確定線性或角向移動的位移、速度和加速度的多軸傳感器的製作方法

2023-11-10 16:23:32

專利名稱：：確定線性或角向移動的位移、速度和加速度的多軸傳感器的製作方法
技術領域：
：本發明涉及多軸傳感器以及製造這種傳感器的方法。
背景技術：
：基於MEMS的傳感器已經發展為將感測元件與"系統級封裝"(SIP)內的若干集成元件相結合。SIP中的這些集成元件包括MEMS器件、接口電路、以及微處理器電路。在與感測元件一起封裝時需要特別小心對待這些元件。已知的感測元件可以基於機械、電感、電容、壓電、壓阻、或其他感測技術。為了感測姿態、位置或運動，已知使用加速度計和陀螺儀。2維加速度計廣泛地可用作集成裝置，最近，用於感測變化的集成裝置在第三維中也變得可用。然而，這樣的裝置在沿著該維度的校準方面的能力很低。在大多數情況下，在承載感測元件的相同襯底上製造該裝置。因此，最終裝置是兩個或更多個單一矽襯底的結果。將所述接口和信號處理電路集成為系統。上述感測元件典型地具有檢測質量塊(proofmass)，所述檢測質量塊使所述感測元件自身相應於施加到所述感測元件的力而位移。這是支持加速度計設計的基本構思。檢測質量塊與依賴於加速度的力相對應地位移。利用各種已知技術中的一種來感測所述檢測質量塊的位置。在電容加速度計的情況下，電容的變化與檢測質量塊的位移有關。電容器可以具有一個附著到檢測質量塊的電極以及一個固定電極。可以將這些電極按照叉指梳結構來布置。檢測質量塊及其彈性支撐的特性限定了感測元件的檢測範圍。支持電容加速度計的構思是是感測相對於電容變化的位移。為了感測科裡奧利效應(Corioliseffect)，名稱為"陀螺儀(Gyroscopes)"的裝置提出了一種解決方案。該裝置特徵在於對沿著與所述結構(檢測質量塊)的平面垂直的旋轉軸的位移進行感測。針對位移的感測動作已經開發出多種方法。然而，沿著三個軸的位移和沿著旋轉軸的位移仍然在不同裝置上。可以使用相同的技術來製造這兩個裝置。對於高端感測操作，典型地在多於一個矽晶片上或者通過使用SOI或相關技術來製造已知的裝置。美國專利申請2005217372示出了用於三維地檢測角速度和加速度的物理量傳感器。該傳感器包括襯底；布置在襯底上的三個角速度傳感器；以及布置在襯底上的三個加速度傳感器。三個角速度傳感器能夠檢測角速度圍繞三個軸的三個分量，每兩個分量垂直相交。三個加速度傳感器能夠檢測加速度在另外三個軸中的三個分量，每兩個分量垂直相交。角速度傳感器的三個軸相交於一點，加速度傳感器的另外三個軸相交於另一點。上述物理量傳感器可以以高精度三維地檢測角速度和加速度兩者。此外，在該物理量傳感器中，角速度傳感器的三個檢測軸相交於一點，使得角速度的檢測精度變得更高。此外，加速度傳感器的三個檢測軸相交於一點，使得加速度的檢測精度變得更高。專利申請JP11311521A示出了多軸慣性量傳感器，可以通過使用顯微機械加工技術來形成所述多軸慣性量傳感器，並且所述多軸慣性量傳感器可以檢測多個軸中的角速度和線性加速度。該多軸慣性量傳感器在檢測質量塊周長處具有梳子形狀的互相嚙合的電極，以提供旋轉振動從而實現陀螺角向傳感器。在所述質量塊下方提供四個電極，以檢測所述檢測質量塊何時遠離其旋轉軸而傾翻(tip)。這四個電極用作電容傳感器，以檢測襯底上方質量塊的高度。高度的差異表示傾翻，所述傾翻只是根據陀螺動作的旋轉。哪兩個電極比另外兩個更高表示圍繞哪些軸發生旋轉。所有四個傳感器的高度變化表示沿著旋轉軸的加速度。
發明內容本發明的目的是提供一種改進的多軸傳感器以及製造這樣的傳感器的方法。根據第一方面，本發明提供了一種角位移和線性位移的多軸慣性傳感器，所述傳感器具有集成在平面襯底上的三個或更多感測元件，每個感測元件的輸出響應於沿著與襯底的平面垂直的Z軸的位移、以及響應於與所述平面平行的位移，所述元件位於襯底平面中兩個垂直軸(X軸和Y軸)兩側襯底的不同部分處，所述感測元件還被定向在平面中的不同方向上，使得它們的輸出還響應於沿著X軸或Y軸的位移，以使這些輸出足以使得它們的不同組合能夠用於指示沿著X、Y或Z軸中任何一個軸的線性位移以及與X、Y或Z軸中任何一個有關的角位移。本發明的具體特徵是組合使用Z軸信號的方式，例如，能夠沿著Z軸以及沿著X軸和Y軸進行檢測的感測元件，以及在X和Y軸任一側的感測元件。這使得可以以六(6)種不同方式來組合傳感器的輸出。如本領域技術人員已知的，可以構造用於對所述輸出進行組合的電路，所述電路可以是單片電路或晶片外電路。例如，根據本發明的這種新裝置可以使用用於確定線性加速度和角速度的多個感測元件。這意味著在使用分立傳感器的情況下該裝置需要更少的感測元件。例如這可以有助於該裝置更節省成本和/或更小。換言之，該新的裝置感測與旋轉軸垂直的位移。這意味著所述多個感測元件可以布置為在單一平面內沿不同方向延伸，這使得更易於集成在襯底上、對位移的範圍限制更小、以及從而對於給定的位移範圍而言製造成本更低。這意味著該新裝置可以具體地感測沿多個方向而不是沿著旋轉軸的僅一個方向的加速度。同樣，這意味著該新裝置需要更少的感測元件來沿多個方向進行感測。例如這有助於使得該裝置更節省成本和/或更小。另一優點是，通過構造，傳感器的(即，在傳感器的電極之間的)電容值可以比目前已知的裝置的電容值更高且更好。這是因為電極之間的間隙可以在納米級。此外可以避免專用的DC/DC轉換器(步進轉換器)。在保持在主權利要求的範圍之內的同時，可以採用添加到上述特徵的任何附加特徵來體現本發明，以下描述一些這樣的附加特徵。—個這樣的附加特徵是所述感測元件是MEMS元件。另一個這樣的附加特徵是所述質量塊包括針對每個感測元件的分立質量快。與具有單個質量塊相比，這可以對於給定的質量塊大小來提高沿不同方向的位移進行感測的靈敏度。另一個這樣的特徵是，所述分立的質量塊分布在感測元件的可移動電極上。與同電極分開地成塊的質量塊相比，這可以幫助使能減小裝置的大小以及減小部分的數目，從而便於集成以及有助於降低製造成本。另一個這樣的特徵是用於對輸出進行組合以得到位移的電路。如果集成到與感測元件相同的晶片上或者相同的封裝中，則這種方式可以是更節省成本的。備選地，可以在適當電路上外部地實現這種方式，或者可以使用運行於傳統處理硬體上的適當軟體來實現這種方式。根據本發明的另一方面提供了一種製造傳感器的方法，該方法包括以下步驟在襯底上形成平面感測元件，所述平面感測元件被定向在不同方向上以感測沿不同方向的位移；通過蝕刻以釋放感測元件的一部分來形成可移動電極；以及在相同襯底上形成耦合至所述可移動電極的接口電路，所述接口電路被布置為對來自不同感測元件的位移信號進行組合，以確定旋轉位移和多軸線性位移。任何這些附加特徵都可以組合在一起或者與任何其他方面相組合。對於本領域技術人員而言，尤其超過其他現有技術的其他優點將是顯而易見的。在不脫離本發明的權利要求的前提下，可以進行多種變體和修改。因此，應清楚地理解，本發明的形式僅僅是說明性的，而不旨在限制本發明的範圍。現在將參考附圖以示例的方式來描述如何使本發明起作用的，附圖中圖1示出了根據本發明實施例的、四個梳驅動形式的感測元件的透視圖，圖2示出了圖1實施例的等效電路的示意圖，圖3至8示出了描述感測元件不同部分處的位移矢量的實施例的圖示，分別針沿x、y和z軸的線性位移以及圍繞x、y和z軸的旋轉位移。圖9示出了根據本發明實施例的、四個梳形式的感測電極的示意性結構，圖10示出了在圖9中A-A處的橫截面圖，示出了根據本發明實施例的錨定在襯底上的感測電極，圖lla示出了根據本發明實施例的感測元件的感測電極的平面圖，圖lib示出了信號處理電路，所述信號處理電路被布置為確定存在所述裝置的六個狀態中哪個狀態出現或者每個狀態出現多少次，圖12示出了感測元件電容隨X或Y位置的差異輪廓圖，圖13示出了在電容隨沿著與感測元件的平面相垂直的z軸位移的變化圖示，以及圖14示出了電容隨旋轉位移的變化圖示。圖15至42示出了根據本發明實施例的、製造諸如多軸陀螺加速度計之類的裝置的工藝步驟。具體實施例方式將相對於具體實施例參考特定附圖來描述本發明，然而本發明不限於此，而是僅由權利要求來限制。所描述的附圖僅僅是示意性的而非限制性的。在附圖中，出於說明目的，一些元件的尺寸可能被誇大並且不是按比例繪製的。本說明書和權利要求中所使用的術語"包括"並不排除其他元件或步驟。除非特別聲明，當引用單數名詞時不定冠詞或定冠詞例如"一個"、"一種"、"其"包括多個該名詞。在權利要求中使用的術語"包括"不應被解釋為限制該詞語之後所列的手段；該術語"包括"不應排除其他元件或步驟。因此，措辭"一種設備包括裝置A和B"的範圍不應限於該設備僅由組件A和B構成。這意味著相對於本發明，該設備的相關組件僅僅是A和B。此外，說明書和權利要求中諸如第一、第二、第三等術語用於區分相似的元件，而並不一定描述連續順序或年月日順序。應理解，在適當情況下所使用的這些術語是可以互換的，並且這裡所描述的本發明的實施例可以按照除了這裡所描述和示意的順序以外的其他順序來進行操作。此外，說明書和權利要求中諸如頂部、底部、上方、下方之類的術語是出於描述性目的的，並不一定用於描述相對位置。應理解，在適當情況下所使用的這些術語是可以互換的，並且這裡所描述的本發明的實施例可以在除了這裡所描述或示意的方位以外的其他方位來進行操作。本發明實施例的至少一些實施例與慣性感測裝置(例如，多軸(例如三軸)加速度計)有關，所述慣性感測裝置包括多個感測元件。此外，本發明的實施例可以提供高端加速度計與陀螺感測響應特徵的組合，配置用於基於在襯底上集成層的製造工藝能力來減輕製造過程。相應地，本發明的實施例可以提供包括多軸感測能力以及旋轉感測能力的慣性感測裝置。為了使系統更節省成本，在一些實施例中，在單個半導體襯底(例如，矽襯底)上形成感測元件，以支持具有更優特徵的小型化的驅動，例如，將兩個獨立的元件用"單個感測元件"來代替。—些實施例示出了多軸陀螺加速度計，目的在於通過將陀螺儀的感測動作與加速度計沿著三個軸的感測動作相集成，來使組件小型化。該傳感器可以是電容多軸陀螺加速度計(CMAGA)。根據本發明的感測裝置使用可移動感測電極。在受力的情況下這些電極的移動改變裝置了的物理特性(尤其是電特性)值，例如，裝置的電容。除了電容感測以外，可以使用其他類型的感測，如，磁性的、或電感的、或其任意組合。在下文中，將主要關於電容感測裝置來說明本發明，然而這僅僅是以示例的方式。在一些實施例中還結合了沿著與襯底平面垂直的旋轉軸的感測位移的特徵。參考圖l，該裝置包括以在檢測質量塊上或檢測質量塊中圖案化的四個梳驅動1、2、3和4形式的感測元件，所述感測元件彼此電絕緣，並且被定向在平面中的不同方向上。該裝置可以是諸如多軸陀螺加速度計之類的慣性傳感器。如所示的，四個不同方向在兩個主要垂直方向上。檢測質量塊可以由半導體材料製成，例如，其可以由多晶矽製成。優選地，將四個梳驅動l-4獨立地錨定到襯底12，例如，經由錨定點來錨定每個梳驅動。在本發明的實施例中，當在裝置的檢測質量塊上出現位移時，即，當裝置的檢測質量塊受到力時，四個梳驅動l-4中的電容值隨著所施加的力而變化，例如，成比例地或非線性地。四個梳驅動1-4中的電容值根據每個梳驅動1-4的方位、基於施加到檢測質量塊上的力而變化，這是因為由感測電極所代表的檢測質量塊能夠相對於襯底12而移動。因此，從可移動的感測電極至少部分地形成檢測質量塊。在平均或平衡位置處這四個感測元件的電特性(例如電容值)保持相同。當施加力時，梳驅動的感測電極發生移動或產生位移，這是由於襯底12的變形導致感測電極不同的相對或絕對位置。這些不同的絕對或相對位置導致裝置的物理(例如電)特性發生變化，該變化可以例如通過感測梳驅動的電容來測量。如果在製造之後預期的電容值與實際電容值或梳的電容值之間存在差異，即，電容不平衡，則在傳感器的工廠測試或現場校準期間可以解決該問題，並且任何偏差都可以通過應用修正步驟或通過針對電路的學習步驟來校正。將參考圖1來描述示例，圖1示出了四個梳驅動，以適當的驅動信號來驅動這四個梳驅動，以在需要時使它們的質量塊振動。備選地，可以採用使得能夠確定這四個梳驅動的電容的任何方式來驅動它們。例如，利用適當的信號(例如，正弦)來驅動這四個梳驅動，以獨立地使它們的質量塊振動，這使得可以確定它們的電容。如所示的，梳l-4被布置為佔據正方形的四個象限。梳的齒(SP，感測電極10)可以被布置為圍繞與平面垂直的中央軸面向四個不同方向。可以將這四個方向布置為使得每個方向與相鄰梳中任一梳的方向成直(垂直)角。圖2示出了圖1的梳驅動的實施例的電等效模型。該模型具有表示梳驅動的可變電容器C1、C2、C3和C4，每個可變電容器由電流源來驅動，每個可變電容器產生輸出信號。可以從所述四個梳驅動的信號相對於彼此獲得各種不同組合，以提供表示沿所有可能方向的線性位移以及沿所有方向上的旋轉位移的信號。圖3至8中的矢量箭頭示出了這六種類型的位移。通過對電容的變化進行分析，可以如下得到相關移動。圖3示出了沿著X軸的運動，因為與垂直於梳齒且垂直於平面的運動相比沿著梳齒方向的運動將對電容有更大影響，所以導致AC2=AC4>AC1=AC3。圖4示出了沿著Y軸的運動，出於相同原因導致AC1=AC3>AC2=AC4。圖5示出了沿著Z軸的運動，由於所有梳齒都將具有相同的運動(更深入它們在襯底中的插槽或者從它們的插槽中被提起)，所以導致AC1=AC2=AC3=AC4。圖6示出了關於X軸的旋轉運動，導致AC2+AC3=AC1+AC4。所有梳齒的位移都在相同的方位上(正指向)。圖7示出了關於Y軸的旋轉運動，導致AC1+AC2=_(AC3+AC4)。圖8示出了關於Z軸的旋轉運動，導致AC1=-AC3;，AC2=_AC4。圖9示出了根據本實施例的信號處理電路，所述信號處理電路配置用於確定裝置的六個狀態中哪個狀態出現以及每個狀態出現多少次。提供了一種具有信號處理電路(參見圖llb，以用於處理信號的邏輯電路為例)的接口，所述信號處理電路配置用於確定這六個狀態中哪個狀態出現以及每個狀態出現多少次。該電路可以是晶片上或晶片外的。因此，通過感測元件所感測的位移的組合，推導出已施加到感測裝置的相關運動(例如，沿著襯底平面中多個軸的襯底和組件的角速度或襯底的線性加速度)。例如，當在裝置的平面內存在位移時，兩個梳齒集合(僅作為示例，集合1、3)存在變化。在這種情況下，其他梳驅動2和4沒有變化。這樣，在平面外沒有變化。如果存在垂直位移(在平面外或者具有垂直於平面的分量)，則所有電容都將同時發生相同的變化。對於能夠附加地感測沿z軸位移的感測元件的實施例，位移之差表示關於其他軸的旋轉，接口信號處理電路還可以配置用於確定旋轉位移以及從而確定角速度。如圖9的頂視圖以及圖10中的橫截面A-A'所示，全部在襯底12上的梳驅動18的自由懸臂可移動梳齒IO形成了感測電極。參見圖lla，該裝置包括多個由可移動梳齒10組成的懸臂集合l-4，每個集合被錨定到矽襯底12上的錨定點16。在梳齒10之間放置絕緣靜態梳齒14，該絕緣靜態梳齒14可以例如是從襯底12(例如，矽)形成的。對於靜電元件，將需要存在的相應固定電極，所述固定電極的形狀與可移動梳齒相對應並且面向梳齒。這可以利用靜態梳齒上的傳導層來實現。可以使用除了直梳以外的其他形狀，如關於中央軸彎曲的曲梳、或例如矩形平面形狀。可以使用感測電極的任何合適數目的齒數IO。原理上，不同的梳驅動不需要彼此垂直，所以可以使用彼此成120度放置的由三個電極10組成的集合來獲得對旋轉或多方向線性位移的感測。可以使用其他合適數目的感測電極集合，如5、6、7、8或更多。在另一實施例中，本發明可以提供一種慣性感測裝置，例如在單個半導體襯底(例如，矽襯底12)上製造的加速度計。可以基於可用的工藝技術來製造所述加速度計。例如，如果檢測質量塊分布在感測元件的可移動電極的梳l-4上，則這四個梳驅動l-4可以形成加速度計的檢測質量塊的結構部分或者形成其中的一部分。可移動感測電極梳齒10可以由半導體材料形成，例如，當在矽襯底12上形成所述可移動感測電極梳齒10時，這些可移動感測電極梳齒IO可以是多晶矽，或者可以使用其他材料。可以通過以單個光刻工藝進行圖案化來彼此隔離地形成梳驅動1-4。結構的尺寸可以變化以適於應用。可以在製造期間使用犧牲層，然後例如通過蝕刻來去除該犧牲層，從而釋放可移動結構，如感測電極梳齒10。例如，按照慣例，可以合併和使用蝕刻孔來幫助在較大表面的情況下釋放該結構。該方法以及梳的錨定點16的穩定性和剛性、感測電極梳齒10的質量塊、以及感測電極梳齒10的材料特性限定了檢測質量塊的硬度，即在施加外力時感測電極梳齒10移動的量。移動的量確定了梳的物理(例如，電)特性的變化(例如，電容的變化)幅度。除了這些因素以外，用於釋放結構的孔可以對檢測質量塊的硬度作出貢獻，感測範圍隨著這些參數而變化。—些實施例具有感測沿著z軸的位移的能力，在該示例中將z軸看作是旋轉軸。在該具體實施例中，檢測質量塊包括彼此電隔離的四個電容梳驅動。加速度計檢測質量塊的四個梳驅動使電容相對於位移和方向而變化。加速度計當加速度恆定時，速度相對於時間而變化的速率是恆定的，這意味著位移變化的速率相對於時間是恆定的。當加速度發生變化時，速度變化的速率相對於時間而增大並最終反映在位移變化的速率上。由於利用檢測質量塊的位置(即，檢測質量塊的位移)來測量加速度，所以時間保持恆定。可以藉助於反饋迴路來使感測的頻率保持恆定。對於電容加速度計，利用電容的變化來感測檢測質量塊的位置變化。從平衡位置或平均位置的檢測質量塊的布置與加速度或對應時間平方的位移相對應。電容的變化給出了位移變化(速度)的速率。電容變化的變化速率與加速度相對應。所示的加速度計具有四個梳驅動，這四個梳驅動在相同平面內被定向在不同方向上，用於感測該相同平面沿X和Y軸的位移。對沿著Z軸位移的感測特徵在於參考電容器。對沿著旋轉軸位移的感測是基於對例如使用接口電路組合多個感測元件的輸出。所述接口是基於所需的輸出而設計的。MEMS器件為系統提供粗略形式的信息。所述接口讀取由該裝置傳遞的信息，使值之間的對應關係達到所需的結論，以對結果進行分析。然後處理該值以給出必要的信息。以下表1示出了兩個實施例(高端高性能實施例以及入門級低性能實施例)的示8例規範。tableseeoriginaldocumentpage9加速度計測量範圍的計算加速度是位移相對於時間的變化的變化速率(即，距離/時間2)。對於感測動作，時間保持恆定。感測系統藉助於在特定頻率情況下共振的振蕩器來感測位移。感測系統中值的變化速率給出了加速度的值。可以利用觀測到感測系統中值的變化速率的頻率來限定裝置的靈敏度範圍。加速度計測量範圍的計算示例1，範圍=2g=2X9.8=1.96，艮卩，_2g到+2g(39.2)T2=(d(/2*2g))=1.02040816326531E-08T=0.000101015254455221所需頻率是9899.49493661167，即，9.9KHz示例2，範圍=6g=6X9.8=58.8，艮卩，_6g到+6g(117.6)T2=(d(/2*6g))=3.40136054421769E-09T=0.0000583211843519804所需頻率是17146.4281994822Hz，即，17.2KHz示例3，範圍=8g=8X9.8=78.4，艮卩，_8g到+8g(156.8)T2=(d(/2*8g))=2.55102040816327E-09T=0.0000505076272276105所需頻率是19798.9898732233Hz，即，19.8KHz仿真可以針對機械特性來仿真所提出的設計，以給出不同的位移模式。在本情況下，在如圖9、10和lla所示的初步結構上執行了仿真。分別如圖3、4和5所示，前三個位移模式分別是沿著X、Y和Z方向。此外，分別如圖6和7所示，後兩個位移模式與檢測質量塊關於通過檢測質量塊中心的X軸或Y軸的旋轉位移相對應。此外，圖8所示的六個位移模式與關於Z軸的旋轉(陀螺儀效應)相對應。因此可以看出，還可以在這種加速度計設計中感測低端陀螺位移。可以從圍繞Z軸的旋轉直接獲得陀螺儀效應，因為這種旋轉是可以測量的。通過使用科裡奧利效應，可以獲得1維陀螺測試儀。圖12、13和14示出了電容變化的曲線圖在圖12中，第一變化值相對於平面中的橫向(X或Y方向)位移，藉此分別按照以上關於圖3或4說明的關係來測量在兩個梳驅動之間的差分電容。電容的值相對於系統上發生的關於時間的位移而變化。利用特定頻率來感測電容值的變化，所述值的變化速率給出了加速度。這些曲線圖是基於電容值的理論變化而繪製的。所述變化對於檢測質量塊的位移幾乎是線性的。所示的變化沿著X和Y軸，所述變化沒有固定的參考電容器。所述變化是一個梳驅動中電容值的增大與另一梳驅動中的相應減小之差。因此，在另一情況下，該值是值3C/C的兩倍。在實施例中，可以由兩個不同接口電路通過信號處理來獲得該值，以分別實現以上針對圖3和4所描述的關係。這些是可以由傳統的模擬或數字電路來實現的。在圖13中示出了相對於Z方向上的位移(例如，相對於諸如固定電容器之類的參考的差分電容)的第二變化值，所述第二變化值同樣基於仿真。因此，所述變化是(3C/C)。因此，與沿X或Y軸的相應變化相比，該曲線的線性更差。可以使用以上針對圖5描述的關係來執行用於獲得所述值的仿真。在實施例中，可以由信號處理電路來獲得所述值以實現所述關係。為了初始化或校準該裝置，可以出於校準目的來計算或測量相對於檢測質量塊位置的電容值變化。電容值相對於系統隨時間的位移(即，可移動感測電極隨時間的位移)而變化，並且這依賴於該裝置所體驗的加速度。利用特定頻率來感測電容值的變化，所述值的變化速率給出加速度。應注意，所述變化相對於檢測質量塊的位移幾乎是線性的。圖12所示的變化沿著X和Y軸；所述變化與固定參考電容器無關。所述變化是一個梳驅動中電容值的增大與另一梳驅動中的相應減小之差。即，進行相對測量。因此，與跟固定電容器比較的(或備選地，沒有參考)其他情況相比，所述值是電容變化速率值(3C/C)的兩倍。感測元件的結構可以感測在圓形旋轉中發生的位移，並且可用於根據已知的陀螺原理來確定角速度。可以如下說明對平面內旋轉軸中檢測質量塊的運動(位移)的感測。按照以上針對圖6和7所示的旋轉而描述的關係來執行對電容值變化的計算。基於仿真，圖14的曲線圖中示意了結果。在實施例中，接口電路可以配置用於使用傳統電路來實現所述關係以產生表示所述旋轉的信號。所述變化示出了在電容值沿著Z軸變化的情況下由於所示的工藝限制而導致的非線性曲線。該過程限制是由於移動部分與襯底之間的間隙而導致的，實際上該結構無法在不倒塌的情況下沿卜zl方向向矽移動較遠。可以使用第五梳驅動來幫助解決該限制。這是可以使用例如鋁(通常用於接觸焊盤)的頂層來實現的。該層可以用於第五梳驅動，並且可以在其餘設計不改變的情況下專用於z方向。彼此相鄰的四個梳將給出沿X和Y方向的位移，並且頂層上的第五梳驅動可以支配沿Z方向的位移。在本發明的任一實施例中，可以實現相對感測(即，在安裝於感測裝置上的傳感器元件之間的相對感測)或相對於固定電容器的感測。基於上述邏輯來推導出來自每個梳驅動的輸出組合。將通過接口系統來控制感測元件所提供的數據的解釋。設計的大小將支配針對具體應用的規範。用於解釋的處理邏輯將支配感測系統。存在多種加速度計，例如具有三個不同感測方向的壓電傳感器，然而電容傳感器本質上並不指示方向。熱仿真在-4(TC與12(TC之間仿真該結構。由於直到第六位移模式為止都沒有共振，所以溫度對該結構幾乎沒有影響。儘管後續的位移模式聲稱相比較而言在相對高頻率下的共振，然而在更高的位移模式下結構的熱靈敏度非常高，在15-16ppm廣C量級上。熱靈敏度的效應對於較高振動模式仍然是一致的。製造可以通過MEMS工藝步驟來集成感測元件，並且可以通過諸如PiCS工藝(無源集成連接襯底)之類的其他工藝步驟將接口電路集成在相同襯底上。該裝置製造工藝的示例可以具有以下參考圖15至42描述的步驟首先，在合適的襯底20(例如矽襯底)上沉積諸如TE0S層22之類的掩模層(圖15)。然後例如通過傳統的微刻(microlithogr即hic)方法和蝕刻工藝來圖案化TE0S層22以在TE0S層22上提供第一圖案23(圖16)，其中所述傳統的微刻方法包括沉積光致抗蝕劑、以光圖案照射所述抗蝕劑、用選擇性溶劑去除抗蝕劑層。然後在整個襯底上沉積光致抗蝕劑層24(圖17)，隨後通過以光圖案照射以及傳統的選擇性溶劑去除方法來將所述光致抗蝕劑層24圖案化，從而使TE0S層22上的第二圖案25外露(圖18)。光致抗蝕劑層24中第二圖案25的位置與TEOS層22中第一圖案23的位置不同。使用光致抗蝕劑層中的圖案25，通過蝕刻工藝在TE0S層22中形成第二圖案25'(圖19)。在第二圖案25的位置處去除TEOS層22。然後使用光致抗蝕劑層24和TEOS層22作為掩模來蝕刻襯底20，以形成溝槽，例如兩個溝槽26、27(圖20)。使用諸如DRIE工藝之類的各向異性蝕刻方法，從而提供較深的窄槽。然後通過傳統方式來去除光致抗蝕劑層24(抗蝕劑剝離)。這還使得TESO層22中的第一圖案23外露。然後，使用TE0S層22作為掩模使用各向異性蝕刻工藝(例如，通過DRIE工藝)來對襯底20進行蝕刻。現在在TEOS層22中第一和第二圖案23、25'位置處對襯底20進行蝕刻。在第一和第二圖案的位置處，在襯底20中分別形成溝槽28、29和26'、27'(圖22)。溝槽26'、27'比溝槽28、29深，這是因為在溝槽26'、27'的形成中有兩次蝕刻步驟從而提供了更深的電容器(PICS工藝)。隨後去除TEOS層22(圖23)。現在例如利用玻璃磷光體(例如，10ohm平方)對襯底20進行摻雜(圖24)。隨後，在整個襯底20上沉積諸如0N0層30之類的絕緣層以形成絕緣層30(圖25)。0N0層30被覆在溝槽26'、27';28、29的側部和底部而不填充這些溝槽。相應地，0N0層30在襯底20上以及在槽26'、27';28、29的壁和底部上形成了層。然後在整個襯底20上沉積多晶矽層32。多晶矽層32填充窄且較深的溝槽26、27而不是較寬且較淺的溝槽28、29(圖26)。然後使用傳統的微刻方法來圖案化多晶矽層32，例如沉積光致抗蝕劑、以光圖案來照射並隨後選擇性去除抗蝕劑層。僅在藉助於第二圖案25而形成的深溝槽26'、27'中留下多晶矽層32(圖27)，得到與這些溝槽相連接的頂部層34。然後在整個襯底20上沉積氧化層36，從而將絕緣層36塗覆到使用第二圖案25而形成的溝槽26'、27'上方的多晶矽34上，以及塗覆到使用第一圖案23而形成的溝槽28、29的壁和底部(圖28)上。具體地，在溝槽28的壁上沉積氧化層36以形成壁被覆層41。然後在整個襯底20上沉積多晶矽的厚層36。該厚多晶矽層填充溝槽28、29(圖29)。對該多晶矽層36進行修整，以在使用第一圖案23作為掩模而形成的溝槽28、29中留下多晶矽38、39(圖30)。現在例如利用玻璃磷光體(10omh平方)來對襯底20進行摻雜(圖31)。然後在整個襯底20上沉積光致抗蝕劑層40(圖32)，並利用傳統技術對該光致抗蝕劑層40進行圖案化，以在光致抗蝕劑層中形成與使用第一圖案23而形成的溝槽28、29之一的壁被覆層41對齊的開口42，S卩，所述開口42與在該溝槽的側部上沉積的垂直氧化層41對齊(圖33)。然後，例如使用溼蝕刻技術來去除使用第一圖案23而製成的第一溝槽28的壁和底部上的氧化物41。該蝕刻技術可以各向同性的，這導致了抗蝕劑層40下方多晶矽38兩側的底切43(圖34)。然後去除光致抗蝕劑層34(抗蝕劑剝離)(圖35)。然後在整個襯底20上沉積氮化矽層44(圖36)。然後在整個襯底上塗覆聚合物層46。對所述聚合物層46進行修整，使得將多晶矽38周圍的氧化層41先前佔用的體積去除(圖38)。在使用第一圖案23形成的另一溝槽29中的多晶矽39中形成接觸開口49。還在使用第二圖案25形成的溝槽26'、27'頂部的多晶矽層34中形成接觸開口48(圖39)。然後通過傳統的金屬化方法(例如，陰極金屬噴鍍)來塗覆金屬層50(圖40)。鋁可以用於金屬層50。然後使用傳統的微刻技術來圖案化金屬層50，以分別在使用第一圖案23形成的另外溝槽38、39中的多晶矽39上、以及在使用第二圖案25形成的溝槽26'、27'上方的多晶矽層34上形成接觸焊盤53、52(圖41)。金屬層50用於MEMS器件與電路其餘部分之間的接觸，同時可以將電路構造為MEMS器件。然後以另一方式(例如，通利用溶劑)來使剩餘的聚合物46蒸發或釋放，以釋放導電結構38(圖42)。[ono]結束注釋實施例中的一些通過針對旋轉和線性感測使用相同的感測元件，用將陀螺感測優點與高端多軸加速度計相結合的構思來代替兩個或更多感測元件來提供小型化。感測元件結構的重要結果是能夠將裝置的感測元件與接口和處理器相集成，以提供了一種可以更易於製造和/或更小並從而更節省成本的解決方案。採用滿足與該設計有關的每個參數的、用於生產MEMS器件的當前可用技術，可以使所提出的設計的實施例適於工業需求。來自接口及其處理器的輸出信號可以被開發為解釋由感測元件(如，MEMS元件)所傳遞的信息，以適於應用。如上所述，實施例可以用在除了與平面垂直的線性感測之外還需要低端陀螺感測效應的應用中。重要特徵可以包括該裝置具有採用隔離的梳驅動形式的四個感測元件。這些元件可以使用電容感測來感測位移。為了感測與襯底相同平面內關於軸的旋轉位移，描述了差分電容感測特徵。可以將檢測質量塊與梳驅動的電極相集成。可以提供參考電容器，以相對於固定電容器沿著Z軸和曲線(陀螺)進行感測。在本發明的範圍之內可以想到其他變體和示例。權利要求一種角位移和線性位移的多軸慣性傳感器，所述傳感器具有集成在平面襯底(12)上的三個或更多感測元件(18)，所述感測元件(18)中的每個感測元件具有輸出，所述輸出響應於沿著與襯底平面垂直的Z軸的位移、以及響應於平行於所述平面的位移，所述元件位於襯底的平面內兩個垂直軸X軸和Y軸兩側的襯底的不同部分處，所述感測元件還被定向在平面內的不同方向上，使得所述感測元件的輸出還響應於沿著X或Y軸的位移，所述輸出適於隨後得到沿著X、Y或Z軸中任何軸的線性位移以及關於X、Y或Z軸中任何軸的角位移。2.根據權利要求1所述的傳感器，所述感測元件包括MEMS感測元件。3.根據權利要求1或2所述的傳感器，所述質量塊包括針對每個感測元件的分立質量塊。4.根據權利要求3所述的傳感器，所述分立質量塊分布在感測元件的可移動部分上。5.根據前述任一權利要求所述的傳感器，具有布置在正方形象限處的四個感測元件(C1、C2、C3、C4)。6.根據權利要求5所述的傳感器，具有配置用於使用以下項目中的任何一項或更多項從四個感測元件的輸出(AC1、AC2、AC3、AC4)得到位移的電路如果AC2=AC4>ACl=AC3，則沿著X位移，如果ACl=AC3>AC2=AC4，則沿著Y位移，如果ACl=AC2=AC3=AC4，則沿著Z位移，如果AC2+AC3=AC1+AC4，則關於X旋轉，如果AC1+AC2=(-AC3+AC4)，則關於Y旋轉，如果AC1=-AC3且AC2=-AC4，則關於Z旋轉。7.根據權利要求5或6所述的傳感器，每個感測元件包括梳形可移動電極(IO)，所述梳形可移動電極(10)被相應形狀的固定電極所包圍。8.根據權利要求7所述的傳感器，所述四個感測元件中每個感測元件的梳形被定向為面向彼此呈直角的四個不同方向。9.根據前述任一權利要求所述的傳感器，所述感測元件包括電容感測元件。10.—種製造傳感器的方法，包括以下步驟在襯底(12)上形成平面感測元件(18)，所述平面感測元件(18)被定向在不同方向上以感測沿不同方向的位移；通過蝕刻以釋放感測元件的一部分，來形成可移動電極(10);以及在相同襯底上形成耦合至所述可移動電極的接口電路，所述接口電路配置用於將來自不同感測元件的位移信號相組合，以確定旋轉位移和多軸線性位移。全文摘要本發明公開了一種角位移和線性位移、速度或加速度的MEMS多軸慣性傳感器，包括集成在平面襯底(12)上的四個梳驅動電容感測元件(18)，每個梳驅動電容感測元件的輸出響應於沿著Z軸的位移、以及響應於沿著X或Y軸的位移。感測元件位於X軸和Y軸兩側的襯底的不同部分上，所述輸出適於隨後得到沿著X、Y或Z軸中任何軸的線性位移以及關於X、Y或Z軸中任何軸的角位移。需要更少的感測元件來在多方向上進行感測，使得裝置更節省成本或更小。從傳感器信號的組合來確定線性或角移動。文檔編號G01C19/56GK101755215SQ200880100050公開日2010年6月23日申請日期2008年7月15日優先權日2007年7月24日發明者法布裡斯·維爾修斯,阿爾基·吉裡德哈爾申請人:Nxp股份有限公司