Mems感测器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于测量诸如加速度、旋转、磁场的物理参数的感测器，其包括:
[0002]a)限定衬底平面的衬底，
[0003]b)至少一个感测板，悬挂在衬底的上方，用于进行至少具有沿感测方向的第一分量的运动，其中，感测方向垂直于衬底平面，
[0004]c)至少一个检测臂，悬挂在衬底的上方，用于进行绕平行于衬底平面的旋转轴线的旋转运动，
[0005]d)面外耦合结构，用于将所述感测板的运动的第一分量耦合到所述检测臂，用于产生检测臂的旋转运动，
[0006]e)旋转检测结构，与臂配合，用于检测检测臂相对于衬底平面的旋转运动。
【背景技术】
[0007]FR 2 951 826 A(CEA)和FR 2 957 414 A(CEA)示出一种感测器，用于使用沿x方向致动并且沿y方向由科里奥利(Cor1lis)力偏转的矩形抗震质量块检测力。抗震质量块由允许抗震质量块绕z轴线旋转的铰链悬挂。绕铰链的旋转由压阻量规检测。
[0008]FR 2 962 532 A(CEA)示出一种感测器，用于检测两个不同旋转方向的科里奥利力。感测器包括三个不同的抗震质量块。激振轴线平行于z轴线并且检测方向对应于X和y轴线。激振质量块具有圆环形状并且其围绕处于感测器中心的检测质量块。
[0009]FR 2 963 099 A(CEA)和FR 2 963 192 Al (CEA)示出用于检测和产生动压(麦克风、扩音器)的MEMS感测器。压力振动影响枢转元件的旋转运动，并且该运动由压阻量规线检测。另一个实施例使用检测质量块的线性运动和电容性检测系统(梳状电极)。
[0010]FR 2 941 534 A(CEA)公开一种磁性感测器，其具有通过铰链可枢转地连接到锚的可移动质量块。质量块设有磁性层，其在外部磁场中产生旋转质量块的力。
[0011]FR 2 941 533 A(CEA)公开一种具有量规的MEMS结构，用于检测可移动质量块的面外运动。
[0012]FR 2 941 525 A(CEA)公开一种MEMS结构，其具有通过两个臂耦合的两个质量块。臂可绕面内轴线旋转。两个质量块在面内致动并且进行转变成臂的平衡运动的面外运动。
[0013]FR 2 924 422 A(CEA)公开一种用于压阻量规线的放大器。
【发明内容】
[0014]本发明的目的在于提供一种属于开头所提及的技术领域的感测器，其中，该感测器具有高灵敏度并使用更少的芯片面积。
[0015]本发明的技术方案由权利要求1的特征限定。根据本发明，用于测量诸如加速度、旋转、磁场或压力的感测器包括:
[0016]a)限定衬底平面的衬底，
[0017]b)至少一个感测板，悬挂在衬底的上方，用于进行至少具有沿感测方向的第一分量的运动，其中，感测方向垂直于衬底平面，
[0018]c)至少一个检测臂，悬挂在衬底的上方，用于进行绕平行于衬底平面的旋转轴线的旋转运动，
[0019]d)面外耦合结构，用于将所述感测板的运动的第一分量耦合到所述检测臂，用于产生检测臂的旋转运动，
[0020]e)旋转检测结构，与臂配合，用于检测检测臂相对于衬底平面的旋转运动，以及
[0021]f)枢转元件，布置在距离面外耦合结构的一段距离处，所述枢转元件将感测板耦合到衬底上方固定距离处的基准面，使得感测板进行倾斜的面外运动。
[0022]衬底可以是适于实现微机电系统(MEMS)的任意支撑件(机械载体)。优选地，衬底适于NEMS(纳机电加工系统)。例如，衬底可以由单晶硅或玻璃构成。衬底可是平板。衬底的表面限定平面(χ-y平面)。平行于所述平面的任意方向称为“面内”，并且不平行于衬底平面的任意方向(例如，z向)称为“面外”。
[0023]感测器具有悬挂在衬底上方的至少一个感测板。悬挂通过能够进行面外运动的结构实现。因此，感测板能够进行沿一个方向的运动，其至少具有沿感测方向的分量，其中，感测方向(z轴线)垂直于衬底平面。感测板的悬挂结构也可以允许具有平行于衬底平面的方向分量的运动。感测板是其厚度小于平行于衬底平面的最小尺寸的结构。
[0024]感测器具有至少一个检测臂，其悬挂在衬底上方，用于进行绕平行于衬底平面的旋转轴线的旋转运动。一般而言，检测臂可以在平行于衬底平面的平面中具有任意形状。但是，优选地，检测臂具有与感测板的质量块相比较小的质量块。臂形成刚性杠杆，其能够进行面外摆动(即，臂能够进行在垂直于衬底平面的方向中具有矢量分量的运动)。臂的摆动运动是绕平行于衬底平面的轴线的旋转。
[0025]面外耦合结构提供沿所述感测板的运动的第一分量的方向到所述检测臂的耦合。因此，感测板的面外运动被传递到臂并且使得臂绕其旋转轴旋转。
[0026]臂的旋转由旋转检测结构检测。此结构与臂配合并检测检测臂相对于衬底平面的旋转运动。检测结构可以包括将检测臂的面外偏移转换成电信号的静电或压阻元件。
[0027]用于将感测板耦合到几何基准面的枢转元件布置在距离面外耦合结构的一段距离处。所述枢转元件距离感测器的y轴线(即，距离检测臂的旋转轴线)还具有一定径向距离。
[0028]由于一方面的面外耦合结构与另一方面的枢转元件之间的距离，当垂直于衬底平面的力作用于感测板上时，感测板相对于衬底平面进行倾斜运动。检测臂的旋转轴线与枢转元件之间的距离越小，感测板与检测臂之间的倾斜角度越小。一般而言，优选具有小的倾斜角。枢转元件优选接近于检测臂的旋转轴。
[0029]优点:
[0030]本发明的感测器可以在比现有技术的感测器更小的面积上实现。感测器需要用于结构元件的悬挂和耦合的更不复杂的弹簧。本发明的另一个优点在于，感测板的运动直接传递到检测臂。因此，与现有技术相比，感测板的面外运动的能量被更有效地使用，并且感测器的灵敏度提高。
[0031]驱动质量块:
[0032]感测器可以进一步包括悬挂用于沿平行于衬底平面的驱动方向进行运动的驱动质量块以及用于沿驱动方向致动驱动质量块的驱动结构。驱动质量块可以以此方式悬挂，使得其能够沿X方向(垂直于检测臂的旋转轴线)振动。优选地，驱动质量块的悬挂防止垂直于驱动方向的运动。就是说，驱动质量块仅仅进行面内运动并且不沿Z方向(面外)运动。
[0033]与FR 2 941 525 Al相比，x方向和z方向的运动之间的串扰被消除。
[0034]也可以通过经静电装置(梳状电极)直接在没有单独驱动质量块的情况下驱动感测板。致动可以以与FR 2 941 525 Al (CEA)的图1中所示相似的方式进行。
[0035]具有以某一频率致动以检测物理参数的两个质量块(双质量块感测器)称为音叉感测器。
[0036]对于非谐振应用而言，与感测板分开的驱动质量块不是必需的。
[0037]驱动质量块的耦合:
[0038]根据本发明的具体实施例，驱动质量块通过枢转元件耦合到感测板。当驱动质量块被悬挂使得其可仅仅平行于衬底平面但不垂直于所述平面运动时，感测板的一个轴线(即枢转元件所限定的旋转轴线)保持在基准面中。感测板的面外运动在距离枢转元件的一段距离处进行。
[0039]虽然枢转元件优选地仅仅允许感测板绕枢转轴线的旋转，也可以替代接受的是，枢转元件也具有垂直于检测臂的旋转轴线的一些弹性。可以甚至具有沿z方向的一定(但微小)的弹性。
[0040]根据本发明的具体实施例，所述枢转元件是V形。例如，枢转元件基本由两个梁构成，此两个梁在其一个端部接合并且在其另一个端部彼此之间以>0°并且〈90°的角分开延伸。V形枢转元件的分开端部可以连接到驱动质量块并且枢转元件的接合端部可以连接到感测板。两个梁优选相对于彼此对称，使得V形枢转元件的对称轴限定枢转轴线。V形枢转元件的取向也可以沿相反方向。
[0041]枢转元件的臂优选针对于z方向(垂直于衬底平面)的变形是刚性的。即使每个梁横向于其纵向轴线是柔性的并且可以绕其纵向轴旋转，枢转元件仅仅具有绕其枢转轴线的需要的旋转自由度。
[0042]还可以使用不同的结构，例如对于X和z方向的变形足够刚性但对于y方向的扭转为柔性的直梁。
[0043]根据另一个优选实施例，枢转元件是柔性片状元件。其可以是从驱动质量块延伸到感测板的薄层的一部分，其中薄层的一侧连接到驱动质量块并且另一侧连接到感测板。
[0044]检测臂:
[0045]在具体实施例中，检测臂是围绕感测板的框架结构的一部分。就是说，臂构成框架的一侧。事实上，框架通常是矩形，其悬挂以可绕其对称轴线中的一个旋转。当然，其他形状(六边形、局部圆形)的框架是可以的，但是更复杂。
[0046]优选地