具有可离开平面运动的移动质量块的微机电装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种微机电系统，或称为MEMS，尤其涉及一种力传感器型的微机电结 构，其中形成力传感器的可变形元件和测量仪受到保护而免于因施于力传感器上的强机械 力造成的破损。
[0002] 本发明特别应用于，例如，加速计、陀螺仪、和磁力计，或甚至是压力传感器，和更 广泛的任何具有可根据力产生位移的部分，以实现对多种性质的力进行测量的装置。
【背景技术】
[0003] 自从精密刻蚀和生长技术投入使用，特别是，在微电子中的应用的出现，制造微米 级和纳米级的电机或传感器的可能成为现实。这种装置由于其多种应用，在传感器领域，也 同样在发射器、致动器、或被动器件中引起了人们的极大兴趣。它们例如被用于汽车产业、 航空、或手机，以替代更庞大的肉眼看见的装置。
[0004] 在微机电传感器中，力传感器，例如加速计、陀螺仪、或磁力计，通常包括移动质量 块，和用于测量该移动质量块在力的影响下的位移的探测组件。
[0005] 如图1所示，力传感器的移动质量块1通常以一层半导体材料，特别是硅的形式出 现，具有十或数十微米的厚度，并通过元件2维持在基底5上方，元件2可以是柔性的或围 绕旋转轴可扭转变形。变形元件2通常被称为弹簧，最好是水平地位于移动质量块1的侧 面的一端。弹簧2的两端与贴附连接于基底上的固定锚定区域4相连。现在定义如图1所 示的三个轴X、y、z，X轴沿移动质量块1的旋转轴指向，y轴沿移动质量块1在静止状态的 平面指向并垂直于X轴，z轴垂直于移动质量块1在静止状态所定义的平面，从基底5指向 移动质量块1。有利地，这种类型的设备形成在绝缘体上娃薄膜（silicon-on-insulator， SOI)型的基底上，电绝缘氧化层6将蚀刻有移动质量块1的硅层与基底5分离。
[0006] 移动质量块的运动的探测器通常是电容式系统的形式，其中移动质量块的位移使 电容系统的两个电极彼此远离或接近对方，从而导致气隙的变化，并从而导致系统的电容 变化。文件US4736629示出了这类探测器的一个例子。作为一种变形，如图1所示，存在使 用一个或多个对移动质量块1的位移的压力和拉力敏感的压阻式测量仪3。在两种情况下， 力传感器的灵敏度是由移动质量块允许的位移的幅度，和对移动质量块的运动的探测器的 配置决定的。使用机械谐振器作为应力测量仪也是可行的，谐振器的谐振频率根据施于其 上的应力变化。
[0007] 有利地，压阻式测量仪3以能尽可能多地增加施于测量仪3的压力和拉力的方式 放置。这样的操作旨在增加力传感器的检测灵敏度。
[0008] 事实上，测量仪3中压缩/拉伸变形所产生的应力引起了测量仪3的与压力成正 比的阻力变化。通过对压阻式测量仪3施加电压，可以检测相关的电阻变化，该变化由移动 质量块1的位移引起，与其变形成正比。由于施于移动质量块1上的外力造成的移动质量 块1的位移，使用压阻式测量仪能够通过测量电阻变化得到力的值。电阻变化每单位的力 越大，微机电力传感器越敏感。
[0009] 使用具有能在平面外位移的移动质量块的压阻式测量仪3的力传感器，例如文件 FR2954505和FR2941533中描述的，如图1所示，自然地启示了将压阻式测量仪3与移动质 量块的上和/或下表面沿z轴对齐，可在锚点附近施加最大的按压和拉伸而不会超过断裂 阈值。
[0010] 然而，移动质量块1也可能受沿X轴和/或y轴的平面的机械应力产生位移。这 种位移可能会导致应力测量仪3的不可逆转的变形，从而使力传感器无法使用。为了克服 这个缺点，如专利FR2941533提出的，最好通过将柔性变形元件结合于扭转变形元件2,把 移动质量块1的位移限制在X轴和y轴定义的平面上，这两种类型的可变形元件围绕X轴 变形。事实上，扭转变形元件对沿X轴的位移具有良好抗力，而对沿y轴的位移抗力较弱。 同时，柔性元件对沿y轴的位移具有良好的抗力，而对沿X轴的位移抗力较弱。因此，这两 种类型的可变形元件2对沿X轴和y轴的位移提供互补的抗性，能够保护应力测量仪3。 [0011] 然而，这样的组合变形元件的缺点是不允许同时优化测量范围和机械范围。测量 范围指的是传感器能够检测的所有力的值，机械范围指的是移动质量块静止时的范围之外 的值，典型的例子是静止在基底上。故而测量范围包括在机械范围内。理想情况下，机械范 围比测量范围大几十个百分点。
[0012] 在结合柔性和扭转变形元件的情况下，机械敏感度低，这样机械范围远远大于测 量范围，两者之间的比率范围通常是10。
[0013] 为了更好地匹配两个范围，有两种可能的解决方案。
[0014] 第一个解决方案包括使基底接近移动质量块，而其他所有条件都相同，降低机械 范围。这可以通过减少与蚀刻有移动质量块的与基底分离的氧化层的厚度来完成。然而这 第一个解决方案是不够的，因为存在下限，对于300nm的厚度，低于这个厚度就很难通过化 学技术释放氧化层，且使移动质量块与基底结合的风险大大增加。
[0015] 第二个使测量范围更接近机械范围的解决方案是提高机械敏感度。后者称为S111, 对应移动质量块在每单元力下沿z轴的最大位移。该变量可以根据施加于移动质量块的力 F，移动质量块的重心和旋转轴之间的距离Dg，移动质量块的长度L，和可变形元件的刚性K， 通过以下关系式表示：
[0016]
[0017] 为了增加机械敏感度、可以增加移动质量块的长度，不仅将旋转轴与移动质量块 的重心拉开，从而增大Dg。尽管如此，从而获得的机械敏感度的增加不足以使两个范围匹 配。
[0018] 其他增加机械敏感度的方法是减少变形元件的刚性。现在，在同维度的柔性变形 元件的刚性大于扭转变形元件的刚性。因此需要选择扭转变形元件以增加力传感器的移动 质量块的机械灵敏度。这种方法所带来的缺点是应力测量仪受到沿y轴的压力，这可能造 成不可逆转的损伤。
[0019] 本领域技术人员似乎意识到没有解决方案允许在能在平面外位移的力传感器中 使用低刚性的变形元件，最好是扭转元件，这提供了一种机械敏感度，使得机械范围足够接 近测量范围，同时保护测量仪对抗施加于移动质量块的横向力引起的，也就是说，在移动质 量块上的x-y平面，主要是沿y轴的机械压力。
【发明内容】
[0020] 本发明的目的之一是提供一种力传感器，该力传感器具有能离开由X轴和y轴定 义的平面进行位移，在由X轴和y轴定义的平面内抵抗压力的移动质量块，并具有高机械灵 敏度。
[0021] 为实现这一目的，本发明旨在自半导体基底上形成具有沿X轴和y轴定义平面的 层，垂直于所述层的轴定义为z轴的微机电设备，该设备包括：
[0022] 至少一个固定于基底的锚定区域，
[0023] 至少一个移动质量块，能够通过围绕沿X轴指向的旋转轴旋转，沿z轴离开基底平 面移动，
[0024] 至少一个可变形元件，该可变形元件将移动质量块连接至锚定区域，和
[0025] 至少有一个用于探测移动质量块的位移的探测组件。
[0026] 这个设备的移动质量块具有两个部分，第一部分形成支撑结构，通过可变形元件 连接到锚定区域，和形成移动质量块的主体的第二部分。第一和第二部分通过至少两个形 成解耦弹簧并固定于第一部分的两个不同侧面的柔性部分相连。该装置还包括至少一个主 体和基底之间的结合区域，形成阻挡部限制移动质量块的主体的位移。
[0027] 利用解耦弹簧使形成移动质量块的主体和支撑结构相连，能够通过支撑结构离开 平面的位移减弱主体在平面内的位移。进一步地，主体的质量大于支撑结构，有利地，明显 更大，具有比支撑结构更大的惯性。由此，施加于移动质量块的力主要作用于移动质量块的 主体。
[0028] 因此，沿y轴施加于设备的力在移动质量块的平面内引起主体相对于移动质量块 的支撑结构位移。这种主体相对于支撑结构的位移特别是由于柔性部分，或解耦弹簧的弹 性变形。柔性部分具有弹性阈值和破裂阈值，阻挡部被放置在与移动质量块的主体没有达 到两个阈值的距离。换句话说，形成阻挡部的区域在解耦弹簧超出其准线性弹性状态之前 和在弹簧的不同分支相互邻接之前是有效的。由此能够保护检测移动质量块的运动的组 件，该组件只能承受有限的变形幅度。
[0029] 因此，超过给定幅度的外力，施加于移动质量块的平面，尤其是沿y轴施加的情况 下，主体在移动质量块的平面内沿y轴移动，直到接触阻挡部。在这种情况下，由于这种在 外力作用下的运动的碰撞被阻挡部吸收。对应较低的施加于移动质量块的平面的，尤其是 沿y轴施加的外力的幅度，移动质量块移动一点，或不移动，所有与施加于设备的外力相关 的能量在锚定区域抵消。
[0030] 在实践中，可以考虑许多用于设置移动质量块的支撑结构和主体的几何图形。因 此，支撑结构可以形成围绕主体的外部框架，而主体形成移动质量块的内部体。相反的，也 可以将主体设置在支撑结构的外围，然后形成一个中央梁，而主体分布在中央梁周围。