專利名稱：使用多層能移動梳狀物的mems傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用多層能移動梳狀物的MEMS傳感器。
背景技術：
振動微機電系統(tǒng)(MEMQ陀螺儀通常由兩個在平面中沿線(驅(qū)動軸)振動的檢驗質(zhì)量塊(proof mass)構成。裝置圍繞垂直于驅(qū)動軸的軸線的旋轉(zhuǎn)使得在均垂直于驅(qū)動軸和旋轉(zhuǎn)軸的方向(感測軸)上產(chǎn)生科里奧利力振動。感測軸振動振幅與旋轉(zhuǎn)速率成比例。 此外，經(jīng)常存在ニ階效應，這導致偏置和比例因子誤差。這些誤差機制中的一個稱為驅(qū)動誘導偏置，其由近驅(qū)動或拾取器(Pickoff)梳狀物中的電彌散場產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，提供了一種微機電系統(tǒng)(MEMQ傳感器。MEMS傳感器包括基板以及具有第一多個梳狀物的至少ー個檢驗質(zhì)量塊，其中檢驗質(zhì)量塊經(jīng)由一個或多個懸掛梁來耦合到基板，使得檢驗質(zhì)量塊和第一多個梳狀物是能移動的。MEMS傳感器還包括具有第二多個梳狀物的至少ー個錨，其中錨耦合到基板以使得錨和第二多個梳狀物相對于基板被固定在適當位置。第一多個梳狀物與第二多個梳狀物交錯。第一多個梳狀物和第二多個梳狀物中的每ー個梳狀物包括彼此之間通過一個或多個非導電層而被電隔離的多個導電層。每個導電層單獨耦合到各自的電勢，使得彌散電場被掩蔽以減少由于彌散電場引起的第一多個梳狀物沿感測軸的運動。


應當明白，圖僅僅用來描述示例性實施例且因而不能理解為限定其范圍，通過使用附圖利用附加特征和細節(jié)來描述示例性實施例，其中圖1是示例性MEMS傳感器的一個實施例的局部頂視圖。圖2是傳統(tǒng)梳狀物的截面圖。圖3是示例性MEMS傳感器中的梳狀物的一個實施例的截面圖。圖4是具有帶有多層能移動梳狀物的MEMS傳感器的系統(tǒng)的ー個實施例的框圖。圖5是描述減小MEMS傳感器中的驅(qū)動誘導偏置的方法的一個實施例的流程圖。根據(jù)常用實踐，各種所描述的特征并不是根據(jù)比例來繪制的，而是畫出以強調(diào)與示例性實施例相關的具體特征。
具體實施例方式
3
在以下的具體描述中，參考形成本具體描述一部分的附圖，且其中借助于說明示出了具體的說明性實施例。但是應當理解，可利用其他實施例且可進行邏輯、機械和電性的改變。而且，不認為附圖和說明書中提出的方法限制其中可以執(zhí)行單個步驟的順序。因此不認為以下的具體描述是限制意義的。圖1是示例性微機電系統(tǒng)(MEMS)傳感器100 (例如MEMS陀螺儀或MEMS加速計) 的一個實施例的局部頂視圖。具體地，為了利于解釋，圖1包括MEMS傳感器100中的ー個檢驗質(zhì)量塊102的頂視圖。然而，可以理解的是MEMS傳感器100可以包括多于ー個檢驗質(zhì)量塊。由允許檢驗質(zhì)量塊102振動的多個懸掛梁110來懸掛檢驗質(zhì)量塊102。檢驗質(zhì)量塊 102也包括多個能移動梳狀物或延長部104-1. · · 104-N。能移動梳狀物104-1. · · 104-N與固定的錨106的固定梳狀物108-1. . . 108-M叉合或交錯。當檢驗質(zhì)量塊102振動時，能移動梳狀物104-1. . . 104-N相對于固定梳狀物108-1. . . 108-M的相對位置改變。例如，在工作吋，檢驗質(zhì)量塊102在平面內(nèi)沿圖1所示的驅(qū)動軸振動。傳感器100 圍繞旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)使得沿與驅(qū)動軸和旋轉(zhuǎn)軸二者都垂直的感測軸產(chǎn)生科里奧利力振動。圖 1中，感測軸進入或離開紙面。感測軸振動振幅與旋轉(zhuǎn)速率成比例。通過將電荷設置到能移動梳狀物104-1. . . 104-N且向固定梳狀物108-1. . . 108-M施加隨時間變化電壓，產(chǎn)生能夠沿驅(qū)動軸驅(qū)動檢驗質(zhì)量塊的生成的電場和靜電力。在傳統(tǒng)的MEMS傳感器中，將隨時間變化電壓施加到固定梳狀物產(chǎn)生驅(qū)動誘導力，如圖2中傳統(tǒng)的梳狀物204和208的截面圖所示。驅(qū)動誘導カ是由于能移動梳狀物204-1...204-N上的(如圖2中的場線203所述的)電場不平衡所形成的沿感測軸的力。電場從固定梳狀物208的表面延伸到能移動梳狀物204的表面。場線203表示電場的線或電力的線。如圖2所示，大多數(shù)的場線203是在檢驗質(zhì)量塊的平面(S卩，通過驅(qū)動軸和旋轉(zhuǎn)軸所限定的平面)內(nèi)，但是某些場線203與檢驗質(zhì)量塊的平面垂直。傳統(tǒng)的MEMS陀螺儀通常還包括在能移動梳狀物204-1. . . 204-N上方的帶電板212-1和在能移動梳狀物204-1. . . 204-N下方的帶電板212-2。在傳統(tǒng)的MEMS陀螺儀中，帶電板使得在梳狀物204-1. . . 204-N上方和下方的彌散場不平衡，這導致沿感測軸在能移動梳狀物204-1...204-N上的力。該カ在陀螺儀中產(chǎn)生驅(qū)動誘導偏置誤差。力可以通過梳狀物 204/208與板212之間的分離的失配、以及固定梳狀物208和能移動梳狀物204之間的分離的偏移來引起。然而，與傳統(tǒng)的MEMS陀螺儀不同，MEMS傳感器100的能移動梳狀物104-1. . . 104-N 和固定梳狀物108-1. . . 108-M被配置成減小面外彌散カ和驅(qū)動誘導偏置。例如，圖3描述了可以用在MEMS傳感器100中的示例性梳狀物304和308的一個實施例的截面圖。橫過圖1的線A-A’截取該截面圖。如圖3所示，每個固定梳狀物308和能移動梳狀物304由與多個非導電層316交錯的多個導電層314構成。雖然圖3中描述了 3個導電層314，但是可以理解，在其它實施例中，可以使用不同數(shù)量的導電層314和相應的非導電層316。外部導電層(在此實例中的層314-1和314-3)在此也稱為遮蔽層。如圖3中也示出了導電板312-1和312-2。導電板312-1位于梳狀物304和308 上方。導電板312-2位于梳狀物304和308下方。在此示例性實施例中，導電板312-1帶有凈正電荷以及導電板312-2帶有凈負電荷。然而，可以理解的是，位于每個導電板312上的電荷可以與其它實施例不同。
此外，梳狀物304和308的每個導電層314例如諸如經(jīng)由通孔單獨耦合到電勢(例如，正電壓、負電壓或地)。非導電層316與導電層314彼此電隔離。在圖3所示實例中，每個梳狀物304和308中的導電層314-3耦合到地。類似地，每個梳狀物304和308中的導電層314-1耦合到地。梳狀物308-1和308-2中的導電層314-2在圖3中示出為耦合到正電壓，但是可以理解的是在其它實施例中導電層314-2可以耦合到負電壓或隨時間變化電壓。隨時間變化電壓可以是正弦曲線或其它隨時間變化波形。此外，變化電壓可以在負值和正值之間、在全部正值之間、或在全部負值之間變化。梳狀物304中的導電層314-2耦合到地。如上所述，通過將電壓施加到每個梳狀物304和308中的層314，層314-1和314-3 有效地平衡了來自導電板312-1和312-2的電場。換句話說，頂部導電板312-1和梳狀物304/308之間的彌散場線在垂直方向(即沿感測軸)上與底部導電板312-2和梳狀物 304/308之間的彌散場線平衡。因而，由由于梳狀物偏移和分離失配而造成的彌散場中的不對稱產(chǎn)生的隨時間變化カ被減小或消除。因而，通過配置具有多個導電層的梳狀物304/308 以及選擇性地將電壓施加到每個層，平衡了彌散場且減小了驅(qū)動誘導偏置。可以理解的是施加到圖3中的導電層314的電壓是通過實例而非限定的方式來提供的。例如，在其它實施例中，遮蔽層314-1和314-3被設置到上部或下部電容板 312-1/312-2的電壓(在此實例中即頂部遮蔽層314-3上的正電壓和底部遮蔽層314-1上的負電壓)。這樣的實施例中的場線的配置將顯得與圖3所示的那些不同。然而，這樣的實施例也產(chǎn)生很少的或沒有產(chǎn)生面外力(例如驅(qū)動誘導偏置)。在此實施例中，每ー個固定梳狀物和每ー個能移動梳狀物由一塊硅構成。特別是， 將外延硅沉積在硅晶片上。接著非均質(zhì)生長外延硅以產(chǎn)生導電層和非導電層。例如，當生長了將形成第一導電層的區(qū)域時，以高水平施加摻雜劑到該區(qū)域，這增加了該區(qū)域的導電特性。換句話說，高或者重摻雜該區(qū)域。如本文所使用的，高或者重摻雜的區(qū)域意味著摻雜劑原子與硅原子的比率足夠高使得該區(qū)域整體導電。例如，在一些實施例中，摻雜劑原子和硅原子的比率為大約每十萬原子ー個或更大。在一些實施例中，所使用的摻雜劑是硼。但是，將理解，其他實施例中可使用其他摻雜劑諸如磷或者砷。一旦導電區(qū)域生長到所需的厚度，不再添加摻雜劑以便生長非導電區(qū)域。非導電區(qū)域或者沒有摻雜劑或者是輕摻雜的。輕摻雜表示摻雜劑原子與硅原子的比率是足夠低水平的，使得此區(qū)域總體是不導電的。例如，在一些實施例中，摻雜劑原子與硅原子的比率為大約每ー億原子ー個或更少。在生長非導電區(qū)域之后，再次施加摻雜劑以形成另一重摻雜導電區(qū)域。繼續(xù)此模式直到形成所有的所需導電和非導電區(qū)域。在一些實施例中，導電區(qū)域具有非均勻的厚度。在其他實施例中，某些導電層比其他的厚。類似地，在某些實施例中，非導電區(qū)域比每個導電區(qū)域都薄。如本領域技術人員所公知的，每個導電層可以通過形成通孔單獨耦合到電壓源。此外，在其它實施例中，使用其它エ藝來形成導電和非導電層。例如，可以向硅梳狀物施加絕緣氧化物，且然后采用金屬、 多晶硅或其它導電層來涂覆。圖4是電子系統(tǒng)400的一個實施例的框圖，電子系統(tǒng)400包括慣性測量単元 (IMU) 406，其具有被配置成減小驅(qū)動誘導偏置的MEMS傳感器。特別地，在此示例性實施例中IMU406包括MEMS陀螺儀410和MEMS加速計412。盡管在該實例中僅示出ー個MEMS陀螺儀410和ー個MEMS加速計412，應當理觸在其他實施例中能使用多于ー個MEMS陀螺儀和 /或多于ー個MEMS加速計。MEMS陀螺儀410和MEMS加速計412中的每ー個都配置成減小驅(qū)動誘導偏置。例如，MEMS陀螺儀410和MEMS加速計412中的每ー個包括與多個能移動梳狀物交錯的多個固定梳狀物。如上所述，固定梳狀物和能移動梳狀物中的每ー個包括多個導電層。將電壓單獨施加到每個導電層從而在能移動梳狀物周圍的彌散場互相抵消以減小驅(qū)動誘導偏置。電子系統(tǒng)400包括耦合到一個或多個存儲裝置404和IMU 406的一個或多個處理裝置402。IMU 406將運動測量提供給ー個或多個處理裝置402。運動測量可包括線性加速度和/或角加速度的測量。一個或多個處理裝置402處理用于預定應用的運動測量。例如，在一些實施例中，電子裝置400作為慣性導航系統(tǒng)實施。這種實施例中，ー個或多個存儲裝置404包括指令，當通過ー個或多個處理裝置402執(zhí)行時該指令導致ー個或多個處理裝置402執(zhí)行導航功能諸如基于運動測量提供慣性導航方案。電子系統(tǒng)400也可包括輸入和/或輸出端ロ 408，用干與其他裝置發(fā)送和接收信號。例如，電子系統(tǒng)400從全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)接收導航數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)通過一個或多個處理裝置402與來自IMU 406的運動測量組合，以計算組合的導航方案。電子系統(tǒng)400可集成到其他系統(tǒng)中，例如但不限于航空器、車輛、移動電話、導彈、視頻游戲控制器或者其他需要慣性數(shù)據(jù)的設備。一個或多個處理裝置402可包括中央處理單元(CPU)、微控制器、微處理器(例如數(shù)字信號處理器(DSP))、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、專用集成電路(ASIC)和其他處理裝置。一個或多個存儲裝置404可包括有形介質(zhì)諸如磁或者光介質(zhì)。例如，有形介質(zhì)可包括常規(guī)硬盤、高密度磁盤(例如只讀或者可重寫的)、易失性或者非易失性介質(zhì)，諸如隨機存取存儲器(RAM)(其包括但不限于同步動態(tài)隨機存取存儲器(SDRAM)、雙數(shù)據(jù)率(DDR) RAM、RAMBUS動態(tài)RAM(RDRAM)、靜態(tài)RAM(SRAM)等)、只讀存儲器(ROM)、電可擦除可編程 ROM(EEPROM)和閃存等。圖5是描述減小靜電驅(qū)動梳狀物中產(chǎn)生的面外力的示例性方法500的一個實施例的流程圖。可以理解的是方法500的單個動作執(zhí)行的順序并不限定于它們在此描述的順序。方法500可以利用MEMS傳感器例如上述的傳感器100來實現(xiàn)。在塊502，將第一電勢施加到位于檢驗質(zhì)量塊上方的第一導電板。檢驗質(zhì)量塊具有與錨的多個固定梳狀物交錯的多個能移動梳狀物，多個能移動梳狀物和多個固定梳狀物中的每ー個具有由如上所述的ー 個或多個非導電層分離的多個導電層。在塊504，將第二電勢施加到位于檢驗質(zhì)量塊和錨下方的第二導電板。在塊506， 將各自的電勢單獨施加到位于每個固定的和能移動梳狀物中的多個導電層中的每ー個。特別地，選定各自的電勢以便每個梳狀物中的外部導電層將內(nèi)導電層從導電板掩蔽或遮蔽， 使得由沿感測軸的偏移產(chǎn)生的、梳狀物之間的電容的變化大概為0。當由沿感測軸的偏移所產(chǎn)生的電容的變化大概為0時，減小了沿感測軸的面外力。如在此使用的，単獨地將電勢施加到導電層意味著被施加到各自層的電勢不會被施加到另ー層的電勢所影響或確定。在一些實施例中，每個固定的和能移動的梳狀物包括由非導電層彼此分離的三個導電層。因而，每個梳狀物具有第一和第二外部層和內(nèi)部層。在一些這種實施例中，將地電勢施加到固定的和能移動的梳狀物中的每ー個的第一和第二外部層中的每ー個。也將地電勢施加到每個能移動梳狀物的內(nèi)部層且將隨時間變化電勢施加到每個固定梳狀物的內(nèi)部層。在其它這種具有三個導電層的實施例中，將被施加到第一導電板的相同的電勢施加到最靠近第一導電板的每個固定的和能移動的梳狀物的外部層。類似地，將被施加到第二導電板的電勢施加到最靠近第二導電板的每個固定的和能移動的梳狀物的外部層。將地電勢施加到每個能移動梳狀物的內(nèi)部層且將隨時間變化電壓施加到每個固定的梳狀物的內(nèi)部層?？梢岳斫獾氖窃谄渌鼘嵤├锌梢允┘悠渌Ｊ降碾妱荨?盡管本文中已經(jīng)示出了并描述了具體實施例，但是本領域普通技術人員將認識到，被考慮用于實現(xiàn)相同目的的任意設置可取代所示特定實施例。因此，很顯然意圖在于本發(fā)明僅由權利要求及其等價物限定。
權利要求
1.一種微機電系統(tǒng)(MEMQ傳感器(100)，包括基板；至少ー個檢驗質(zhì)量塊(102)，所述檢驗質(zhì)量塊具有第一多個梳狀物(104)，其中所述檢驗質(zhì)量塊經(jīng)由一個或多個懸掛梁耦合到所述基板，使得所述檢驗質(zhì)量塊和所述第一多個梳狀物是能移動的；至少ー個錨(106)，所述錨具有第二多個梳狀物(108)，其中所述錨耦合到所述基板， 使得所述錨和所述第二多個梳狀物相對于基板被固定在適當位置；其中所述第一多個梳狀物與第二多個梳狀物交錯；其中所述第一多個梳狀物和第二多個梳狀物中的每ー個梳狀物包括彼此之間通過一個或多個非導電層(316)來電隔離的多個導電層(314)；其中每ー個導電層單獨耦合到各自的電勢，以便掩蔽彌散電場以減小由于所述彌散電場所產(chǎn)生的所述第一多個梳狀物沿感測軸的運動。
2.權利要求1所述的MEMS傳感器，其中所述第一和第二多個梳狀物中的每ー個梳狀物包括第一外部導電層(314-1)、第二外部導電層(314-3)、和內(nèi)部導電層(314-2)；其中所述第一和第二多個梳狀物中的每ー個梳狀物的所述第一和第二外部導電層被耦合到地；其中所述第一多個梳狀物中的每ー個梳狀物的所述內(nèi)部層被耦合到地且所述第二多個梳狀物中的每ー個梳狀物的所述內(nèi)部層被耦合到隨時間變化的電壓。
3.權利要求1所述的MEMS傳感器，其中所述第一和第二多個梳狀物中的梳狀物由硅構成，該多個導電層包括重摻雜硅的區(qū)域，并且該ー個或多個非導電層包括非摻雜硅的區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用多層能移動梳狀物的MEMS傳感器。一種MEMS傳感器，包括基板和至少一個具有第一多個梳狀物的檢驗質(zhì)量塊，其中檢驗質(zhì)量塊經(jīng)由一個或多個懸掛梁耦合到基板，使得檢驗質(zhì)量塊和第一多個梳狀物是能移動的。MEMS傳感器還包括至少一個固定的錨，其具有第二多個梳狀物。第一多個梳狀物和第二多個梳狀物互相交錯。第一多個梳狀物和第二多個梳狀物中的每一個梳狀物包括彼此之間通過一個或多個非導電層來電隔離的多個導電層。每一個導電層單獨耦合到各自的電勢，以便掩蔽彌散電場以減小由于彌散電場所產(chǎn)生的第一多個梳狀物沿感測軸的運動。
文檔編號G01C19/5719GK102589540SQ20111046189
公開日2012年7月18日 申請日期2011年11月23日 優(yōu)先權日2010年11月23日
發(fā)明者R·D·霍爾寧, R·蘇皮諾 申請人:霍尼韋爾國際公司