具有線性驅動/拾取的mems垂直梳狀結構的製作方法

2023-06-10 16:18:21

專利名稱：具有線性驅動/拾取的mems垂直梳狀結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有線性驅動/拾取的MEMS垂直梳狀結構。
背景技術：
微機電系統(MEMS)傳感器諸如MEMS加速計由一種質量塊(mass)諸如矽構成，其與某些形式的拾取器(Pickoff)和反饋機構一起通過彈性彎曲件懸掛。質量塊/懸掛系統響應於加速度向面內或者面外偏轉。測量該偏轉的拾取機構通常使用電容拾取器。通常使用梳狀結構測量面內偏轉。通常使用被定位在檢驗質量塊下方和/或上方的電容感測板測量面外移動。典型的面內拾取器超出這種面外傳感器的優勢在於面內梳狀拾取器與偏轉成近似線性(且因此與加速度成近似線性)。但是相反，電容板拾取器與1/偏轉成比例且因此是非線性的。

發明內容
在一個實施例中，提供了一種微機電系統(MEMQ傳感器。MEMS傳感器包括基板； 和具有第一多個梳狀物的至少一個檢驗質量塊。該檢驗質量塊經由一個或多個懸掛梁耦合到基板以使得檢驗質量塊和第一多個梳狀物能移動。MEMS傳感器還包括具有第二多個梳狀物的至少一個錨。錨耦合到基板以使得錨和第二多個梳狀物相對於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。第一多個梳狀物中和第二多個梳狀物中的每一個梳狀物都包括通過一個或多個非導電層彼此電隔離的多個導電層。每個導電層各自耦合到相應電勢以使得第一多個梳狀物和第二多個梳狀物之間的電容隨著能移動梳狀物在面外方向上的移動近似線性變化。


可以理解，附圖僅描述了示範性實施例且因此不被認為在範圍上是限制性的，將利用其他具體內容和細節通過使用附圖描述示範性實施例，附圖中圖1是示範性微機電系統(MEMS)傳感器的一個實施例的局部頂視圖。圖2是示範性多層梳狀物的一個實施例的截面圖。圖3是描述示範性偏置配置的示範性多層梳狀物的一個實施例的截面圖。圖4是電子系統的一個實施例的框圖。圖5是描述產生近似線性垂直梳狀MEMS傳感器的方法的一個實施例的流程圖。根據一般實踐，各所述特徵未按比例畫出而是畫出以強調與示範實施例相關的具體特徵。
具體實施例方式在以下的具體描述中，參考形成本具體描述一部分的附圖，且其中藉助於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行單個步驟的順序。因此不認為以下的具體描述是限制性的。圖1是示範性微機電系統(MEMS)傳感器100諸如MEMS陀螺儀或者MEMS加速計的一個實施例的局部頂視圖。特別是，圖1包括MEMS傳感器100中的一個檢驗質量塊102 的頂視圖用於解釋目的。但是，將理解，MEMS傳感器100可以包括多於一個檢驗質量塊。 通過耦合到基板的多個懸掛梁110懸掛檢驗質量塊102。懸掛梁110允許檢驗質量塊102 自靜止位置(resting position)移動或者偏轉。檢驗質量塊102也包括多個能移動梳狀物或者延伸部104-1. · · 104-N。能移動梳狀物104-1. · · 104-N與固定錨106的固定梳狀物 108-1. . . 108-N叉合或者交錯。隨著檢驗質量塊102移動，能移動梳狀物104-1. . . 104-N相對於固定梳狀物108-1. . . 108-N的相對位置發生改變。MEMS傳感器100被配置成用於近似線性的面外拾取器。參考圖1，和如本文所使用的，檢驗質量塊102沿著χ軸或者y軸的位移稱作面內移動，而檢驗質量塊102沿著ζ軸的位移稱作面外移動。因此，測量由於能移動梳狀物104沿著ζ軸的移動導致的電容變化稱作面外拾取。如本文所使用的，術語「面外」和「垂直」可交換使用。常規MEMS傳感器通常使用下部和/或上部電容感測板測量面外移動。但是，上部/下部電容板拾取器與1/偏轉成比例且因此具有非線性響應。非線性使得常規的面外傳感器比線性傳感器對振動、衝擊、加速度等更敏感。非線性也使得常規面外傳感器與線性傳感器相比更難以校準。與用於測量面外移動的常規MEMS傳感器相反，MEMS傳感器100利用多層梳狀物提供面外拾取，其與沿著ζ軸的偏轉成近似線性。例如，圖2描述了示範性多層梳狀物204和 208沿著線Α-Α』的一個實施例的截面圖。梳狀物204是能移動的梳狀物且梳狀物208-1和 208-2是固定梳狀物。每個梳狀物204和208都包括通過非導電層216彼此分開的多個導電層214。在該示範性實施例中，每個梳狀物208和204都具有三個導電層214。特別是， 在每個梳狀物208和204中的中心導電層214-2大於其他導電層214-1和214-2。但是，可以理解，在其他實施例中可使用其他配置和/或數目的導電層214。該實施例中每個固定梳狀物208和每個能移動梳狀物204都由矽塊形成。特別是， 將外延矽沉積在矽晶片上。此時非均質生長外延矽以產生導電層214和非導電層216。例如，在該實施例中，以五層的方式生長該結構被自其蝕刻的外延膜。當生長了將形成第一導電層的區域時，以高水平施加摻雜劑到該區域，這增加了該區域的導電特性。換句話說，高或者重摻雜該區域。如本文所使用的，高或者重摻雜的區域意味著摻雜劑原子與矽原子的比例足夠高使得該區域整體導電。例如，在一些實施例中，摻雜劑原子和矽原子的比例為大約每十萬原子一個或更大。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。為了施加摻雜劑，在外延反應器中與矽源同時開啟摻雜劑源。一旦已經將導電區域生長到所需厚度，就關閉摻雜劑源同時保持矽源打開以生長非導電區域。例如，在一些實施例中，第一導電區域214-1生長至多層外延矽總厚度的大約5-10%的厚度。在一個示範性實施例中，第一導電區域生長至大約2μπι。第一非導電區域也能例如生長至總厚度的大約5-10%。特別是，在一些實施例中，非導電區於生長至1_2μπι。非導電區域不具有摻雜劑或者被輕摻雜。輕摻雜指的是摻雜劑原子和矽原子的比率處於足夠低的水平以使得該區域全部不導電。例如，在一些實施例中，摻雜劑原子和矽原子的比例為大約每一億原子一個或更少。一旦非導電區域達到所需厚度，接著再次開啟摻雜劑源。摻雜劑源保持開啟直到下一導電區域已經達到所需厚度。例如，內部導電區域214-2比其他導電區域厚且將其生長至多層外延矽總厚度的大約60-80%。在一些實施例中，內部導電區域214-2生長至大約 14-20 μ m。隨後以相似模式順序關閉摻雜劑源和再次開啟以分別生長剩餘的非導電和導電區域。將理解，藉助於實例提供上述討論的厚度和在其他實施例中可使用其他厚度。此外， 在其他實施例中，使用其他工藝形成導電和非導電層。例如，可以將絕緣氧化物施加到矽梳狀物並且接著用金屬、多晶矽或者其他導電層塗覆。將結構諸如檢驗質量塊、懸掛彈簧和梳狀物蝕刻成多層外延矽。蝕刻該結構使得一些結構與另一些結構物理地以及電地斷開連接。例如，能移動梳狀物204既不物理地也不電地連接到固定梳狀物208。每個梳狀物204和208中的每個所得到的導電層214接著例如諸如經由通孔單獨耦合到電勢或者電壓源(例如正電壓、負電壓或者地)。如本文所使用的，單獨施加電勢至導電層意味著施加到各個層的電勢不受施加到另一層的電勢影響或者確定。特別是，單獨施加電壓以產生導致對能移動梳狀物204在垂直或者面外方向上的偏轉的近似線性的結構。例如，如圖3中所示，可將在固定梳狀物308和能移動梳狀物304中每個中的外部導電層314-3保持為接地，同時將每個固定梳狀物308的內導電層314-2和外導電層314-1 偏置至一電壓。也將能移動梳狀物304的內導電層314-2保持為接地。應當注意，儘管施加到固定梳狀物308的導電層314-1和314-2的偏置描述為正電壓，但是應當理解，該偏置可以是正的、負的或者是隨時間在負值和正值之間變化的。隨時間變化的偏置會引起能移動梳狀物204沿著驅動軸進出頁面擺動。此外，通過將電勢單獨施加到如圖3中所示的每個導電層，產生垂直電場配置，其對於能移動梳狀物304的垂直位移提供近似線性響應。通過虛線圈出的區域305和307描述電場配置。由於上部導電層314-3全部接地，因此在導電層314-3的區域中存在很少或者不存在彌散場。相似地，由於底部導電層314-1完全相似地偏置，因此在導電層314-1的區域中存在很少或者不存在彌散場。因此，主要通過中心摻雜層314-2的交疊限定電容。只要在梳狀物之間的間隙309與梳狀物高度311相比較小，電容就隨著能移動梳狀物304的垂直位移近似線性地變化。多層梳狀物和垂直電場配置能夠實施於任何具有垂直位移的電容-拾取元件，例如但不限於加速計。圖4是電子系統400的一個實施例的框圖，電子系統400包括慣性測量單元 (IMU) 406，其具有被配置成產生對於如上所述的面外位移的近似線性響應的MEMS傳感器 410。例如，在該實施例中，MEMS傳感器410作為加速計實施。儘管在該示例中僅示出一個 MEMS傳感器410，應當理解在其他實施例中能使用多於一個MEMS傳感器。MEMS傳感器410 包括與多個能移動梳狀物交錯的多個固定梳狀物。固定梳狀物和能移動梳狀物中的每一個都包括多個導電層，如上所述。將電壓單獨施加到每個導電層以產生對於面外或者垂直位移具有近似線性響應的垂直電場配置。電子系統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將移動測量提供給一個或多個處理裝置402。移動測量可包括線性加速度和/或角度加速度的測量。一個或多個處理裝置402處理用於預定應用的移動測量。例如，在一些實施例中，電子系統400作為慣性導航系統實施。這種實施例中，一個或多個存儲裝置404包括指令，當通過一個或多個處理裝置402執行時該指令導致一個或多個處理裝置402執行導航功能諸如基於移動測量提供慣性導航方案。電子系統400也可包括輸入和/或輸出埠 408，用於與其他裝置發送和接收信號。例如，電子系統400從全球導航衛星系統(GNSS)接收導航數據，該數據通過一個或多個處理裝置402與來自IMU 406的移動測量組合，以計算組合的導航方案。電子系統400可集成到其他系統中，例如但不限於航空器、車輛、行動電話、飛彈、視頻遊戲控制器或者其他需要慣性數據的設備。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(例如數位訊號處理器(DSP))、現場可編程門陣列(FPGA)、專用集成電路(ASIC)和其他處理裝置。一個或多個存儲裝置704可包括有形介質諸如磁或者光介質。例如，有形介質可包括常規硬碟、高密度磁碟(例如只讀或者可重寫的)、易失性或者非易失性介質，諸如隨機存取存儲器(RAM)(其包括但不限於同步動態隨機存取存儲器(SARAM)、雙數據率(DDR) RAM、RAMBUS動態RAM(RDRAM)、靜態RAM(SRAM)等)、只讀存儲器(ROM)、電可擦除可編程 ROM (EEPROM)和快閃記憶體等。圖5是描述產生近似線性垂直梳狀物MEMS傳感器的方法500的一個實施例的流程圖。方法500可以用諸如上面參考圖1-3所述的多層梳狀物結構執行。在框502中，將第一電勢施加到多個固定梳狀物的每一個中的和多個能移動梳狀物的每一個中的至少一個導電層。固定梳狀物和能移動梳狀物交錯，如上所述。在每個梳狀物中的導電層通過一個或多個非導電層彼此分離。例如，如上所述，通過交替生長外延矽的摻雜和未摻雜區域形成導電和非導電層。在框504中，將第二電勢施加到固定梳狀物的每一個中的和能移動梳狀物的每一個中的至少一個其它導電層。選擇該第一和第二電勢並施加其以產生其中固定和能移動梳狀物的電容變化隨著能移動梳狀物的面外位移近似線性變化的垂直電場配置。例如，在一些實施例中第一電勢接地並將第一電勢施加到固定和能移動梳狀物的每一個中的第一外部導電。如圖2中所示，當處於靜止位置時第一外部導電層(例如層214-3)近似共面。也將接地電勢施加到能移動梳狀物的每個中的內部導電層。該實施例中的第二電勢是隨時間變化的電壓，將其施加到每個固定梳狀物的內部導電層。此外，在該實施例中，也將隨時間變化的電壓施加到固定和能移動梳狀物中每一個中的第二外部導電層(例如214-1)。但是，在其他實施例中，可以將獨立的靜態正和負電壓施加到第二外部導電層。分別施加電勢至固定和能移動梳狀物的每一個中的不同層產生了其中梳狀物電容隨著能移動梳狀物的面外位移近似線性變化的電場配置。儘管本文中已經示出了並描述了具體實施例，但是本領域技術人員將理解，被計算用於實現相同目的的任意設置，可取代所示特定實施例。因此，很顯然意圖在於本發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(MEMQ傳感器(100)，包括基板；具有第一多個梳狀物(104)的至少一個檢驗質量塊(102)，其中檢驗質量塊經由一個或多個懸掛梁耦合到基板以使檢驗質量塊和第一多個梳狀物是能移動的；具有第二多個梳狀物(108)的至少一個錨(106)，其中，該錨耦合到基板以使該錨和第二多個梳狀物相對於基板被固定在適當位置；其中第一多個梳狀物與第二多個梳狀物交錯；其中第一多個梳狀物和第二多個梳狀物中的每一個梳狀物都包括通過一個或多個非導電層(216)彼此電隔離的多個導電層(214)；其中每個導電層都單獨耦合到各自電勢以使得第一多個梳狀物和第二多個梳狀物之間的電容隨著能移動梳狀物在面外方向上的位移近似線性變化。
2.權利要求1的MEMS傳感器，其中第一和第二多個梳狀物中的每個梳狀物都包括第一外部導電層014-1)、第二外部導電層(214-3)和內部導電層014-2)。
3.權利要求1的MEMS傳感器，其中第一和第二多個梳狀物中的梳狀物由矽、包含重摻雜矽的區域的多個導電層和包含未摻雜矽的區域的一個或多個非導電層構成。
全文摘要
本發明涉及具有線性驅動/拾取的MEMS垂直梳狀結構。一種MEMS傳感器，包括基板和具有第一多個梳狀物的至少一個檢驗質量塊。該檢驗質量塊經由一個或多個懸掛梁耦合到基板以使得檢驗質量塊和第一多個梳狀物能移動。該MEMS傳感器還包括具有第二多個梳狀物的至少一個錨。該錨耦合到基板以使錨和第二多個梳狀物相對於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。每個梳狀物都包括通過一個或多個非導電層彼此電隔離的多個導電層。每個導電層都單獨耦合到各自電勢以使得梳狀物之間的電容隨著能移動梳狀物在面外方向上的位移近似線性變化。
文檔編號B81B7/00GK102564469SQ20111045681
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月23日 優先權日2010年11月23日
發明者R·D·霍爾寧, R·蘇皮諾 申請人:霍尼韋爾國際公司