专利名称：使用多层能移动梳状物的mems传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用多层能移动梳状物的MEMS传感器。
背景技术：
振动微机电系统(MEMQ陀螺仪通常由两个在平面中沿线(驱动轴)振动的检验质量块(proof mass)构成。装置围绕垂直于驱动轴的轴线的旋转使得在均垂直于驱动轴和旋转轴的方向(感测轴)上产生科里奥利力振动。感测轴振动振幅与旋转速率成比例。 此外，经常存在ニ阶效应，这导致偏置和比例因子误差。这些误差机制中的一个称为驱动诱导偏置，其由近驱动或拾取器(Pickoff)梳状物中的电弥散场产生。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种微机电系统(MEMQ传感器。MEMS传感器包括基板以及具有第一多个梳状物的至少ー个检验质量块，其中检验质量块经由一个或多个悬挂梁来耦合到基板，使得检验质量块和第一多个梳状物是能移动的。MEMS传感器还包括具有第二多个梳状物的至少ー个锚，其中锚耦合到基板以使得锚和第二多个梳状物相对于基板被固定在适当位置。第一多个梳状物与第二多个梳状物交错。第一多个梳状物和第二多个梳状物中的每ー个梳状物包括彼此之间通过一个或多个非导电层而被电隔离的多个导电层。每个导电层单独耦合到各自的电势，使得弥散电场被掩蔽以减少由于弥散电场引起的第一多个梳状物沿感测轴的运动。
应当明白，图仅仅用来描述示例性实施例且因而不能理解为限定其范围，通过使用附图利用附加特征和细节来描述示例性实施例，其中图1是示例性MEMS传感器的一个实施例的局部顶视图。图2是传统梳状物的截面图。图3是示例性MEMS传感器中的梳状物的一个实施例的截面图。图4是具有带有多层能移动梳状物的MEMS传感器的系统的ー个实施例的框图。图5是描述减小MEMS传感器中的驱动诱导偏置的方法的一个实施例的流程图。根据常用实践，各种所描述的特征并不是根据比例来绘制的，而是画出以强调与示例性实施例相关的具体特征。
具体实施例方式
3
在以下的具体描述中，參考形成本具体描述一部分的附图，且其中借助于说明示出了具体的说明性实施例。但是应当理解，可利用其他实施例且可进行逻辑、机械和电性的改变。而且，不认为附图和说明书中提出的方法限制其中可以执行单个步骤的顺序。因此不认为以下的具体描述是限制意义的。图1是示例性微机电系统(MEMS)传感器100 (例如MEMS陀螺仪或MEMS加速计) 的一个实施例的局部顶视图。具体地，为了利于解释，图1包括MEMS传感器100中的ー个检验质量块102的顶视图。然而，可以理解的是MEMS传感器100可以包括多于ー个检验质量块。由允许检验质量块102振动的多个悬挂梁110来悬挂检验质量块102。检验质量块 102也包括多个能移动梳状物或延长部104-1. · · 104-N。能移动梳状物104-1. · · 104-N与固定的锚106的固定梳状物108-1. . . 108-M叉合或交错。当检验质量块102振动时，能移动梳状物104-1. . . 104-N相对于固定梳状物108-1. . . 108-M的相对位置改变。例如，在工作吋，检验质量块102在平面内沿图1所示的驱动轴振动。传感器100 围绕旋转轴的旋转使得沿与驱动轴和旋转轴二者都垂直的感测轴产生科里奥利力振动。图 1中，感测轴进入或离开纸面。感测轴振动振幅与旋转速率成比例。通过将电荷设置到能移动梳状物104-1. . . 104-N且向固定梳状物108-1. . . 108-M施加随时间变化电压，产生能够沿驱动轴驱动检验质量块的生成的电场和静电力。在传统的MEMS传感器中，将随时间变化电压施加到固定梳状物产生驱动诱导力，如图2中传统的梳状物204和208的截面图所示。驱动诱导カ是由于能移动梳状物204-1...204-N上的(如图2中的场线203所述的)电场不平衡所形成的沿感测轴的力。电场从固定梳状物208的表面延伸到能移动梳状物204的表面。场线203表示电场的线或电力的线。如图2所示，大多数的场线203是在检验质量块的平面(S卩，通过驱动轴和旋转轴所限定的平面)内，但是某些场线203与检验质量块的平面垂直。传统的MEMS陀螺仪通常还包括在能移动梳状物204-1. . . 204-N上方的带电板212-1和在能移动梳状物204-1. . . 204-N下方的带电板212-2。在传统的MEMS陀螺仪中，带电板使得在梳状物204-1. . . 204-N上方和下方的弥散场不平衡，这导致沿感测轴在能移动梳状物204-1...204-N上的力。该カ在陀螺仪中产生驱动诱导偏置误差。力可以通过梳状物 204/208与板212之间的分离的失配、以及固定梳状物208和能移动梳状物204之间的分离的偏移来引起。然而，与传统的MEMS陀螺仪不同，MEMS传感器100的能移动梳状物104-1. . . 104-N 和固定梳状物108-1. . . 108-M被配置成减小面外弥散カ和驱动诱导偏置。例如，图3描述了可以用在MEMS传感器100中的示例性梳状物304和308的一个实施例的截面图。横过图1的线A-A’截取该截面图。如图3所示，每个固定梳状物308和能移动梳状物304由与多个非导电层316交错的多个导电层314构成。虽然图3中描述了 3个导电层314，但是可以理解，在其它实施例中，可以使用不同数量的导电层314和相应的非导电层316。外部导电层(在此实例中的层314-1和314-3)在此也称为遮蔽层。如图3中也示出了导电板312-1和312-2。导电板312-1位于梳状物304和308 上方。导电板312-2位于梳状物304和308下方。在此示例性实施例中，导电板312-1带有净正电荷以及导电板312-2带有净负电荷。然而，可以理解的是，位于每个导电板312上的电荷可以与其它实施例不同。
此外，梳状物304和308的每个导电层314例如诸如经由通孔单独耦合到电势(例如，正电压、负电压或地)。非导电层316与导电层314彼此电隔离。在图3所示实例中，每个梳状物304和308中的导电层314-3耦合到地。类似地，每个梳状物304和308中的导电层314-1耦合到地。梳状物308-1和308-2中的导电层314-2在图3中示出为耦合到正电压，但是可以理解的是在其它实施例中导电层314-2可以耦合到负电压或随时间变化电压。随时间变化电压可以是正弦曲线或其它随时间变化波形。此外，变化电压可以在负值和正值之间、在全部正值之间、或在全部负值之间变化。梳状物304中的导电层314-2耦合到地。如上所述，通过将电压施加到每个梳状物304和308中的层314，层314-1和314-3 有效地平衡了来自导电板312-1和312-2的电场。换句话说，顶部导电板312-1和梳状物304/308之间的弥散场线在垂直方向(即沿感测轴)上与底部导电板312-2和梳状物 304/308之间的弥散场线平衡。因而，由由于梳状物偏移和分离失配而造成的弥散场中的不对称产生的随时间变化カ被减小或消除。因而，通过配置具有多个导电层的梳状物304/308 以及选择性地将电压施加到每个层，平衡了弥散场且减小了驱动诱导偏置。可以理解的是施加到图3中的导电层314的电压是通过实例而非限定的方式来提供的。例如，在其它实施例中，遮蔽层314-1和314-3被设置到上部或下部电容板 312-1/312-2的电压(在此实例中即顶部遮蔽层314-3上的正电压和底部遮蔽层314-1上的负电压)。这样的实施例中的场线的配置将显得与图3所示的那些不同。然而，这样的实施例也产生很少的或没有产生面外力(例如驱动诱导偏置)。在此实施例中，每ー个固定梳状物和每ー个能移动梳状物由一块硅构成。特別是， 将外延硅沉积在硅晶片上。接着非均质生长外延硅以产生导电层和非导电层。例如，当生长了将形成第一导电层的区域时，以高水平施加掺杂剂到该区域，这增加了该区域的导电特性。换句话说，高或者重掺杂该区域。如本文所使用的，高或者重掺杂的区域意味着掺杂剂原子与硅原子的比率足够高使得该区域整体导电。例如，在一些实施例中，掺杂剂原子和硅原子的比率为大约每十万原子ー个或更大。在一些实施例中，所使用的掺杂剂是硼。但是，将理解，其他实施例中可使用其他掺杂剂诸如磷或者砷。一旦导电区域生长到所需的厚度，不再添加掺杂剂以便生长非导电区域。非导电区域或者没有掺杂剂或者是轻掺杂的。轻掺杂表示掺杂剂原子与硅原子的比率是足够低水平的，使得此区域总体是不导电的。例如，在一些实施例中，掺杂剂原子与硅原子的比率为大约每ー亿原子ー个或更少。在生长非导电区域之后，再次施加掺杂剂以形成另一重掺杂导电区域。继续此模式直到形成所有的所需导电和非导电区域。在一些实施例中，导电区域具有非均勻的厚度。在其他实施例中，某些导电层比其他的厚。类似地，在某些实施例中，非导电区域比每个导电区域都薄。如本领域技术人员所公知的，每个导电层可以通过形成通孔单独耦合到电压源。此外，在其它实施例中，使用其它エ艺来形成导电和非导电层。例如，可以向硅梳状物施加绝缘氧化物，且然后采用金属、 多晶硅或其它导电层来涂覆。图4是电子系统400的一个实施例的框图，电子系统400包括惯性测量単元 (IMU) 406，其具有被配置成减小驱动诱导偏置的MEMS传感器。特別地，在此示例性实施例中IMU406包括MEMS陀螺仪410和MEMS加速计412。尽管在该实例中仅示出ー个MEMS陀螺仪410和ー个MEMS加速计412，应当理触在其他实施例中能使用多于ー个MEMS陀螺仪和 /或多于ー个MEMS加速计。MEMS陀螺仪410和MEMS加速计412中的每ー个都配置成减小驱动诱导偏置。例如，MEMS陀螺仪410和MEMS加速计412中的每ー个包括与多个能移动梳状物交错的多个固定梳状物。如上所述，固定梳状物和能移动梳状物中的每ー个包括多个导电层。将电压单独施加到每个导电层从而在能移动梳状物周围的弥散场互相抵消以减小驱动诱导偏置。电子系统400包括耦合到一个或多个存储装置404和IMU 406的一个或多个处理装置402。IMU 406将运动測量提供给ー个或多个处理装置402。运动测量可包括线性加速度和/或角加速度的測量。一个或多个处理装置402处理用于预定应用的运动测量。例如，在一些实施例中，电子装置400作为惯性导航系统实施。这种实施例中，ー个或多个存储装置404包括指令，当通过ー个或多个处理装置402执行时该指令导致ー个或多个处理装置402执行导航功能诸如基于运动測量提供惯性导航方案。电子系统400也可包括输入和/或输出端ロ 408，用干与其他装置发送和接收信号。例如，电子系统400从全球导航卫星系统(GNSS)接收导航数据，该数据通过一个或多个处理装置402与来自IMU 406的运动测量组合，以计算組合的导航方案。电子系统400可集成到其他系统中，例如但不限于航空器、车辆、移动电话、导弹、视频游戏控制器或者其他需要惯性数据的设备。一个或多个处理装置402可包括中央处理单元(CPU)、微控制器、微处理器(例如数字信号处理器(DSP))、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)和其他处理装置。一个或多个存储装置404可包括有形介质诸如磁或者光介质。例如，有形介质可包括常规硬盘、高密度磁盘(例如只读或者可重写的)、易失性或者非易失性介质，诸如随机存取存储器(RAM)(其包括但不限于同步动态随机存取存储器(SDRAM)、双数据率(DDR) RAM、RAMBUS动态RAM(RDRAM)、静态RAM(SRAM)等)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程 ROM(EEPROM)和闪存等。图5是描述减小静电驱动梳状物中产生的面外力的示例性方法500的一个实施例的流程图。可以理解的是方法500的单个动作执行的順序并不限定于它们在此描述的顺序。方法500可以利用MEMS传感器例如上述的传感器100来实现。在块502，将第一电势施加到位于检验质量块上方的第一导电板。检验质量块具有与锚的多个固定梳状物交错的多个能移动梳状物，多个能移动梳状物和多个固定梳状物中的每ー个具有由如上所述的ー 个或多个非导电层分离的多个导电层。在块504，将第二电势施加到位于检验质量块和锚下方的第二导电板。在块506， 将各自的电势单独施加到位于每个固定的和能移动梳状物中的多个导电层中的每ー个。特别地，选定各自的电势以便每个梳状物中的外部导电层将内导电层从导电板掩蔽或遮蔽， 使得由沿感测轴的偏移产生的、梳状物之间的电容的变化大概为0。当由沿感测轴的偏移所产生的电容的变化大概为0时，减小了沿感测轴的面外力。如在此使用的，単独地将电势施加到导电层意味着被施加到各自层的电势不会被施加到另ー层的电势所影响或确定。在一些实施例中，每个固定的和能移动的梳状物包括由非导电层彼此分离的三个导电层。因而，每个梳状物具有第一和第二外部层和内部层。在一些这种实施例中，将地电势施加到固定的和能移动的梳状物中的每ー个的第一和第二外部层中的每ー个。也将地电势施加到每个能移动梳状物的内部层且将随时间变化电势施加到每个固定梳状物的内部层。在其它这种具有三个导电层的实施例中，将被施加到第一导电板的相同的电势施加到最靠近第一导电板的每个固定的和能移动的梳状物的外部层。类似地，将被施加到第二导电板的电势施加到最靠近第二导电板的每个固定的和能移动的梳状物的外部层。将地电势施加到每个能移动梳状物的内部层且将随时间变化电压施加到每个固定的梳状物的内部层。可以理解的是在其它实施例中可以施加其它模式的电势。 尽管本文中已经示出了并描述了具体实施例，但是本领域普通技术人员将认识到，被考虑用于实现相同目的的任意设置可取代所示特定实施例。因此，很显然意图在于本发明仅由权利要求及其等价物限定。
权利要求
1.一种微机电系统(MEMQ传感器(100)，包括基板；至少ー个检验质量块(102)，所述检验质量块具有第一多个梳状物(104)，其中所述检验质量块经由一个或多个悬挂梁耦合到所述基板，使得所述检验质量块和所述第一多个梳状物是能移动的；至少ー个锚(106)，所述锚具有第二多个梳状物(108)，其中所述锚耦合到所述基板， 使得所述锚和所述第二多个梳状物相对于基板被固定在适当位置；其中所述第一多个梳状物与第二多个梳状物交错；其中所述第一多个梳状物和第二多个梳状物中的每ー个梳状物包括彼此之间通过一个或多个非导电层(316)来电隔离的多个导电层(314)；其中每ー个导电层单独耦合到各自的电势，以便掩蔽弥散电场以减小由于所述弥散电场所产生的所述第一多个梳状物沿感测轴的运动。
2.权利要求1所述的MEMS传感器，其中所述第一和第二多个梳状物中的每ー个梳状物包括第一外部导电层(314-1)、第二外部导电层(314-3)、和内部导电层(314-2)；其中所述第一和第二多个梳状物中的每ー个梳状物的所述第一和第二外部导电层被耦合到地；其中所述第一多个梳状物中的每ー个梳状物的所述内部层被耦合到地且所述第二多个梳状物中的每ー个梳状物的所述内部层被耦合到随时间变化的电压。
3.权利要求1所述的MEMS传感器，其中所述第一和第二多个梳状物中的梳状物由硅构成，该多个导电层包括重掺杂硅的区域，并且该ー个或多个非导电层包括非掺杂硅的区域。
全文摘要
本发明涉及使用多层能移动梳状物的MEMS传感器。一种MEMS传感器，包括基板和至少一个具有第一多个梳状物的检验质量块，其中检验质量块经由一个或多个悬挂梁耦合到基板，使得检验质量块和第一多个梳状物是能移动的。MEMS传感器还包括至少一个固定的锚，其具有第二多个梳状物。第一多个梳状物和第二多个梳状物互相交错。第一多个梳状物和第二多个梳状物中的每一个梳状物包括彼此之间通过一个或多个非导电层来电隔离的多个导电层。每一个导电层单独耦合到各自的电势，以便掩蔽弥散电场以减小由于弥散电场所产生的第一多个梳状物沿感测轴的运动。
文档编号G01C19/5719GK102589540SQ20111046189
公开日2012年7月18日 申请日期2011年11月23日 优先权日2010年11月23日
发明者R·D·霍尔宁, R·苏皮诺 申请人:霍尼韦尔国际公司