具有摺疊扭力彈簧的mems傳感器的製作方法
2023-06-14 06:14:21 2
專利名稱：具有摺疊扭力彈簧的mems傳感器的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及一種微機電系統(MEMS)傳感器。更具體地，本發明涉及一種具有摺疊扭力彈簧的MEMS傳感器，用於減小尺寸並且減少對溫度引起的誤差的敏感性。
背景技術：
微機電系統(MEMS)傳感器廣泛使用在例如汽車、慣性制導系統、家用電器、各種設備的保護系統以及許多其它工業、科學和工程系統的應用中。這種MEMS傳感器用於感測例如加速度、壓力、轉角或溫度等物理狀態，並且提供所感測物理狀態的電信號表示。由於成本相對較低，容性傳感MEMS的設計對於在加速度和轉角環境中以及在小型設備中的操作是特別期望的。容性加速計感測相對於加速度的電容的改變，從而改變帶電電路的輸出。加速計的一種普通形式是具有「蹺蹺板」或「鞦韆」結構的兩層容性傳感器。 這種通常利用的傳感器類型使用基板上方在z軸加速度下轉動的可動部件或板。加速計結構能夠測量兩個不同的電容值，從而確定差分或相對電容值。圖I示出了現有技術的適於感測z軸加速度的MEMS容性加速計20的頂視圖。加速計20配置成傳統的鉸鏈和「蹺蹺板」類型的傳感器。容性加速計20包括具有基本平坦表面的基底22。電極部件24和26 (以虛線形式示出)形成在基底22的平坦表面上。此外，懸置錨28形成在基底22的平坦表面上。可動部件30，通常稱為「檢驗塊」，通過一個或多個旋轉彎曲部分柔性地懸置在基底22之上，該旋轉彎曲部分通常稱為扭力彈簧32，其將可動部件30與懸置錨28相互連接。如圖所示，開口 34延伸通過可動部件30，懸置錨28沿可動部件30的旋轉軸36位於開口 34的基本中心位置。可動部件30適於響應於加速度繞旋轉軸36旋轉，從而相對於下面的電極部件24 和26改變其位置。更具體地，響應於施加到可動部件30的z軸加速度，扭力彈簧32受到繞它們的軸的扭轉(即，剪切應力)。這種位置的改變導致了一系列的電容，這些電容的差， 即差分電容值，指示了加速度。典型地，扭力彈簧32是具有適當彈簧常數的直條，其允許可動部件30繞旋轉軸36旋轉並且返回到其中性位置。
發明內容
根據以上以及其他方面，本發明的一方面提供了一種微機電系統MEMS傳感器，包括基底；可動部件，在所述基底的表面之上以間隔開的關係布置；懸置錨，形成在所述基底的所述表面上；第一摺疊扭力彈簧，使得所述可動部件與所述懸置錨相互連接；以及第二摺疊扭力彈簧，使得所述可動部件與所述懸置錨相互連接，所述第一和第二摺疊扭力彈簧具有基本相同的形狀，並且所述第二摺疊扭力彈簧基本上被取向為相對於所述第一摺疊扭力彈簧繞所述懸置錨的質心旋轉對稱。本發明的另一方面提供了一種包括微機電系統MEMS傳感器的設備,所述MEMS傳感器包括基底；可動部件，在所述基底的表面之上以間隔開的關係布置，所述可動部件適於相對於位於所述可動部件的第一和第二端部之間的旋轉軸運動；懸置錨，形成在所述基底的所述表面上，所述懸置錨具有位於所述旋轉軸上的質心；第一摺疊扭力彈簧，使得所述可動部件與所述懸置錨相互連接；以及第二摺疊扭力彈簧，使得所述可動部件與所述懸置錨相互連接，所述第一和第二摺疊扭力彈簧具有基本相同的形狀，所述第二摺疊扭力彈簧基本上被取向為相對於所述第一摺疊扭力彈簧繞所述懸置錨的所述質心旋轉對稱，並且所述第一和第二摺疊扭力彈簧中的每一個包括基本上平行於所述旋轉軸排列的多個段，所述段通過條部件以蛇形連結在一起。本發明的另一方面提供了一種微機電系統MEMS傳感器,包括基底；可動部件,在所述基底的表面之上以間隔開的關係布置，所述可動部件包括延伸穿過所述可動部件的開口，所述開口由所述可動部件的內邊緣部分界定，並且所述可動部件適於相對於位於所述可動部件的第一和第二端部之間的旋轉軸運動；懸置錨，形成在所述基底的所述表面上並且在所述開口中居中；第一摺疊扭力彈簧，使得所述可動部件與所述懸置錨相互連接並且配置為基本上平行於所述旋轉軸，所述第一疊扭力彈簧具有耦合到所述懸置錨第一側面的第一端部和耦合到所述可動部件的所述內邊緣部分的第二端部；以及第二摺疊扭力彈簧， 使得所述可動部件與所述懸置錨相互連接並且配置為基本上平行於所述旋轉軸，所述第二摺疊扭力彈簧具有耦合到所述懸置錨第二側面的第三端部和耦合到所述可動部件的所述內邊緣部分的第四端部，所述懸置錨的第二側面與所述第一側面相對，所述第一和第二摺疊扭力彈簧具有基本相同的形狀，並且所述第二摺疊扭力彈簧基本上被取向為相對於所述第一摺疊扭力彈簧繞所述懸置錨的質心旋轉對稱。
當結合附圖考慮時，參考具體實施方式
和權利要求可以得到本發明的更完全的理解，其中整個附圖部分中同樣的參考標記代表類似的部件，並且圖I示出了現有技術中適於感測z軸加速度的MEMS容性加速計的頂視圖；圖2示出了包括在根據實施例的設備中的MEMS傳感器的頂視圖；圖3示出了圖2的MEMS傳感器的側視圖；以及圖4示出了圖2的MEMS傳感器的部分頂部放大圖。
具體實施例方式在一個方面，微機電系統(MEMS)傳感器包括使可動部件，即檢驗塊懸置在下面的基底之上的多段摺疊扭力彈簧。在另一方面，多段摺疊扭力彈簧的目的在於最小化由於熱誘發的應力而導致的測量誤差。可以使用現有的MEMS製造工藝製造這種具有摺疊扭力彈簧的MEMS傳感器。從而，包含在MEMS傳感器中的扭力彈簧實現了精確、尺寸緊湊以及成本有效製造的設計目標。參考附圖2-4，圖2示出了根據實施例的包含在設備42中的MEMS傳感器40的頂視圖。圖3示出了 MEMS傳感器40的側面剖視圖，圖4示出了 MEMS傳感器40的部分放大的頂視圖。加速計形式的MEMS傳感器40適於感測箭頭44表示的z軸加速度，並且構造成 「蹺蹺板」型傳感器。設備42可以包括多個其中可能需要加速度測量的設備中的任意一個。 這些設備包括，例如汽車系統、慣性制導系統、家用電器、各種設備的保護系統、手提計算和電信設備、手持式遊戲控制器，以及許多其它工業、科學和工程系統中。
MEMS傳感器40包括具有基本平坦的表面48的基底26。電極部件50和52以及懸置錨54形成在基底46的平坦表面48上。可動部件56以間隔開的關係位於在基底46 的平坦表面48上方。更具體地，MEMS傳感器40包括第一摺疊扭力彈簧58和第二摺疊扭力彈簧60,其使可動部件56和懸置錨54相互連接,從而可動部件56懸置在基底46之上。 可以使用現有的和將有的MEMS製造設計規則和工藝形成MEMS傳感器40的組件，該工藝包括例如沉積、圖案化以及蝕刻。如圖所示，開口 62延伸通過可動部件56並且由可動部件56的內邊緣部分63界定。懸置錨54沿可動部件56的第一端部68和第二端部70之間的可動部件56的旋轉軸 66位於開口 58的大約中心位置64。當為了操作為蹺蹺板型加速計時，在旋轉軸66 —側上的可動部件56的第一部分 72被形成為具有比旋轉軸66的另一側上的可動部件56的第二部分74相對更大的質量。 在示例性實施例中，第一部分72的更大質量可以通過偏置旋轉軸66而產生，使得第一部分 72比第二部分74長。雖然，第一部分72和第二部分74之間的質量差是通過旋轉軸66的偏置而形成的，在可選實施例中，這種質量差可以通過由另外的材料層增加第一部分72的質量、通過相對於第一部分72從第二部分74去除質量等方式來實現。可動部件56適於響應於加速度44繞旋轉軸66旋轉，從而相對於下面的感測電極部件50和52改變其位置。這種位置的改變導致一系列的電容值，這些電容值的不同，即差分電容值，指示了加速度44。第一和第二摺疊扭力彈簧58和60中的每一個分別具有基本相同的形狀和相似的尺寸，其包括基本上平行於旋轉軸66排列的多個段76。彈簧58和60中每一個的各段76 通過條部件78以蛇形連結在一起。在圖示的示例中，第一和第二扭力彈簧58和60中的每一個包括三段76。然而，另一摺疊結構可以包括多於三段76。在實施例中，條部件78基本垂直於旋轉軸66，但平行於基底46的平坦表面48。具體地如在圖4的放大頂視圖中示出的，每個條部件78表現出長度80，其明顯地小於每個段 76的長度82。因此，條部件78的材料特性並不對第一和第二摺疊扭力彈簧58和60的扭轉能力起很大貢獻。而是，平行於旋轉軸66配置的每個段76的共同組合產生了使得可動部件56響應於加速度44繞旋轉軸66旋轉的期望效果。並且，每個段76的長度82的和確實產生了與同樣總長度的(例如扭力彈簧32(圖I))的直條扭力彈簧基本相同的扭力彈簧常數。然而，由於三段76的「摺疊」結構，第一和第二扭力彈簧58和60中的任一個所佔的物理空間基本是表現出同樣扭力彈簧常數的傳統直條扭力彈簧的三分之一。MEMS傳感器的應用需要較低的偏移溫度係數(TCO)規格。TCO是熱應力影響半導體設備(例如MEMS傳感器)性能多少的度量。高的TCO指示了相應高的熱誘發應力，或表明MEMS設備對這種應力非常敏感。MEMS傳感器應用的封裝經常使用具有不同熱膨脹係數的材料。從而，可能在製造或操作過程中發展出不期望的高TC0。另外，應力可能是由於在終端應用中焊接封裝的半導體設備到印刷電路板上引起的。MEMS設備的應力和材料特性的組合可能會導致基底46的應變，即變形。懸置錨54也可能會通過下面的基底46經歷這種應變或變形。懸置錨54的應變可能會導致可動部件56繞旋轉軸56的一些旋轉，導致測量的不精確，從而不利於影響了容性加速計40的輸出。根據現有技術，MENS傳感器中的部件典型地根據反射對稱原理配置，其中相對於對稱軸配置部件。對稱軸是在幾何圖形中的線，該線將圖形分割成兩部分，從而當沿對稱軸摺疊時一部分與另一部分重合。現有技術的MEMS傳感器20 (附圖I)的組件是按照反射對稱布置的。不幸地，反射對稱的假設布置由於TCO的影響可能會導致不期望的高應變和測量不準確。因此，第一和第二摺疊扭力彈簧並不根據反射對稱配置。相反，如圖2所示，第二摺疊扭力彈簧60基本上被取向為相對於第一摺疊扭力彈簧58繞懸置錨54的質心84旋轉對稱，從而抵消導致測量不精確的懸置錨54處的應變問題。這裡使用的術語「旋轉對稱」 是指第二摺疊扭力彈簧60相對於第一摺疊扭力彈簧58繞質心84旋轉的配置，但是和第一摺疊扭力彈簧58 「看起來仍然是一樣的」。也就是說，第一摺疊扭力彈簧58上的每個點都具有在第二摺疊扭力彈簧60上距質心84的距離相同的匹配點，但是在相反的方向上。這種旋轉對稱在圖2中由箭頭85表不。在實施例中,第二摺疊扭力彈簧60位於相對於第一摺疊扭力彈簧58繞懸置錨54的質心84旋轉大約180度的取向上。這種配置有時被成為 「二度旋轉對稱」。第一摺疊扭力彈簧58具有耦合到懸置錨54的第一側面88的端部86和耦合到可動部件56的內邊緣部分63的另一端部90。類似的，第二摺疊扭力彈簧60具有耦合到懸置錨54的第二側面94的端部92,懸置錨54的第二側面94與懸置錨54的第一側面88相對。第二摺疊扭力彈簧60的另一端部96也耦合到可動部件的內邊緣部分63。在圖示的實施例中，第一摺疊扭力彈簧58的端部86和90並不相互對齊。相反，它們相對於對稱軸66 彼此橫向偏移。類似地，第二摺疊扭力彈簧60的端部92和96相對於對稱軸66彼此橫向偏移。由於第一和第二扭力彈簧58和60的旋轉對稱配置，第一摺疊扭力彈簧58的端部 86和第二摺疊扭力彈簧60的端部92中的每一個都耦合到懸置錨54，第一摺疊扭力彈簧58 的端部86和第二摺疊扭力彈簧60的端部92離開對稱軸66並且位於對稱軸66的相對側上相等的距離98。從而，通過懸置錨54經歷的第一摺疊扭力彈簧58的端部86處的任何應變被通過懸置錨54經歷的第二摺疊扭力彈簧60的端部92處的基本相等和相反的應變平衡了。因此，這種旋轉對稱配置有效地消除了由於TCO影響而導致的測量誤差。在實施例中，第一和第二摺疊扭力彈簧58和60分別具有相應的端部86和92，其從旋轉軸66偏移並且位於旋轉軸66的相對側。然而，應該可以理解，在可選實施例中，兩個摺疊扭力彈簧連接到懸置錨54的點可以位於旋轉軸66上，而摺疊彈簧連接到可動部件 56的點可以離開旋轉軸66並且位於旋轉軸66的相對側上相等的距離。在又一可選實施例中，只要摺疊扭力彈簧被取向為相對於彼此旋轉對稱，那麼每個摺疊扭力彈簧的任意端部都不需要位於旋轉軸66上。這裡描述的實施例包括微機電系統(MEMS)傳感器，其包括使可動部件(即校驗塊)懸置在下面的基底之上的多段摺疊扭力彈簧。多段摺疊扭力彈簧實現了相對於具有相同扭力彈簧常數的直條扭力彈簧減小的尺寸。另外，多段摺疊扭力彈簧相對於旋轉軸取向以最小化由於熱誘發應力引起的測量誤差。彈簧取向是基於旋轉對稱的，其中一個摺疊扭力彈簧相對於另一摺疊扭力彈簧取向使得一個摺疊扭力彈簧上的每個點在另一摺疊扭力彈簧上都具有距懸置錨的質心距離相同的匹配點，但方向相反。從而，多段摺疊扭力彈簧可以被實現在具有更小總面積同時符合嚴格的TCO規格的MEMS傳感器設計中。此外，這種 MEMS傳感器可以很容易地被實現為使用現有製造工藝的低成本、緊湊、單管芯傳感器。
雖然已經詳細描述了本發明的優選實施例，在不脫離本發明精神和如下權利要求的範圍下做出各種變形對本領域技術人員是很明顯。例如，摺疊扭力彈簧可以被形成為與所描述的不同的段的數量和/或段的形狀，只要它們是相對於彼此旋轉對稱配置的。
權利要求
1.一種微機電系統MEMS傳感器,包括基底；可動部件，在所述基底的表面之上以間隔開的關係布置；懸置錨，形成在所述基底的所述表面上；第一摺疊扭力彈簧，使得所述可動部件與所述懸置錨相互連接；以及第二摺疊扭力彈簧，使得所述可動部件與所述懸置錨相互連接，所述第一和第二摺疊扭力彈簧具有基本相同的形狀，並且所述第二摺疊扭力彈簧基本上被取向為相對於所述第一摺疊扭力彈簧繞所述懸置錨的質心旋轉對稱。
2.如權利要求I所述的MEMS傳感器，其中所述第二摺疊扭力彈簧位於相對於所述第一摺疊扭力彈簧繞所述懸置錨的所述質心旋轉大約180度的取向上。
3.如權利要求I所述的MEMS傳感器，其中所述可動部件適於相對於位於所述可動部件的第一和第二端部之間的旋轉軸運動；所述懸置錨的質心位於所述旋轉軸上；所述第一摺疊扭力彈簧具有耦合到所述懸置錨的第一端部；並且所述第二摺疊扭力彈簧具有耦合到所述懸置錨的第二端部，所述第一和第二端部中的每一個離開所述旋轉軸並且位於所述旋轉軸的相對側上基本相同的距離。
4.如權利要求I所述的MEMS傳感器，其中所述可動部件適於相對於位於所述可動部件的第一和第二端部之間的旋轉軸運動；以及所述第一和第二摺疊扭力彈簧中的每一個基本上平行於所述旋轉軸配置。
5.如權利要求I所述的MEMS傳感器，其中所述可動部件適於相對於位於所述可動部件的第一和第二端部之間的旋轉軸運動； 所述第一和第二摺疊扭力彈簧中的每一個包括基本上平行於所述旋轉軸排列的多個段，所述段通過條部件以蛇形連結在一起。
6.如權利要求5所述的MEMS傳感器，其中所述條部件中的每一個表現出第一長度，所述第一長度小於所述段的第二長度。
7.如權利要求5所述的MEMS傳感器，其中所述第一和第二摺疊扭力彈簧中的所述每一個包括至少三段。
8.如權利要求I所述的MEMS傳感器，其中所述可動部件包括延伸穿過所述可動部件的開口，所述開口由所述可動部件的內邊緣部分界定；所述懸置錨在所述開口中居中；所述第一摺疊扭力彈簧具有耦合到所述懸置錨第一側面的第一端部和耦合到所述可動部件的所述內邊緣部分的第二端部；以及所述第二摺疊扭力彈簧具有耦合到所述懸置錨的第二側面的第三端部和耦合到所述可動部件的所述內邊緣部分的第四端部，所述懸置錨的第二側面與所述第一側面相對。
9.如權利要求I所述的MEMS傳感器，其中所述可動部件適於相對於位於所述可動部件的第一和第二端部之間的旋轉軸運動；並所述傳感器進一步包括配置在所述可動部件下方位於所述基底上的感測部件，所述感測部件適於檢測所述可動部件繞所述旋轉軸沿垂直於所述基底的平面的軸從第一位置到第二位置的運動。
10.一種包括微機電系統MEMS傳感器的設備，所述MEMS傳感器包括基底；可動部件，在所述基底的表面之上以間隔開的關係布置，所述可動部件適於相對於位於所述可動部件的第一和第二端部之間的旋轉軸運動；懸置錨，形成在所述基底的所述表面上，所述懸置錨具有位於所述旋轉軸上的質心； 第一摺疊扭力彈簧，使得所述可動部件與所述懸置錨相互連接；以及第二摺疊扭力彈簧，使得所述可動部件與所述懸置錨相互連接，所述第一和第二摺疊扭力彈簧具有基本相同的形狀，所述第二摺疊扭力彈簧基本上被取向為相對於所述第一摺疊扭力彈簧繞所述懸置錨的所述質心旋轉對稱，並且所述第一和第二摺疊扭力彈簧中的每一個包括基本上平行於所述旋轉軸排列的多個段，所述段通過條部件以蛇形連結在一起。
11.如權利要求10所述的設備，其中所述第二摺疊扭力彈簧位於相對於所述第一摺疊扭力彈簧繞所述懸置錨的所述質心旋轉大約180度的取向上。
12.如權利要求10所述的設備，其中每個所述條部件表現出第一長度，所述第一長度小於所述段的第二長度。
13.如權利要求10所述的設備，其中所述第一和第二摺疊扭力彈簧中的所述每一個包括至少三段。
14.如權利要求10所述的設備，其中所述可動部件包括延伸穿過所述可動部件的開口，所述開口由所述可動部件的內邊緣部分界定；所述懸置錨在開口中居中；所述第一摺疊扭力彈簧具有耦合到所述懸置錨第一側面的第一端部和耦合到所述可動部件的所述內邊緣部分的第二端部；並且所述第二摺疊扭力彈簧具有耦合到所述懸置錨第二側面的第三端部和耦合到所述可動部件的所述內邊緣部分的第四端部，所述懸置錨的第二側面與所述第一側面相對。
15.如權利要求10所述的設備，其中所述MEMS傳感器進一步包括配置在所述可動部件下方位於所述基底上的感測部件，所述感測部件適於檢測所述可動部件繞所述旋轉軸沿垂直於所述基底的平面的軸從第一位置到第二位置的運動。
16.—種微機電系統MEMS傳感器,包括基底；可動部件，在所述基底的表面之上以間隔開的關係布置，所述可動部件包括延伸穿過所述可動部件的開口，所述開口由所述可動部件的內邊緣部分界定，並且所述可動部件適於相對於位於所述可動部件的第一和第二端部之間的旋轉軸運動；懸置錨，形成在所述基底的所述表面上並且在所述開口中居中；第一摺疊扭力彈簧，使得所述可動部件與所述懸置錨相互連接並且配置為基本上平行於所述旋轉軸，所述第一疊扭力彈簧具有耦合到所述懸置錨第一側面的第一端部和耦合到所述可動部件的所述內邊緣部分的第二端部；以及第二摺疊扭力彈簧，使得所述可動部件與所述懸置錨相互連接並且配置為基本上平行於所述旋轉軸，所述第二摺疊扭力彈簧具有耦合到所述懸置錨第二側面的第三端部和耦合到所述可動部件的所述內邊緣部分的第四端部，所述懸置錨的第二側面與所述第一側面相對，所述第一和第二摺疊扭力彈簧具有基本相同的形狀，並且所述第二摺疊扭力彈簧基本上被取向為相對於所述第一摺疊扭力彈簧繞所述懸置錨的質心旋轉對稱。
17.如權利要求16所述的MEMS傳感器，其中所述第二摺疊扭力彈簧位於相對於所述第一摺疊扭力彈簧繞所述懸置錨的所述質心旋轉大約180度的取向上。
18.如權利要求16所述的MEMS傳感器，其中所述懸置錨的質心位於所述旋轉軸上；以及相應的第一和第二摺疊扭力彈簧的所述第一和第三端部中的每一個離開所述旋轉軸並且位於所述旋轉軸的相對側上基本相同的距離。
19.如權利要求16所述的MEMS傳感器，其中所述第一和第二摺疊扭力彈簧中的每一個包括平行於所述旋轉軸排列的至少三段，所述段通過條部件以蛇形連結在一起，每個所述條部件表現出第一長度，所述第一長度小於所述段的第二長度。
20.如權利要求16所述的MEMS傳感器，進一步包括配置在所述可動部件下方位於所述基底上的感測部件，所述感測部件適於檢測所述可動部件繞所述旋轉軸沿垂直於所述基底的平面的軸從第一位置到第二位置的運動。
全文摘要
本發明公開了具有摺疊扭力彈簧的MEMS傳感器。一種微機電系統(MEMS)傳感器(40)包括基底(46)和形成在基底(46)的平坦表面(48)上的懸置錨(54)。第一摺疊扭力彈簧(58)和第二摺疊扭力彈簧(60)使可動部件(56)與懸置到基底(46)之上的可動部件(56)的懸置錨(54)相互連接。摺疊扭力彈簧(58，60)每個都由多段(76)形成，該多段由條部件(78)以蛇形連接到一起。摺疊扭力彈簧(58，60)具有相同的形狀並且在相對於彼此繞懸置錨(54)的重心質心(84)旋轉對稱的方向上。
文檔編號B81B3/00GK102602875SQ201210017188
公開日2012年7月25日 申請日期2012年1月19日 優先權日2011年1月24日
發明者A·C·邁克奈爾, G·G·李 申請人:飛思卡爾半導體公司