專利名稱：具有補償封裝應力的應力消除的電容傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及微型機電系統(tǒng)(MEMQ傳感器。更具體而言，本發(fā)明涉及MEMS 差動電容式加速度計。
背景技術：
加速度計是通常被用于測量加速力的傳感器。這些力可以是靜態(tài)的，類似于重力 的恒力，或者其可以是動態(tài)的，由移動或振動加速度計引起。加速度計可以沿著一個、兩個、 或三個軸或方向感測加速度或其它現象。根據此信息，可以確定其中安裝有加速度計的設 備的移動或取向。加速度計被用于慣性制導系統(tǒng)中、車輛中的安全氣袋展開系統(tǒng)中、用于多 種設備的保護系統(tǒng)中、以及許多其它科學和工程系統(tǒng)中由于其相對低的成本，電容傳感MEMS加速度計設計對于在高重力環(huán)境中和小型 化設備中的操作而言是非常期望的。電容式加速度計感測電容相對于加速度而言的變化， 以改變加電電路的輸出。加速度計的一常用形式是具有“蹺蹺板”或“秋千”配置的電容式 換能器。這種一般使用的換能器類型使用在基底上的ζ軸加速度下旋轉的活動元件或板。 加速度計結構可以測量至少兩個不同的電容以確定差動或相對電容。參照圖1和2，圖1示出被構造為常規(guī)鉸鏈連接或“蹺蹺板”式加速度計的現有技 術電容傳感MEMS傳感器20的頂視圖，并且圖2示出MEMS傳感器20的側視圖。MEMS傳感 器20包括靜態(tài)基底22和與基底22間隔開的活動元件M，每個具有相對的平面?；?2 具有沉積在基底表面觀上以形成電容器電極或“板”的預定配置的許多導電電極元件26。 在示例性方案中，電極元件沈可以作為激勵或感測電極進行操作以接收刺激信號。當反饋 信號被疊加在感測信號上時，電極元件26另外可以作為反饋電極操作。一般稱為“檢驗質量”的活動元件M被一個或多個懸吊錨定裝置或旋轉屈曲30靈 活地懸吊在基底22之上，用于使得活動元件M能夠繞旋轉軸32進行樞轉或旋轉而與電極 元件沈形成電容器34和36，標記為Cl和C2?；顒釉﨧響應于加速度而移動，因此改 變其相對于靜態(tài)感測電極元件26的位置。此位置變化得到一組電容器，其差、即差動電容 指示沿方向37的加速度。當意圖用于作為蹺蹺板式加速度計的操作時，在旋轉軸32的一側的活動元件M 的區(qū)段(section) 38形成有比在旋轉軸32的另一側的活動元件M的區(qū)段40相對較大的 質量。通常通過使旋轉軸32偏移來產生部分38的較大質量。也就是說，旋轉軸32與區(qū)段 38的末端44之間的長度42大于旋轉軸32與區(qū)段40的末端48之間的長度46。另外，電 極元件沈被相對于活動元件M的縱軸50和旋轉軸32確定尺寸并對稱地間隔開。許多MEMS傳感器應用要求較小的尺寸和低成本封裝以滿足迫切的成本目標。另 外，MEMS傳感器應用要求較低的溫度偏移系數(TCO)規(guī)范。術語“偏移”指的是與其在MEMS 傳感器的非受激狀態(tài)下的公稱值的輸出偏差。因此，TCO是熱應力影響半導體器件(諸如 MEMS傳感器)的性能到什么程度的度量。高TCO指示相應的高熱致應力，或者說對此類應 力非常敏感的MEMS器件。MEMS傳感器應用的封裝常常使用具有不同熱膨脹系數的材料。因此，在制造或操作期間常常產生不期望的高TC0。這些熱應力、以及由于潮濕和組裝過程 而引起的應力可能導致底層基底22的變形，在本文中稱為封裝應力。參照圖3 4，圖3示出沿著圖1的剖面線3-3的MEMS傳感器2_的橫截面邊視 圖，并且圖4示出沿著圖1中的剖面線4-4的MEMS傳感器20的橫截面邊視圖。圖1所示 的蹺蹺板配置所特有的問題是當MEMS傳感器20的蹺蹺板配置經受由于封裝應力而來自基 底22的彎矩時，該應力促使區(qū)段40 (即較輕區(qū)段)比區(qū)段38 (即較重區(qū)段)更多地變形， 導致偏移變化。如圖3和4所示，封裝應力可以導致明顯比活動元件M的區(qū)段38的變形 大的活動元件M的區(qū)段40的變形。由于封裝應力而引起的此非對稱彎曲可能導致感測電 容34和36之間的不期望的高偏移差(即，不良TCO性能)，由此不利地影響電容式加速度 計20輸出。因此，所需要的是低成本、緊湊、單模(single die)的蹺蹺板式MEMS傳感器，其可 以沿著一個或多個軸進行感測且對于熱致封裝應力梯度不那么敏感。


當結合附圖考慮時，通過參照詳細說明書和權利要求書可以得到對本發(fā)明的更透 徹理解，在附圖中，相同的附圖標記自始至終指示類似的項目，并且圖1示出現有技術電容傳感微型機電系統(tǒng)(MEMS)傳感器；圖2示出圖1的MEMS傳感器的側視圖；圖3示出沿著圖1中的剖面線3-3的MEMS傳感器的橫截面邊視圖；圖4示出沿著圖1中的剖面線4-4的MEMS傳感器的橫截面邊視圖；圖5示出依照本本發(fā)明的實施例的微型機電系統(tǒng)(MEMS)傳感器的頂視圖；圖6示出沿著圖5中的剖面線6-6的MEMS傳感器的橫截面邊視圖；圖7示出沿著圖5中的剖面線7-7的MEMS傳感器的橫截面邊視圖；以及圖8示出可以在其中安裝MEMS傳感器的設備。
具體實施例方式圖5示出依照本發(fā)明的實施例的微型機電系統(tǒng)(MEMS)傳感器52的頂視圖。傳感 器52可以是例如電容傳感加速度計或另外的MEMS傳感器件。MEMS傳感器52被構造為鉸 鏈連接或“蹺蹺板”式加速度計。MEMS傳感器52包括基底M和與基底M間隔開的活動元 件56，每個具有相對的平面。靜態(tài)導電層58被沉積在基底M的表面60上。靜態(tài)導電層 58采取至少兩個電隔離電極或板的形式，包括例如電極元件62和電極元件64 (其中兩者 都以幻影形式示出)。電極元件62和64可以作為激勵或傳感電極進行操作以接收刺激信 號。當反饋信號被疊加在傳感信號上時，電極元件62和64可以另外作為反饋電極操作?；顒釉?6被懸吊在基底M之上并通過一對懸吊錨定裝置66或旋轉屈曲 (rotational figures)樞軸地耦合到基底54，以便使得活動元件56能夠繞旋轉軸68進 行樞轉或旋轉而與各自電極元件62和64在活動元件56之間形成電容器(參見例如圖2)。 為了圖示的簡化起見，在圖5中僅示出兩個電極元件62和64。然而，在替換實施例中，MEMS 傳感器52可以包括不同數量和/或不同構型的電極元件。另外，應理解的是可以利用許多 屈曲、鉸鏈、及其它旋轉機制來使得活動元件56能夠繞旋轉軸68進行樞軸運動。
活動元件56表現出與旋轉軸68正交的對稱軸70。對稱軸是幾何圖形中的線，其 將圖劃分成兩個部分，使得一個部分在沿著對稱軸折疊時與另一部分重疊。因此，MEMS傳 感器52在對稱軸70的任一側表現出其部件的等效尺寸和放置。在一個實施例中，每個懸 吊錨定裝置66在對稱軸70的相對側偏移相等距離72。在旋轉軸68的一側的活動元件56的區(qū)段74形成有比在旋轉軸68的另一側的活 動元件56的區(qū)段76相對較大的質量。通過使旋轉軸68偏移來產生區(qū)段74的較大質量。 也就是說，旋轉軸68與區(qū)段74的末端80之間的長度78大于旋轉軸68與區(qū)段76的末端 84之間的長度82。電極元件62面向活動元件56的區(qū)段74且電極元件64面向活動元件 56的區(qū)段76。另外，電極元件62和64被相對于活動元件56的縱向對稱軸70和旋轉軸68 確定尺寸并對稱地間隔開。也就是說，電極元件62和64中的每一個在旋轉軸68的相對側 偏移相等的距離86，并且電極元件62和64中的每一個在對稱軸70的任一側延伸相等的距1 O活動元件56響應于沿方向37(圖幻的加速度而移動，因此改變其相對于靜態(tài)電 極元件62和64的位置。因此，電極元件62和64適合于檢測沿著與電極元件62和64的 平面垂直的軸的活動元件的移動。此位置變化產生一組電容器，其差、即差動電容指示沿方 向37的加速度。本文所使用的術語“靜態(tài)”指的是相對于活動元件56固定的導電層58及 電極元件62和64。也就是說，雖然活動元件56可以繞旋轉軸68在懸吊錨定裝置66上旋 轉或樞轉，但導電層58(包括電極元件62和64)不相對于活動元件56進行樞轉、旋轉、或 移動。圖1示出MEMS傳感器52的一種可能配置。然而，應理解的是MEMS傳感器52可以 采取許多兩層和/或三層的形式。區(qū)段74包括延伸通過活動元件56的槽縫(slot) 88。在實施例中，每個槽縫88從 區(qū)段74的末端80朝著旋轉軸68延伸。每個槽縫88表現成稱為長度90的維度和稱為寬 度92的另一維度。另外，槽縫88均勻地分布在縱向對稱軸70的相對側。也就是說，在對 稱軸70的任一側布置有相等數量的槽縫88，它們也與對稱軸70偏離相等距離。雖然本文 舉例說明的MEMS傳感器52的實施例包括在對稱軸70的相對側形成的偶數數量的槽縫88， 在另一實施例中，MEMS傳感器52可以包括奇數的槽縫88。在此類配置中，槽縫88中的一 個將因此以對稱軸70為中心。另外，雖然在本文中舉例說明大體上為矩形的槽縫88，但可 以替代地利用其它形狀，諸如鋸齒或三角形形狀。槽縫88的功能是減小由封裝應力引起的區(qū)段74的慣性彎矩。結果，區(qū)段74和區(qū) 段76之間的慣性彎矩更加密切地匹配。參照圖6和7，圖6示出沿著圖5中的剖面線6-6 的MEMS傳感器52的橫截面邊視圖，并且圖7示出沿著圖5中的剖面線7_7的MEMS傳感器 52的橫截面邊視圖。如圖6和7所示，由于“重末端”(即區(qū)段74)中的槽縫88的存在，封 裝應力導致活動元件56的區(qū)段74的變形，其近似等效于在旋轉軸68的相對側的活動元件 56的區(qū)段76的變形。由封裝應力引起的活動元件56的此大體上對稱的彎曲導致明顯比在 諸如MEMS傳感器20 (圖1)的現有技術MEMS傳感器中看到的偏移差小的偏移差。因此，可 相應地改善TCO性能，得到MEMS傳感器52的更準確的加速度輸出。制造MEMS傳感器82的方法可以要求提供基底54。依照常規(guī)和即將出現的MEMS傳 感器制造過程，基底討可以是包含硅的半導體晶片，但是可以利用任何機械支撐基底。可 以在基底M的表面60上形成絕緣層(未示出)。該絕緣層可以是二氧化硅、氮化硅等等?？梢怨残蔚匦纬稍摻^緣層并隨后進行圖案化和蝕刻。其用于使靜態(tài)導電層58與基底M絕 緣。然而，應理解的是如果基底M是不導電的，則可以不利用絕緣層。靜態(tài)導電層58可以包括多晶硅，但是可以采用其它導電材料?？梢酝ㄟ^諸如沉積 和濺射的已知方法來形成靜態(tài)導電層58?？梢詫㈧o態(tài)導電層58沉積在基底M的表面60 上作為鋪蓋層(blanket layer)并隨后進行圖案化和蝕刻以形成電極元件62和64?？梢?可選地將保護層(未示出)設置在靜態(tài)導電層58上并根據需要進行圖案化和蝕刻以在未 來的處理步驟期間保護基底M以及防止靜態(tài)導電層58與活動元件56之間的短路和/或 焊接?？梢栽诮泩D案化和蝕刻的靜態(tài)導電層58上形成犧牲層(未示出)。類似于先前的 層，也可以共形地形成犧牲層并隨后根據需要進行圖案化和蝕刻。如本領域的技術人員公 知的，該犧牲層可以由磷硅酸鹽玻璃形成且可以通過化學汽相沉積來沉積。應理解的是可 以采用其它犧牲層代替磷硅酸鹽玻璃。下一個導電層、即活動元件56可以包括多晶硅并形成為定位在靜態(tài)導電層58上 的蹺蹺板結構?；顒釉?6通過懸吊錨定裝置66機械地耦合到基底M?？梢酝ㄟ^諸如沉 積和濺射的已知方法來形成活動元件56。同樣地，可以將活動元件56沉積在犧牲層上作為 鋪蓋層，然后可以將其圖案化和蝕刻以形成從活動元件56的末端80朝著旋轉軸68延伸的 具有長度90和寬度92的槽縫88。在形成上述結構之后，依照常規(guī)程序去除犧牲層。例如，可以采用能夠在沒有略微 損壞靜態(tài)導電層58的多晶硅、活動元件56、和懸吊錨定裝置66的情況下去除磷硅酸鹽玻璃 犧牲層的選擇性蝕刻劑。在蝕刻之后，從底層基底M釋放活動元件56和懸吊錨定裝置66 的旋轉部分。在區(qū)段74中形成槽縫88之前，區(qū)段74表現出比在形成槽縫88之后的區(qū)段74的 質量大的質量。區(qū)段74的質量由于槽縫88處的材料損失而在形成槽縫88之后減小。然 而，在本發(fā)明的實施例中，槽縫是足夠小的，使得材料損失導致區(qū)段74的質量減少而比形 成槽縫88之前的區(qū)段74的質量小約百分之二至百分之五。由于槽縫88的形成僅略微減 小區(qū)段74的質量，所以存在對MEMS傳感器52的靈敏度的可忽略的改變。例如，在一個實 施例中，每個槽縫88的寬度92可以約為一又二分之一微米，具有五十二微米的節(jié)距，這僅 使MEMS傳感器的靈敏度降低約百分之三。圖8示出了可以在其中結合MEMS傳感器52的設備94。設備94可以是許多設備 中的任何一種，諸如車輛動態(tài)控制系統(tǒng)、慣性制導系統(tǒng)、車輛中的安全氣袋展開系統(tǒng)、用于 多種設備的保護系統(tǒng)、以及許多其它科學和工程系統(tǒng)。MEMS傳感器52可以是能夠感測沿著 與電極元件62和64(圖幻的平面垂直的軸的加速度的單軸加速度計。設備94可以包括可以在其中結合MEMS傳感器52的加速度計封裝96。在這種示 例性情況下，加速度計封裝96與電路98通信，電路98可以包括例如處理器、硬盤驅動器、 和經由本領域的技術人員所公知的常規(guī)總線結構互連的其它部件。本領域的技術人員應認 識到設備94可以包括為簡便起見在本文中未討論的許多其它部件。此外，設備94不具有 本文所指定的結構。在本示例中，電路98監(jiān)視來自加速度計封裝96的信號。這些信號可 以包括沿方向37的加速度(圖幻。加速度信號100被從MEMS傳感器52輸出并在輸出到 電路98之前被傳送至輸入/輸出電路芯片102的感測電路以進行適當的處理，如本領域的7技術人員所公知的。加速度信號100具有取決于加速度的參數幅值(例如電壓、電流、頻率 等)。然而，槽縫88(圖幻的包括大大地減少旋轉軸(圖幻的相對側的活動元件56的任 何非對稱彎曲，以便加速度信號100更準確地反映沿方向37的加速度(圖2)。本文所述的實施例包括包含差動電容式MEMS傳感器的設備。另一實施例包括制 造本發(fā)明的微型機電系統(tǒng)傳感器的方法。該傳感器可以是被制造為蹺蹺板式結構(即活動 元件)的差動加速度計。在遠離活動元件的旋轉軸并朝著該旋轉軸延伸的活動元件的較重 末端中形成槽縫。由于活動元件的“重末端”中的槽縫的存在，封裝應力導致在旋轉軸的任 一側的活動元件的更對稱變形?；顒釉拇藢ΨQ彎曲導致明顯比在現有技術MEMS傳感 器中看到的顯著小的偏移差。因此，大大地減小了封裝應力的效果，得到MEMS傳感器的相 應地改善的TCO性能和更準確的加速度輸出。雖然已舉例說明并詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但對于本領域的技術人員來 說很容易顯而易見的是在不脫離本發(fā)明的精神或所附權利要求的范圍的情況下可以對其 進行各種修改。
權利要求
1.一種設備，包括微型機電系統(tǒng)(MEMQ傳感器，所述傳感器包括活動元件，所述活動元件適合于相對于在其第一末端和第二末端之間偏移的旋轉軸運 動而形成所述旋轉軸與所述第一末端之間的第一區(qū)段和所述旋轉軸與所述第二末端之間 的第二區(qū)段，所述第一區(qū)段表現出在所述旋轉軸與所述第一末端之間的第一長度，該第一 長度大于所述旋轉軸與所述第二末端之間的第二長度，所述第一區(qū)段包括延伸通過所述活 動元件的槽縫；以及與所述活動元件間隔開的靜態(tài)導電層，所述靜態(tài)導電層包括第一電極元件和第二電極 元件，所述第一電極元件面對所述第一區(qū)段且所述第二電極元件面對所述活動元件的所述第二區(qū)段。
2.如權利要求1所述的設備，其中，所述槽縫中的每一個從所述第一區(qū)段的所述第一 末端朝著所述旋轉軸延伸。
3.如權利要求1所述的設備，其中，所述槽縫中的每一個表現出第一維度和第二維度， 所述第一維度大于所述第二維度，并且所述第一維度與所述第一長度對準。
4.如權利要求1所述的設備，其中，所述活動元件表現出與所述旋轉軸正交的對稱軸， 并且所述槽縫均勻地分布在所述對稱軸的相對側上。
5.如權利要求1所述的設備，其中，所述第一區(qū)段在所述槽縫形成于所述第一區(qū)段中 之前表現出第一質量，所述第一區(qū)段在所述槽縫形成于所述第一區(qū)段中之后表現出第二質 量，所述第二質量在比所述第一質量小百分之二至百分之五的范圍。
6.如權利要求1所述的設備，其中，所述MEMS傳感器還包括基底；以及在所述基底的表面上形成的一對懸吊錨定裝置，所述懸吊錨定裝置在所述旋轉軸處樞 軸地將所述活動元件耦合到所述基底。
7.如權利要求6所述的設備，其中，所述活動元件表現出與所述旋轉軸正交的對稱軸， 并且所述一對懸吊錨定裝置中的每一個在所述對稱軸的相對側上偏移相等距離。
8.如權利要求1所述的設備，其中，所述第一電極元件和第二電極元件被相對于所述 旋轉軸對稱地布置。
9.如權利要求1所述的設備，其中，所述第一電極元件和第二電極元件與所述活動元 件的所述第一區(qū)段和第二區(qū)段形成相應的第一電容器和第二電容器。
10.如權利要求1所述的設備，其中，所述第一電極元件和第二電極元件適合于檢測所 述活動元件沿著與所述電極的平面垂直的軸的移動。
11.一種制造微型機電系統(tǒng)(MEMQ傳感器的方法，包括提供基底；在所述基底上形成靜態(tài)導電層以包括第一電極元件和第二電極元件；在所述靜態(tài)導電層上形成犧牲層；在所述犧牲層上形成活動元件，該活動元件適合于相對于其第一末端和第二末端之間 偏移的旋轉軸運動而形成所述旋轉軸與所述第一末端之間的第一區(qū)段和所述旋轉軸與所 述第二末端之間的第二區(qū)段，所述第一區(qū)段表現出在所述旋轉軸與所述第一末端之間的第 一長度，所述第一長度大于所述旋轉軸與所述第二末端之間的第二長度，其中，形成所述活動元件包括在所述第一區(qū)段中形成延伸通過所述活動元件的槽縫；以及選擇性地去除所述犧牲層，使得所述導電層與所述活動元件間隔開，所述導電層被形 成為使得所述第一電極元件面對所述第一區(qū)段且所述第二電極元件面對所述活動元件的 所述第二區(qū)段。
12.如權利要求11所述的方法，還包括在所述第一區(qū)段的所述第一末端處且朝著所述 旋轉軸延伸而形成所述槽縫中的每一個。
13.如權利要求11所述的方法，還包括將所述槽縫中的每一個形成為包括第一維度和 第二維度，所述第一維度大于所述第二維度，并且所述第一維度與所述第一長度對準。
14.如權利要求11所述的方法，其中，形成所述活動元件包括形成所述活動元件使得 所述活動元件具有與所述旋轉軸正交的對稱軸，并且所述槽縫均勻地分布在所述對稱軸的 相對側上。
15.如權利要求11所述的方法，還包括在沿著所述旋轉軸放置的一對懸吊元件上樞軸 地支撐所述活動元件。
16.如權利要求15所述的方法，其中，形成所述活動元件包括形成所述活動元件使得 所述活動元件具有與所述旋轉軸正交的對稱軸，并且所述一對懸吊錨定裝置中的每一個在 所述對稱軸的相對側上偏移相等距離。
17.一種微型機電系統(tǒng)(MEMQ傳感器，包括基底；活動元件，所述活動元件適合于相對于在其第一末端和第二末端之間偏移的旋轉軸 運動而形成所述旋轉軸與所述第一末端之間的第一區(qū)段和所述旋轉軸與所述第二末端之 間的第二區(qū)段，所述第一區(qū)段表現出在所述旋轉軸與所述第一末端之間的第一長度，該第 一長度大于所述旋轉軸與所述第二末端之間的第二長度，所述第一區(qū)段包括延伸通過所述 活動元件的槽縫，所述槽縫中的每一個從所述第一區(qū)段的所述第一末端朝著所述旋轉軸延 伸；在所述基底的表面上形成的至少一個懸吊錨定裝置，所述至少一個懸吊錨定裝置在所 述旋轉軸處樞軸地將所述活動元件耦合到所述基底；以及與所述活動元件間隔開的靜態(tài)導電層，所述靜態(tài)導電層包括第一電極元件和第二電極 元件，所述第一電極元件面對所述第一區(qū)段且所述第二電極元件面對所述活動元件的所述第二區(qū)段。
18.如權利要求17所述的MEMS傳感器，其中，所述槽縫中的每一個表現出第一維度和 第二維度，所述第一維度大于所述第二維度，并且所述第一維度與所述第一長度對準。
19.如權利要求17所述的MEM傳感器，其中，所述活動元件表現出與所述旋轉軸正交的 對稱軸，并且所述槽縫均勻地分布在所述對稱軸的相對側上。
20.如權利要求17所述的MEM傳感器，其中，所述活動元件表現出與所述旋轉軸正交的 對稱軸，所述至少一個懸吊錨定裝置包括一對懸吊錨定裝置，并且所述一對懸吊錨定裝置 中的每一個在所述對稱軸的相對側上偏移相等距離。
全文摘要
一種微型機電系統(tǒng)(MEMS)電容式傳感器(52)包括可繞其末端(80、84)之間的旋轉軸(68)偏移進行樞轉的活動元件(56)。靜態(tài)導電層(58)與活動元件(56)間隔開并包括電極元件(62、64)。活動元件(56)包括表現出長度(78)的旋轉軸(68)與一個末端(80)之間的區(qū)段(74)。活動元件(56)還包括表現出比區(qū)段(74)的長度(78)小的長度(82)的旋轉軸(68)與另一末端(84)之間的區(qū)段(76)。區(qū)段(74)包括通過活動元件(56)從末端(80)朝著旋轉軸(68)延伸的槽縫(88)。槽縫(88)提供補償封裝應力以改善傳感器性能的區(qū)段(74)中的應力消除。
文檔編號G01L1/14GK102046514SQ200980119818
公開日2011年5月4日 申請日期2009年3月11日 優(yōu)先權日2008年5月29日
發(fā)明者A·C·邁克奈爾, 林毅楨 申請人:飛思卡爾半導體公司