具有針對熱力學應力低敏感度的微機電結構制造技術

本發明專利技術涉及微機電結構，并且更具體地涉及通過采用并調整用于將可移動的檢驗質量塊連接至錨固部的彈性元件來補償熱力學應力影響的系統、裝置和方法。檢驗質量塊通過相對于可移動的質量塊旋轉軸線平移和傾斜而對加速度作出響應。熱力學應力在制造、包裝和組裝的過程中或者在結構的整個壽命內在結構中累積。應力造成了檢驗質量塊上的位移。多個彈性元件連接成支承檢驗質量塊。這些彈性元件的幾何形狀和結構被調整以減小由熱力學應力造成的位移。

【技術實現步驟摘要】
具有針對熱力學應力低敏感度的微機電結構
本專利技術涉及微機電結構，并且更具體地講本專利技術涉及通過采用并調節彈性元件來補償熱力學應力的影響的系統、裝置和方法，其中所述彈性元件被用于耦聯微機電結構內所包含的可移動的檢驗質量塊與錨固部。
技術介紹
微機電結構廣泛用作為傳感器，以檢測加速度、旋轉、壓力、溫度以及多種其它物理參數。微機電結構通常利用導致幾個微米特征結構尺寸的微機加工工藝在硅基材上被形成。此類小型化的裝置可以將機械運動轉換成電特征。一種典型的微機電結構是微機加工的電容式加速度計，其包括在硅基材上方懸置的檢驗質量塊。圖1A示出了z軸電容式加速度計100，并且圖1B示出了該加速度計針對面外加速度的響應150。z軸電容式加速度計100具有可移動的檢驗質量塊102，該檢驗質量塊經由錨固部106錨固至基材104。電極在檢驗質量塊102以及靜止的基材這兩者上形成，從而兩個電容器108A和108B形成并且在錨固部106的兩側設置。響應于沿z軸的面外加速度，檢驗質量塊102相對于其旋轉軸線106傾斜。檢驗質量塊102與對應的電極110A和110B之間的間隙不同地發生變化，并且導致了電容器108A與108B之間的不匹配。這種電容的不匹配通過接口電路被處理，以輸出表明面外加速度幅度的信號。即使沒有面外加速度施加，熱力學應力也可以向輸出引入固有偏移或偏差。在理想的情況中，電容器108A與108B之間的電容不匹配應當僅僅與面外加速度相關，并且在沒有涉及面外加速度時，這種電容不匹配不會出現。然而，在焊接和包裝的過程中，熱力學應力可以在基材104中聚集，不可避免地造成了基材卷邊。在這種卷邊相對于錨固部106是對稱的時，電容器間隙變化碰巧抵消并且導致了電容器108A與108B之間沒有電容不匹配。在多數情況中，基材卷邊是非對稱的。與電容器的靠近程度無關，電容器108A和108B的間隙變化總是不同的。這種非對稱的間隙變化從接口電路被引入到最終的輸出中，并且導致了所檢測的加速度中的偏移以及加速度計100的靈敏度偏差。顯然地，電容式加速度計100的裝置性能由于基材104中的熱力學應力而被折衷。這種性能降級通常由這樣的微機電結構所享有，其中所述微機電結構依賴用于檢測和轉換機械運動的懸置的檢驗質量塊。存在在制造、包裝、組裝以及有效期操作過程中在基材104中累積的熱力學應力補償的需求。
技術實現思路
本專利技術的不同實施例涉及微機電結構，并且更具體地涉及通過采用并調整用于將在微機電結構內包含的可移動的檢驗質量塊和錨固部相連的彈性元件來補償熱力學應力影響的系統、裝置和方法。本專利技術的一個方面為微機電結構，其包括基材、檢驗質量塊、至少一個錨固部和多個彈性元件。檢驗質量塊在所述基材上方懸置，所述檢驗質量塊通過相對于位于其所在平面中的可移動的質量塊旋轉軸線平移和傾斜而對加速度作出響應。至少一個錨固部在所述基材上固定，所述至少一個錨固部被連接成支承所述檢驗質量塊。所述彈性元件在所述至少一個錨固部與所述檢驗質量塊之間連接，以支承檢驗質量塊。這些彈性元件的幾何形狀和結構被調整成減少由熱力學應力導致的檢驗質量塊的位移。本專利技術的一個方面為補償微機電結構內累積的熱力學應力的方法。首先確定在所述結構內累積的熱力學應力的程度。所述熱力學應力使得檢驗質量塊出現位移，其中所述檢驗質量塊通過相對于可移動的質量塊旋轉軸線平移和傾斜而對加速度作出響應。隨后根據熱力學應力的程度確定偏移值和靈敏度偏差，并且這些值與通過所述結構響應于所述加速度而產生的輸出相關。調整多個彈性元件的幾何形狀和結構，以補償所述偏移值和靈敏度偏差。本專利技術的一個方面為面外加速度計。檢驗質量塊在所述基材上方懸置，并且通過相對于位于其所在平面中的可移動的質量塊旋轉軸線平移和傾斜而對沿z軸線的加速度作出響應。彈性元件連接成支承檢驗質量塊，并且彈性元件的幾何形狀和結構被調整成減少在檢驗質量塊的兩側由熱力學應力導致的位移。本專利技術的特定特征和優點已經在該
技術實現思路
部分中被大體上描述；然而，附加的特點、優點和實施例在此提出或者考慮到附圖、說明書及其權利要求書將對本領域技術人員是明顯的。因此，應當理解本專利技術的范圍并不由
技術實現思路
部分中所公開的具體實施例限制。附圖說明將參看本專利技術的實施例，其實例在附圖中示出。這些附圖是示意性的、而非限制性的。雖然本專利技術以這些實施例的方式大體上被描述，但是應當清楚并不打算將本專利技術的范圍限于這些具體的實施例。圖1A示出了z軸電容式加速度計，并且圖1B示出了該加速度計針對面外加速度的響應；圖2A和圖2B示出了根據本專利技術的不同實施例的面外加速度計的示意性俯視圖以及示意性剖視圖；圖3A至3C根據本專利技術不同實施例的在電容器間隙上基材卷邊的影響；圖4A示出了根據本專利技術的不同實施例的T形彈性元件的示意圖；圖4B示出了根據本專利技術的不同實施例的T形彈性元件的另一示意圖；圖4C示出了根據本專利技術的不同實施例的在一個臂上采用迂回部的T形彈性元件；圖5示出了面外加速度計的示意圖，其中該面外加速度計根據本專利技術的實施例節約了芯片資產；圖6示出了根據本專利技術的不同實施例的補償熱力學應力的方法的流程圖。具體實施方式在以下的說明中，出于解釋的目的，提出了具體的細節從而提供本專利技術的理解。然而，應當清楚本領域技術人員將理解本專利技術如下所述的實施例可以以不同的方式并且利用各種質量塊被執行。本領域技術人員還將清楚附加的改進、應用以及實施例是在本專利技術的范圍內，就像是本專利技術可以提供應用的附加領域。因此，以下描述的實施例是本專利技術的具體實施例的示意性說明并且意味著避免使本專利技術難以理解。在說明書中參看“一個實施例”或“實施例”意味著結合實施例所描述的具體特征、結構、特性或功能被包括在本專利技術的至少一個實施例中。在說明書中不同地方處出現的短語“在一個實施例中”或“在實施例中”等并不必全都指的是同一實施例。此外，在附圖中各部件之間的或各方法步驟之間的連接并不限于直接實現的連接。實際上，在不脫離本專利技術的教導的前提下，在附圖中示出的各部件之間的或各方法步驟之間的連接可以被改型或者通過對其附加中間部件或方法步驟而改變。本專利技術的不同實施例涉及微機電結構（MEMS），并且更具體地講涉及通過采用并調節彈性元件來補償熱力學應力的影響的系統、裝置和方法，其中所述彈性元件被用于耦聯微機電結構內所包含的可移動的檢驗質量塊與錨固部。結構中的熱力學應力源自于結構的整個壽命中或制造、包裝以及組裝過程中所經歷的溫度變化。熱力學應力可以對結構中所包含的不同部分的位置產生影響，并且因此可移動的檢驗質量塊經受不同的相對位移。諸如靈敏度的裝置性能、結構的偏移和全刻度量程可以從根本上被折衷。這種熱力學應力影響大多數基于MEMS的傳感器，這是因為在傳感器的制造過程中或者在傳感器的整個壽命中溫度變化不可避免。在本專利技術的公開內容中，z軸面外加速度計被用作為一個具體實施例，以說明依賴彈性元件的結合與調節的應力補償系統、裝置和方法。圖2A和2B示出了根據本專利技術的不同實施例的面外加速度計200的示意性俯視圖以及示意性剖視圖。面外加速度計包括可移動的檢驗質量塊（movableproofmass）202，該可移動的檢驗質量塊借助于彈性元件204A和204B錨固至基材250。彈性元件204A和204B被構造成補償由本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種微機電結構，其包括：基材；在所述基材上方懸置的檢驗質量塊，所述檢驗質量塊通過相對于位于其所在平面中的可移動的質量塊旋轉軸線平移和傾斜而對加速度作出響應；至少一個在所述基材上固定的錨固部，所述至少一個錨固部被連接成支承所述檢驗質量塊；以及多個彈性元件，所述彈性元件在所述至少一個錨固部與所述檢驗質量塊之間連接，所述多個彈性元件的幾何形狀和結構被調整成減少由熱力學應力導致的檢驗質量塊的位移。

【技術特征摘要】
2012.12.05 US 13/705,6801.一種微機電結構，其包括：基材；在所述基材上方懸置的檢驗質量塊，所述檢驗質量塊通過相對于位于其所在平面中的可移動的質量塊旋轉軸線平移和傾斜而對加速度作出響應；至少一個在所述基材上固定的錨固部，所述至少一個錨固部被連接成支承所述檢驗質量塊；以及多個彈性元件，所述彈性元件在所述至少一個錨固部與所述檢驗質量塊之間連接，所述多個彈性元件的幾何形狀和結構被調整成減少由熱力學應力導致的檢驗質量塊的位移，所述多個彈性元件中的第一組彈性元件與第二組彈性元件被布置成從兩個相反側支承所述檢驗質量塊，所述第一組彈性元件和所述第二組彈性元件的幾何形狀和結構相對于一中心線彼此鏡像，其中所述中心線垂直于所述可移動的質量塊旋轉軸線并經過所述檢驗質量塊的中心。2.根據權利要求1所述的微機電結構，其特征在于，還包括兩個在可移動的質量塊旋轉軸線的兩側連接至基材的電極，所述兩個電極與所述檢驗質量塊形成兩個單獨的電容器，這兩個電容器的電容之間的不匹配與加速度和熱力學應力這兩者相關。3.根據權利要求1所述的微機電結構，其特征在于，所述微機電結構被應用成檢測垂直所述檢驗質量塊所在平面的面外加速度。4.根據權利要求1所述的微機電結構，其特征在于，所述多個彈性元件中的至少一個彈性元件是T形元件，該T形元件的腿在所述檢驗質量塊上相連，并且該T形元件的臂在所述至少一個錨固部上錨固。5.根據權利要求4所述的微機電結構，其特征在于，所述T形元件的臂位于所述可移動的質量塊旋轉軸線的相反兩側，并且彼此采用不同的寬度和長度。6.根據權利要求4所述的微機電結構，其特征在于，所述T形元件的臂位于所述可移動的質量塊旋轉軸線的相反兩側，并且采用呈錐形的寬度，其中所述呈錐形的寬度與有區別的錐角相關。7.根據權利要求4所述的微機電結構，其特征在于，所述T形元件的至少一個臂包括至少一個迂回結構。8.根據權利要求1所述的微機電結構，其特征在于，所述檢驗質量塊沿著所述可移動的質量塊旋轉軸線在所述多個彈性元件所連接的耦聯部位處凹設。9.根據權利要求8所述的微機電結構，其特征在于，所述檢驗質量塊在針對所述至少一個錨固部的部位處被進一步凹設，以使得所述至少一個錨固部和所述多個彈性元件都被包含在所述檢驗質量塊的輪廓內。10.一種補償如權利要求1至9任一所述的微機電結構內累積的熱力學應力的方法，其包括以下步驟：確定在所述結構內累積的熱力學應力的程度，所述熱力學應力使得檢驗...

【專利技術屬性】
技術研發人員：B·西蒙尼，L·科洛納多，G·卡薩尼卡，
申請(專利權)人：馬克西姆綜合產品公司，
類型：發明
國別省市：美國;US