专利名称：具有非传导感测质量体的微机电传感器和通过微机电传感器感测的方法
技术领域：
本发明涉及一种具有非传导感测质量体的微机电传感器和通过微机电传感器感测的方法。
背景技术：
本领域已知利用可移动质量体相对于支撑结构的相对移位的各种类型的微机电传感器。这一类型的传感器在许多装置中在不断增加的程度上扩展并且可以例如包括加速度计、陀螺仪和声电换能器(麦克风/扬声器)。可移动质量体的移位由待测量的量的变化来确定。例如在加速度计的情况下，向支撑结构施加的力修改它的运动状态并且引起可移动质量体的相对移位。在陀螺仪中，保持于受控振动中的可移动质量体由于支撑结构的旋转所致的科里奥利加速度而移位。在声电换能器中，可移动质量体为隔膜的形式，该隔膜响应于入射声波而经历变形。因而根据可移动质量体的移位量而有可能推导已经引起移位的量的值。在许多传感器中，可移动质量体电容耦合到支撑结构，并且电容耦合与可移动质量体本身的位置成比例可变。根据可以在电端子容易获得的关于电容耦合的信息推导待测
量的量。根据广泛采用的解决方案，支撑结构和可移动质量体具有相应相互相向传导电极以便形成电容器。电容器的电容由在支撑结构的电极与可移动质量体的电极之间的距离确定、因此依赖于后者的位置。空气一般存在于电极之间。尽管应用范围广泛，然而有限制这一类型的电容传感器的性能并且有时限制其使用可能性的一些方面。经常冲突的最关键方面一般是传感器的灵敏度和线性度。灵敏度(定义为电容相对于在感测方向上的位置而言的导数)基本上依赖于传感器的几何形状(电极的表面和静止距离)并且依赖于悬置元件(这些元件将可移动质量体连接到支撑结构以实现相对于预定自由程度的弹性振荡)的硬度或者在声电换能器的情况下另外依赖于隔膜的硬度。具体而言，更硬弹性件或者隔膜实现最适度比例的移位、因而实现少量电容变化。然而在另一方面，如果线性度受益于相对于静止位置的少量移位，则灵敏度受限制并且整造成更低准确度和抗噪度。更少硬度的弹性连接和隔膜有利于灵敏度、但是减少线性度。此外，在可移动部分与固定部分之间的碰撞风险(该风险可能甚至引起对设备的不可逆损坏)增加。又一限制源于需要为固定电极并且为可移动电极提供电连接。微机电传感器的架构经常复杂，并且提供许多电连接可以证实有问题。已经提出使用传感器(这些传感器利用在基板的表面上提供并且偏置的电容器)和由聚合物材料(例如聚对二甲苯)制成并且在与衬底相距可变距离设置的可移动质量体。可移动质量体根据相对于基板的表面而言的位置不同地修改在电容器的边缘的场线、因而修改它们的电容。然而这一解决方案带来限制，因为聚合物并且具体为聚对二甲苯远不适合于如代之以在许多情况下将必需的那样创建复杂微结构。灵活性因而欠佳，并且使用可能性相当有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种将实现减轻上文描述的限制的微机电传感器和感测方法。根据本发明，提供分别如权利要求1和权利要求12中限定的一种微机电传感器和感测方法。
为了更好地理解本发明，现在将完全通过非限制例子并且参照以下附图描述其一些实施例:-图1是根据本发明第一实施例的微机电传感器的简化俯视平面图；-图2是图1的微机电传感器的细节的放大透视图；-图3是图1的微机电传感器的部分的简化框图；-图4是根据本发明第二实施例的微机电传感器的横截面；-图5是根据本发明第三实施例的微机电传感器的简化俯视平面图；-图6是经过根据本发明第四实施例的微机电传感器的横截面图；并且-图7是根据本发明一个实施例的包含微机电传感器的电子系统的简化框图。
具体实施例方式图1和图2以简化方式示出了这里由标号I标示的微机电传感器，具体为单轴加速度计。微机电传感器I包括由半导体材料(例如硅)制成的支撑结构2和容纳于支撑结构2的空腔4中的感测质量体3，并且感测质量体3根据在描述的实施例中为平移类型的自由度相对于支撑结构2本身可移动的感测质量体3。在实践中，感测质量体3通过弹性连接元件5约束到支撑结构，弹性连接元件5被配置成实现感测质量体3相对于静止位置沿着感测轴X的相对移动。在图1和图2的实施例中，感测轴X另外与在其中容纳感测质量体3的空腔4的底表面4a平行。感测质量体3因此在与它相向的表面4a平行的方向上可移动。支撑结构2具有由掺杂半导体材料(因此传导)制成的多个第一电极7a和第二电极7b，这些电极朝着空腔4的内侧突出。第一电极7a和第二电极7b与彼此并且与感测轴X平行、彼此相向并且交替布置而且均匀隔开。另外，相邻的第一电极7a和第二电极7b相互电隔离并且限定具有平面和平行板的相应电容器。第一感测端子8a和第二感测端子Sb分别连接到第一电极7a和第二电极7b 0可移动质量体3由在这里描述的实施例中为本征硅的非传导材料制成。
取而代之，可以使用其它一些本征半导体(比如锗或者砷化镓或者别的半导体氧化物或者氮化物(例如硅氧化物(SiO2)和硅氮化物(Si3N4)))。然而，一般而言，如下文将了解的那样，本征半导体由于有利于设备灵敏度的更高介电常数而优选。如已经提到的那样，感测质量体3沿着感测轴X在空腔4中可移动。感测质量体3另外具有板3a,板3a朝着与感测轴X并且与表面4a平行的第一电极7a和第二电极7b而侧向突出。板3a按均匀距离隔开布置，并且各自插入于相应对的相邻第一电极7a与第二电极7b之间。如图1中所示,配置弹性连接元件5,使得在无外部应力时感测质量体3在相对于感测轴X的静止位置χκ。当向支撑结构2施加力时，感测质量体3在由应力的符号确定的方向上相对于静止位置Xk沿着感测轴X移动。移位的幅度另外由应力的量确定。因而，在成对的相邻第一电极7a与第二电极7b之间构成的空间在感测质量体3本身相对于感测轴X的位置确定的程度上由感测质量体3的相应板3a占据。如先前回顾的那样，相邻第一电极7a和第二电极7b限定电容器10，这些电容器的电容由在板3a的相邻第一电极7a与第二电极7b之间插入的部分的延伸以及其它因素确定。板3a与关联到电容器IOa的场互作用并且影响其电容。每个电容器10的总电容由两个因素确定:一个归因于在板之间的空气部分，而另一个归因于形成板3a的非传导材料(见图3)的存在。如果用L表示电极7a、7b在感测轴X的方向上的尺度、用X’表不板3a的、在电极7a、7b之间插入的部分的长度、用Z(图2)表示电极7a、7b在与空腔4的表面4a并且与感测轴X垂直的方向上的尺度、并且用G表示在相邻第一电极7a与第二电极7b之间的距离，则每个电容器10的总电容由下式给出:在板3a的宽度与在相邻第一电极7a与第二电极7b之间的距离G基本上相同、但是作用次要(for a minor play)时,并且另外如果假设板3a对相邻电容器10的影响可忽略不计，则简化关系(I)适用。每个电容器10的总电容因此依赖于感测质量体沿着轴X的位置，该位置又由向支撑结构2施加的力的强度确定。如果传感器的结构未满足指示的条件，则电容器10的电容由比关系(I)更复杂的关系给出、但是在任何情况下以基本上线性方式依赖于感测质量体沿着轴X的位置。如图3中所示，可以用读取电路15容易地检测电容器10 (并联连接在一起(图1))的总电容。具体而言，读取电路15例如跨感测端子8a、8b施加电压Vs，并且确定吸收的电流的积分。图4示出了本发明一个不同实施例。微机电传感器100 (具体为单轴加速度计)包括支撑结构102和容纳于支撑结构102的空腔104中的感测质量体103，并且感测质量体103根据在描述的实施例中为平移类型的自由度相对于支撑结构102可移动。更具体而言，感测质量体103通过弹性连接元件105约束到支撑结构102，弹性连接元件105被配置成实现感测质量体103相对于静止位置沿着感测轴Z的相对移动。在描述的实施例中，感测轴Z与在其中容纳感测质量体103的空腔104的底表面104a垂直。因而，自由度使感测质量体103能够在与表面104a垂直的方向上移动，因此相对于支撑结构102迫近和后退。支撑结构102具有由掺杂半导体材料(因此传导)制成的多个第一电极107a和第二电极107b。第一电极107a和第二电极107b与空腔104的表面104a垂直、彼此相向并且交替布置而且在与感测轴Z平行的方向上朝着感测质量体103突出。第一电极107a和第二电极107b彼此相向布置并且均匀隔开。另外，相邻第一电极107a和第二电极107b相互电隔离，并且使用平面和平行面限定相应电容器。第一感测端子108a和第二感测端子108b分别连接到第一电极107a和第二电极107b。由非传导材料(具体为本征硅)制成的可移动质量体103在与空腔104的表面104a垂直的方向上沿着感测轴Z可移动。感测质量体103另外具有朝着与感测轴Z平行的第一电极7a和第二电极7b突出的板103a。板103a按均匀距离隔开布置，并且各自插入于相应对的相邻第一电极107a与第二电极107b之间。如图4中所示,配置弹性连接元件105,使得在无外部应力时感测质量体103在相对于感测轴Z的静止位置Ζκ。当向支撑结构102施加力时，感测质量体103在应力的符号确定的方向上与表面104a垂直相对于静止位置Zk沿着感测轴Z移动。移位的幅度另外由应力的量确定。因而，在成对的相邻第一电极107a与第二电极107b之间构成的空间在依赖于感测质量体103本身的位置的程度上由感测质量体103的相应板103a占据。相邻第一电极107a和第二电极107b限定电容器10,电容器10的电容由板103a的在相邻第一电极107a与第二电极107b之间插入的部分的延伸以及其它因素确定，因而依赖于感测质量体103相对于感测轴Z的位置。在图5中示意地图示的实施例中，陀螺仪200包括支撑结构202、感测质量体203和驱动质量体204。感测质量体203和驱动质量体204根据在这一情况下为平移的自由度相对于支撑结构202可移动。更具体而言，驱动质量体204通过第一弹性连接元件205约束到支撑结构202，第一弹性连接元件205实现驱动质量体204沿着驱动轴Y的移位。感测质量体203通过第二弹性连接元件206约束到驱动质量体204，第二弹性连接元件206实现感测质量体203沿着与驱动轴Y垂直的感测轴X相对于驱动轴204的移位。驱动设备210将驱动质量体204保持于具有受控幅度和频率的振荡中(出于该目的而使用驱动组件209，驱动组件209包括在梳齿形配置中的固定电极(锚定到支撑结构202)和可移动电极(锚定到驱动质量体204))。感测质量体203由非传导材料(优选为本征硅)制成，并且包括与感测轴X平行延伸的彼此相向布置的板203a。第一固定电极207a和第二固定电极207b与感测轴X平行地从支撑结构延伸。第一固定电极207a和第二固定电极207b彼此相向并且交替布置。另外，相邻第一电极207a和第二电极207b电隔离并且成对地形成电容器。基本上如参照图1-图3已经描述的那样布置感测质量体203，使得板203a位于相应成对的第一电极207a与第二电极207b之间。支撑结构绕着与驱动轴Y垂直的轴的旋转因科里奥利力而引起感测质量体203沿着感测轴X的移位。移位与支撑结构的角速率成比例，并且继而确定在成对相邻第一电极207a与第二电极207b之间限定的电容器的电容变化。所述电容变化的读数因此供应指示支撑结构202的角速率的信号。本发明从构造观点和关于性能二者来看赋予若干优点。使用基于半导体(比如本征半导体、硅氧化物或者硅氮化物)的非传导材料而不是聚合物以提供感测质量体实现利用常见微加工技术以获得铰接结构(例如用具有固定电极的梳齿形可移动板描述的结构)。聚合物结构的集成实际上经常有问题，并且微加工技术未使得能够实现可比较的精确度水平。提供复杂和铰接结构的可能性也明显反映在性能上。在电容器的板内在可变程度上引入非传导材料实现大量修改电容器本身的电容。所得修改合理超出由于与电容器并排设置电介质结构(这些结构仅在板以外截断场线(lines of field))而对边缘效应的影响。因此明显增加传感器的灵敏度。灵敏度也受益于所用材料对介电常数的依赖性，该介电常数具体相对于可以使用的聚合物的介电常数而言可以很高。由于材料的选择所致的灵敏度增加因而独立于为感测质量体选择的配置。一个优点尽管较为不明显，但是也将在如下情形下无论如何是可获得的:可移动感测质量体在电容器附近，但是布置于外侧上而未如在图6的实施例中那样在板之间引入。在这一情况下,在微机电传感器300中，感测质量体303通过弹性连接元件305电连接到支撑结构302。具体而言，弹性连接元件305被配置成使感测质量体303能够相对于支撑结构302的表面302a (在该表面上提供第一电极307a和第二电极307b)交替地迫近和后退。第一电极307a和第二电极307b相互对准并且交替布置。另外,相邻第一电极307a和第二电极307b电隔离并且形成电容器。第一感测端子308a和第二感测端子308b分别连接到第一电极307a和第二电极307b。在感测电压Vs存在于第一感测端子308a与第二感测端子308b之间时，在第一电极307a与第二电极307b之间建立电场，该电场在感测质量体303本身相对于支撑结构302的表面302a而言的位置确定的程度上受感测质量体103影响。描述的解决方案的又一优点是在宽测量范围内的高线性度，其中感测质量体具有在根据感测质量体本身的位置而定的可变程度上插入于成对固定电极之间的板。将电容器的总电容与感测质量体的板的位于电容器的板内的部分的幅度相联系的关系实际上在良好逼近时适用，直至几乎完全抽取感测质量体的板。此外，根据本发明提供的设备未受所谓的“拉入(pull-1n)”现象困扰，使用具体在梳齿形配置中的传感可移动电极的传感器代之以面临该现象。可移动电极实际上受到静电力，该静电力往往将可移动电极本身调回到固定电极内的空间中。通常，静电力由连接元件的静电力抵消，该连接元件往往将感测质量体和可移动电极带回到静止位置。然而，如果移位例如由于强应力而超过阈值，则以非线性方式依赖于感测质量体的位置的静电力占优势。感测质量体受阻并且未向静止位置返回，从而妨碍设备的操作。根据本发明的感测质量体代之以由非传导材料制成，因此不受拉入现象影响，因为板未受到电压。图7图不了根据本发明一个实施例的电子系统400的部分。系统400包含微机电设备1，并且可以使用于电子系统(比如掌上计算机(个人数字助理(PDA))、可能具有无线能力的便携计算机、电话、消息接发设备、数字音频播放器、数字照片相机或者视频相机、惯性导航系统、汽车系统或者设计成处理、存储、发送或者接收信息的其它设备)中。例如微机电设备I可以在数字相机中用于检测移动并且实现图像稳定。在又一实施例中，在用于计算机或者视频游戏控制台的由运动激活的用户接口中包括微机电设备I。在又一实施例中，微机电设备I包含于卫星导航设备中，并且在失去卫星定位信号的情况下用于暂时位置跟踪。电子系统400可以包括通过总线450相互耦合的控制器410、输入/输出(I/O)设备420 (例如键盘或者屏幕)、微机电设备1、无线接口 440和易失性或者非易失性类型的存储器460。在一个实施例中，电池480可以用于向系统400供电。已知的是本发明的范围不限于必然具有列举的设备中的一个或者所有设备的实施例。控制器410可以例如包括一个或者多个微处理器、微控制器等。I/O设备420可以用于生成消息。系统400可以将无线接口 440用于利用射频(RF)信号向无线通信网络发送消息并且从无线通信网络接收消息。无线接口的例子可以包括天线、无线收发器(比如偶极天线)，尽管本发明的范围从这一观点来看未受限制。此外，I/o设备420可以供应电压，该电压以数字输出的形式(如果已经存储数字信息)或者以模拟输出的形式(如果已经存储模拟信息)代表存储的信息。最后清楚可以对这里描述和图示的微机电传感器做出修改和变化而未由此脱离如在所附权利要求中限定的本发明的保护范围。具体而言，本发明可以用来也获得其它类型的设备(如例如多轴加速度计和陀螺仪以及声电换能器和磁力计)。此外还可以获得具有角度振荡驱动质量体的旋转加速度计和陀螺仪。
权利要求
1.一种微机电传感器，包括: 支撑结构(2 ;102 ;202 ;302)，具有形成电容器(10)的至少第一电极(7a ； 107a ；207a ；307a)和至少第二电极(7b ；107b ；207b ；307b)； 非传导材料的感测装置(3 ；103 ；203 ;303)，布置成与关联于所述电容器(10)的电场交互并且根据自由度(X ；Z)相对于所述支撑结构(2 ;102 ；202 ；302)可移动，从而所述感测装置(3 ；103 ；203 ；303)相对于所述第一电极(7a ；107a ；207a ；307a)和相对于所述第二电极(7b ；107b ；207b ；307b)的相对位置响应于外部应力而可变； 其特征在于所述感测装置(3 ；103 ；203 ；303)由在下组中选择的材料制成，所述组包括本征半导体材料、半导体材料的氧化物、半导体材料的氮化物。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述感测装置(3；103 ；203 ；303)由在下组中选择的材料制成，所述组包括本征硅、本征锗、本征砷化镓。
3.根据权利要求 1或者2所述的传感器，其中所述感测装置(3；103 ；203)具有在如下程度上在所述第一电极(7a ；107a ；207a)与所述第二电极(7b ；107b ；207b)之间插入的板(3a ；103a ;203a)，所述程度依赖于所述感测装置(3 ；103 ；203)的、根据所述自由度(X)相对于所述第一电极(7a ；107a ；207a)和相对于所述第二电极(7b ；107b ；207b)的所述相对位置。
4.根据权利要求3所述的传感器,包括:多个第一电极(7a；107a ；207a)和多个第二电极(7b ；107b ;207b)，彼此相向并且交替布置而且从所述支撑结构(2 ;102 ；202)朝着所述感测装置(3 ；103 ；203)延伸； 其中相邻的第一电极(7a ；107a ；207a)和第二电极(7b ；107b ；207b)相互电隔离； 并且其中所述感测装置(3 ；103 ；203)具有在如下程度上在相应成对的第一电极(7a ；107a ；207a)与第二电极(7b ；107b ；207b)之间插入的多个板(3a ；103a ;203a)，所述程度由所述感测装置(3 ；103 ；203)相对于所述第一电极(7a ；107a ；207a)和相对于所述第二电极(7b ；107b ；207b)的所述相对位置而确定。
5.根据权利要求4所述的传感器，其中相邻的第一电极(7a;107a;207a)和第二电极(7b ；107b ；207b)限定相应平行板电容器(10)。
6.根据权利要求4或者5所述的传感器，其中所述感测装置(3)与所述支撑结构(2)的、与所述感测装置(3)相向的表面(4a)平行地可移动。
7.根据权利要求6所述的传感器，其中所述感测装置(3)的所述板(3a)从所述感测装置⑶朝着所述支撑结构⑵横向延伸。
8.根据权利要求4或者5所述的传感器，其中所述感测装置(103)与所述支撑结构(102)的、与所述感测装置(103)相向的表面(104a)垂直可移动。
9.根据权利要求8所述的传感器，其中所述感测装置(103)的所述板(103a)布置于所述感测装置(103)与所述支撑结构(102)的、与所述感测装置(103)相向的所述表面(104a)之间。
10.根据权利要求9所述的传感器，其中所述第一电极(107a)和所述第二电极(7b)从所述支撑结构(102)的所述表面(104a)朝着所述感测装置(103)延伸。
11.一种电子系统，包括控制单元(410)和耦合到所述控制单元(410)的、根据任一前述权利要求所述的微机电传感器(I)。
12.一种通过微机电传感器感测的方法，包括: 将非传导体(3a ;103a ;203a ;303a)放置于电容器(10)的附近，从而所述非传导体(3a ；103a ；203a ；303a)与关联于所述电容器(10)的电场交互；并且 将所述非传导体(3a;103a;203a;303a)机械耦合到所述电容器(10)，从而所述非传导体(3a ；103a ；203a ；303a)根据自由度(X ；Z)相对于所述电容器(10)可移动，并且从而所述非传导体(3a ；103a ；203a ；303a)相对于所述电容器(10)的相对位置响应于外部应力而可变；并且 确定所述电容器(10)的电容； 其特征在于所述非传导体(3a ；103a ；203a ；303a)由在下组中选择的材料制成，所述组包括本征半导体材料、半导体材料的氧化物、半导体材料的氮化物。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述电容器(10)包括彼此相向的第一电极(7a ；107a ；207a ；307a)和第二电极(7b ；107b ；207b ;307b)，并且其中放置包括在所述第一电极(7a ；107a ；207a ；307a)与所述第二电极(7b ；107b ；207b ；307b)之间引入所述非传导体(3 ；103 ；203 ；303)。
全文摘要
一种微机电传感器，包括支撑结构(2)，具有形成电容器(10)的至少一个第一电极(7a)和至少一个第二电极(7b)；以及由非传导材料制成的感测装置(3)，感测装置(3)被布置成与关联于电容器(10)的电场交互并且根据自由度(X)相对于支撑结构(2)可移动，从而感测装置(3)相对于第一电极(7a)和第二电极(7b)的相对位置响应于外部应力而可变。感测装置(3)由在本征半导体材料、半导体材料的氧化物、半导体材料的氮化物中选择的材料制成。
文档编号G01D5/241GK103206970SQ20121038513
公开日2013年7月17日 申请日期2012年10月8日 优先权日2011年10月3日
发明者A·A·梅拉西, B·德玛西, A·科里吉利亚诺 申请人:意法半导体股份有限公司, 米兰综合工科大学