(zhì)量樞轉(zhuǎn)時(shí)，孔有效地減少空氣阻尼。在遠(yuǎn)離蹺蹺板式檢測(cè)質(zhì)量結(jié)構(gòu)的幾何居中的旋轉(zhuǎn)軸的相等距離處放置激勵(lì)電極，使得可以靠近旋轉(zhuǎn)軸集群相對(duì)大的傳感器電極。在可動(dòng)質(zhì)量的孔下方的電極被形成為包括對(duì)應(yīng)的"鏡像"孔，使得該激勵(lì)電極和可動(dòng)檢測(cè)質(zhì)量之間的電容可以在重和輕的端部之間相匹配以提供相同的激勵(lì)能力。感測(cè)電極和激勵(lì)電極的配置允許可動(dòng)元件的表面區(qū)域的整體得到有效利用，以提供改進(jìn)的感測(cè)和激勵(lì)能力。 雖然已經(jīng)詳細(xì)說明和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但在不脫離本發(fā)明的精神或所附的權(quán)利要求的范圍的情況下，可以做出各種修改，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是很顯然的。例如，在不需要激勵(lì)的應(yīng)用中，該激勵(lì)電極可以用作感測(cè)電極。在此情況下，可以對(duì)應(yīng)地增加電容輸出量。
1權(quán)利要求
一種設(shè)備，包括微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器，所述傳感器包括基底；附連于所述基底的可動(dòng)感測(cè)元件，所述元件適合相對(duì)于在所述可動(dòng)感測(cè)元件的第一和第二端部之間基本上幾何居中的旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)以形成在所述旋轉(zhuǎn)軸和所述第一端部之間的第一部件以及在所述旋轉(zhuǎn)軸和所述第二端部之間的第二部件，所述第一部件包括延伸貫通所述可動(dòng)元件的第一孔以產(chǎn)生具有第一質(zhì)量的所述第一部件，所述第二部件包括延伸貫通所述可動(dòng)元件的第二孔以產(chǎn)生具有少于所述第一質(zhì)量的第二質(zhì)量的所述第二部件；以及放置于所述基底上、面向所述可動(dòng)元件的所述第一和第二部件的至少一個(gè)電極。
2. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中從所述旋轉(zhuǎn)軸朝向所述第一端部設(shè)置所述第一孔；并且 從所述旋轉(zhuǎn)軸朝向所述第二端部設(shè)置所述第二孔。
3. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中以第一配置將所述第一孔安排在所述第一部件中；并且以第二配置將所述第二孔安排在所述第二部件中，所述第二配置不同于所述第一配 置，并且所述第一和第二配置的每個(gè)描述所述第一孔和所述第二孔中的相應(yīng)孔的尺寸和數(shù)
4. 如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中所述至少一個(gè)電極包括面向所述第一部件的第一電極，所述第一電極具有以所述第二配置安排并且與所述第 一孔相對(duì)的第三孔；以及面向所述第二遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域的第二電極，所述第二電極具有以所述第一配置安排并且與所 述第二孔相對(duì)的第四孔。
5. 如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括延伸貫通所述第一部件的第三孔，所述第三孔以第三配置安排；以及 延伸貫通所述第二部件的第四孔，所述第四孔以所述第三配置安排，并且所述第三和 第四孔相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)軸基本對(duì)稱地置于所述可動(dòng)元件上。
6. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第一部件包括位置鄰近所述旋轉(zhuǎn)軸的第一近側(cè)區(qū)域，和位置鄰近所述第一端部的 第一遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域；所述第二部件包括位置鄰近所述旋轉(zhuǎn)軸的第二近側(cè)區(qū)域，和位置鄰近所述第二端部的 第二遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域；以及所述至少一個(gè)電極包括面向所述第一近側(cè)區(qū)域的第一感測(cè)電極和面向所述第二近側(cè) 區(qū)域的第二感測(cè)電極，所述第一和第二感測(cè)電極被相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)軸基本對(duì)稱地安排。
7. 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中所述至少一個(gè)電極進(jìn)一步包括 面向所述第一遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域的第一激勵(lì)電極；禾口面向所述第二遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域的第二激勵(lì)電極，所述第一和第二激勵(lì)電極被相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn) 軸基本對(duì)稱地安排。
8. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述至少一個(gè)電極包括面向所述第一部件并具有與所述第一部件的部件周界大約相等的周界的第一電極；以及面向所述第二部件并具有與所述第二部件的所述部件周界大約相等的所述周界的第 二電極。
9. 如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述第一電極包括與所述第一部件中的所述第一孔相對(duì)的第三孔；以及 所述第二電極包括與所述第二部件中的所述第二孔相對(duì)的第四孔。
10. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括布置于所述檢測(cè)質(zhì)量的所述第一部件上的 材料，所述材料使所述第一部件的所述第一質(zhì)量相對(duì)于所述第二質(zhì)量增加。
11. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述傳感器進(jìn)一步包括接近所述第一端部從所述可動(dòng)元件的表面延伸的第一止動(dòng)器，所述表面面向所述基 底；以及接近所述第二端部從所述可動(dòng)元件的所述表面延伸的第二止動(dòng)器，距離所述旋轉(zhuǎn)軸基 本上等距離地設(shè)置所述第一和第二止動(dòng)器的每個(gè)。
12. 如權(quán)利要求ll所述的設(shè)備，其中所述基底包括面向所述可動(dòng)感測(cè)元件的第一接觸板，所述第一止動(dòng)器選擇性地與所述第一接觸板接 觸；以及面向所述可動(dòng)感測(cè)元件的第二接觸板，所述第二止動(dòng)器選擇性地與所述第二接觸板接 觸，并且所述第一和第二止動(dòng)器在與所述第一和第二接觸板基本上相同的電位上。
13. —種制造微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器的方法，包括 提供基底；在所述基底上形成靜態(tài)導(dǎo)電層以包括第一電極和第二電極，所述第一電極與所述第二 電極電隔離；在所述第一導(dǎo)電層上形成犧牲層；在所述第一犧牲層上形成可動(dòng)元件，所述可動(dòng)元件適于相對(duì)于在所述可動(dòng)元件的第一 和第二端部之間幾何居中的旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，以形成在所述旋轉(zhuǎn)軸和所述第一端部之間的第一 部件和在所述旋轉(zhuǎn)軸和所述第二端部之間的第二部件；形成延伸貫通所述可動(dòng)元件的所述第一部件的第一孔以產(chǎn)生具有第一質(zhì)量的所述第 一部件；形成延伸貫通所述可動(dòng)元件的所述第二部件的第二孔以產(chǎn)生具有第二質(zhì)量的所述第 二部件，所述第二質(zhì)量小于所述第一質(zhì)量；禾口選擇性地移除所述犧牲層使得所述導(dǎo)電層與所述可動(dòng)元件隔開，且將所述導(dǎo)電層形成 為使得所述第一電極面向所述第一孔且第二電極面向所述第二孔。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)一步包括跨越所述第一部件的第一遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域以第一配置安排所述第一孔，所述第一遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域被 置于鄰近于所述第一端部；以及跨越所述第二部件的第二遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域以第二配置安排所述第二孔，所述第二遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域被 置于鄰近于所述第二端部，所述第二配置不同于所述第一配置，且所述第一和第二配置的 每個(gè)描述所述第一孔和所述第二孔的相應(yīng)孔的尺寸和數(shù)量。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述形成所述第一電極包括將所述第一電極放置為面對(duì)所述第一遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域，并形成以 所述第二配置安排的所述第一電極中的第三孔；以及所述形成所述第二電極包括將所述第二電極放置為面對(duì)所述第二遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域，并形成以 所述第一配置安排的所述第一電極中的第四孔。
16. 如權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)一步包括跨越所述第一部件的第一近側(cè)區(qū)域以第三配置形成第三孔，所述第一近側(cè)區(qū)域被置于 鄰近于所述旋轉(zhuǎn)軸；以及跨越所述第二部件的第二近側(cè)區(qū)域以所述第三配置形成第四孔，所述第二近側(cè)區(qū)域被 置于鄰近于所述旋轉(zhuǎn)軸，并且相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)軸以所述第三配置跨越所述第一和第二近側(cè) 區(qū)域的相應(yīng)近側(cè)區(qū)域基本對(duì)稱地分布所述第三和第四孔。
17. —種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器，包括 基底；附連于所述基底的可動(dòng)感測(cè)元件，所述元件適合相對(duì)于在所述可動(dòng)感測(cè)元件的第一和 第二端部之間基本上幾何居中的旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)以形成在所述旋轉(zhuǎn)軸和所述第一端部之間的 第一部件以及在所述旋轉(zhuǎn)軸和所述第二端部之間的第二部件，所述第一部件包括延伸貫通 所述可動(dòng)元件的第一孔以產(chǎn)生具有第一質(zhì)量的所述第一部件，所述第二部件包括延伸貫通 所述可動(dòng)元件的第二孔以產(chǎn)生具有少于所述第一質(zhì)量的第二質(zhì)量的所述第二部件，以第一 配置將所述第一孔安排在所述第一部件中，以第二配置將所述第二孔安排在所述第二部件 中，所述第二配置不同于所述第一配置，且所述第一和第二配置的每個(gè)描述所述第一孔和所述第二孔的相應(yīng)孔的尺寸和數(shù)量；接近所述第一端部從所述可動(dòng)元件的所述表面延伸的第一止動(dòng)器； 接近所述第二端部從所述可動(dòng)元件的所述表面延伸的第二止動(dòng)器，距離所述旋轉(zhuǎn)軸基本上等距離地設(shè)置所述第一和第二止動(dòng)器的每個(gè)；以及放置于所述基底上、面向所述可動(dòng)元件的所述第一和第二部件的至少一個(gè)電極。
18. 如權(quán)利要求17所述的傳感器，其中所述至少一個(gè)電極包括面向所述第一部件的第一電極，所述第一電極具有以所述第二配置安排并且與所述第 一孔相對(duì)的第三孔；禾口面向所述第二遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域的第二電極，所述第二電極具有以所述第一配置安排并且與所 述第二孔相對(duì)的第四孔。
19. 如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中所述第一部件包括位置鄰近所述旋轉(zhuǎn)軸的第一近側(cè)區(qū)域和位置鄰近所述第一端部的 第一遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域；所述第二部件包括位置鄰近所述旋轉(zhuǎn)軸的第二近側(cè)區(qū)域和位置鄰近所述第二端部的 第二遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域；面向所述第一近側(cè)區(qū)域的第一感測(cè)電極；面向所述第二近側(cè)區(qū)域的第二感測(cè)電極，所述第一和第二感測(cè)電極相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)軸 基本對(duì)稱地安排；面向所述第一遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域的第一激勵(lì)電極；以及面向所述第二遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域的第二激勵(lì)電極，所述第一和第二激勵(lì)電極相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)軸基本對(duì)稱地安排。
20.如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中所述至少一個(gè)電極包括面向所述第一部件并具有與所述第一部件的部件周界大約相等的周界的第一電極，所 述第一電極包括與所述第一部件中的所述第一孔相對(duì)的第三孔；以及面向所述第二部件并具有與所述第二部件的所述部件周界大約相等的所述周界的第 二電極，所述第二電極包括與所述第二部件中的所述第二孔相對(duì)的第四孔。
全文摘要
一種對(duì)稱差動(dòng)電容式傳感器(60)，包括圍繞幾何居中的旋轉(zhuǎn)軸(70)可樞轉(zhuǎn)的可動(dòng)元件(66)。元件(66)包括部件(86，88)。部件(86，88)的每個(gè)具有與旋轉(zhuǎn)軸(70)距離相等的止動(dòng)器(94，96)。部件(86，88)的每個(gè)也具有孔(102，106)的不同配置(104，108)?？?102，106)的配置(104，108)造成部件(86，88)之間的質(zhì)量不平衡，使得元件(66)響應(yīng)于加速度圍繞旋轉(zhuǎn)軸(70)樞轉(zhuǎn)?？?102，106)也可在制造期間促進(jìn)蝕刻釋放，并在元件(66)旋轉(zhuǎn)時(shí)減少空氣阻尼?？?126，128)形成于位于孔(102，106)之下的電極(78，80)中，來匹配可動(dòng)元件(86)的兩部件(86，88)之間的電容，以提供相同的雙向激勵(lì)能力。
文檔編號(hào)G01P15/125GK101772705SQ200880101859
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2008年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月3日
發(fā)明者安德魯·C·麥克耐爾, 林一貞, 馬爾科·富爾曼 申請(qǐng)人:飛思卡爾半導(dǎo)體公司