电容式微机械加速度传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及独立权利要求1的前序中定义的电容式微机械加速度传感器。
[0002]本发明涉及电容式MEMS，微机电系统加速度传感器。
[0003]公开版本US 7，430，909提供了一种三轴加速度传感器。在该三轴加速度传感器的实施例中，提供了微机电(MEMS)加速度传感器，包括衬底、第一传感器及第二传感器。第一传感器被配置为测量沿着与衬底平面平行的第一轴的加速度。第二传感器被配置为沿着与衬底平面垂直的轴测量加速度。第二传感器包括第一梁、第二梁及单独支承结构。该单独支承结构相对于衬底支承第一梁和第二梁，其中第一梁和第二梁限定第一传感器。
[0004]发明目的
[0005]本发明的目的在于提供一种电容式微机械三轴加速度传感器，该传感器对于外部压力及振动具有机械鲁棒性，并且具有小的尺寸。
【发明内容】
[0006]本发明的电容式微机械加速度传感器的特征在于独立权利要求1的定义。
[0007]电容式微机械加速度传感器的优选实施例在从属权利要求中定义。
[0008]在电容式微机械加速度传感器中，用于将第一传感器的转子电极可移动地锚定到衬底上的第一弹簧结构以及用于将第一传感器的转子电极可移动地锚定到衬底上的第二弹簧结构被放置得彼此尽量远离。结果，电容式微机械加速度传感器对于外部振动具有较强的鲁棒性，并且在测量模式和第一寄生模式之间的频率差被最大化。另外，第一弹簧结构和第二弹簧结构被放置尽量远离第一传感器的信号生成转子电极，以将测量模式扭转运动中的转动惯量(moment of inertia)最大化。这样导致了如下结果:需要较少的质量来获得第一传感器的转子电极相对于第一传感器的定子电极的足够偏转，并且电容式微机械加速度传感器对于加速度更加敏感。
[0009]在电容式微机械加速度传感器中，第一传感器的转子电极的所有质量是信号生成非对称质量。这意味着，第一传感器的转子电极的质量没有被定位在弹簧轴的另一侧。这种构造导致了较小的传感器区域，并导致了较便宜的电容式微机械加速度传感器。
[0010]在电容式微机械加速度传感器的优选实施例中，所有锚(即，转子锚，用于将第一传感器的转子电极可移动地锚定到衬底；以及定子锚，用于将第一传感器的定子电极刚性地锚定到衬底)被基本定位在一个且相同的位置上，或者基本上彼此邻近。这些锚定使得机械力以相同的方式移动第一传感器的转子电极和第一传感器的定子电极。当转子电极和定子电极之间的相关位置没有变化时，传感器输出也不发生变化。因此，来自转子电极和定子电极的共同运动的误差被最小化。
[0011]在电容式微机械加速度传感器的优选实施例中，用于将转子电极可移动地锚定到衬底的转子锚以及用于将定子电极刚性地锚定到衬底的定子锚被放置成靠近信号生成转子电极和定子电极。这导致较小的误差信号，因为由对锚的机械力所产生的误差信号是与转子电极和定子电极的运动成比例的。转子电极和定子电极的运动分别与锚距离转子电极和定子电极的距离成比例。
[0012]在电容式微机械加速度传感器的优选实施例中，第一梳结构被分为第一梳结构部分和第二梳结构部分。在该实施例中，第二梳结构关于加速度传感器的中心轴对称地布置在加速度传感器的中心轴上。在此实施例中，第一梳结构部分被布置在第二梳结构和第一梁之间。在此实施例中，第二梳结构部分被布置在第二梳结构和第二梁之间。因为第一梳结构被分为第一梳结构部分和第二梳结构部分，且因为第二梳结构关于加速度传感器的中心轴对称地布置在加速度传感器的中心轴上，且因为第一梳结构部分被布置在第二梳结构和第一梁之间，且因为第二梳结构部分被布置在第二梳结构和第二梁之间，所以结果是:电容式微机械加速度传感器具有关于加速度传感器中心轴的质量平衡转子电极。因为转子电极的质量的中心在加速度传感器的中心轴上，所以传感器对于外部振动较不敏感。此外，因为转子电极的质量分布的大多数靠近加速度传感器的中心轴，所以相比于测量模式，转动惯量在其它模式中被最小化。
【附图说明】
[0013]在下文中，通过参考以下附图，更详细地描述本发明，其中，
[0014]图1是根据第一实施例的电容式微机械加速度传感器的俯视图，
[0015]图2示出了转子电极支承结构、图1所示的电容式微机械加速度传感器的第一传感器的第一和第二定子电极和转子电极、以及还有第一传感器的转子电极如何被支承在图1所示的电容式微机械加速度传感器中的转子电极支承结构上，
[0016]图3示出了转子电极支承结构、图1所示的电容式微机械加速度传感器的第一传感器的第一和第二定子电极和转子电极、以及还有第一传感器的转子电极如何被支承在图1所示的电容式微机械加速度传感器中的转子电极支承结构上，
[0017]图4是根据第二实施例的电容式微机械加速度传感器的俯视图，其中第一梳结构的第一转子梳齿(comb finger)具有不同于第一梳结构的第一定子梳齿的高度，以及其中，第二梳结构的第二转子梳齿具有不同于第二梳结构的第二定子梳齿的高度，
[0018]图5示出了沿着图4中的线V-V切割的图4所示的电容式微机械加速度传感器，
[0019]图6示出了转子电极支承结构、图4中的第一传感器的第一和第二梳结构、以及还有第一梳结构的第一转子梳齿和第一传感器的第二梳结构的第二转子梳齿如何被支承在图4所示的电容式微机械加速度传感器中的转子电极支承结构上，
[0020]图7示出了图4所示的第一传感器的第一和第二梳结构，
[0021]图8示出了图5所示的结构的替选配置，
[0022]图9示出了图6所示的结构的替选配置，
[0023]图10示出了图4-6所示的第二实施例的替选配置，其中在替选配置中，第一梳结构的第一转子梳齿和第一梳结构的第一定子梳齿具有相同的高度，但是它们被定位在距离衬底平面的不同距离处；以及在替选配置中，第二梳结构的第二转子梳齿和第二梳结构的第二定子梳齿具有相同的高度，但是它们被定位在距离衬底平面的不同距离处，
[0024]图11示出了沿着图10中的线T-T切割的图10所示的电容式微机械加速度传感器，
[0025]图12示出了转子电极支承结构、图10中的第一传感器的第一和第二梳结构、以及还有第一传感器的第一梳结构的第一转子梳齿和第二梳结构的第二转子梳齿如何被支承在图10所示的电容式微机械加速度传感器中的转子电极支承结构上，
[0026]图13是根据第三实施例的电容式微机械加速度传感器的俯视图，
[0027]图14是根据第四实施例的电容式微机械加速度传感器的俯视图，其中第一传感器的第一梳结构被分为第一梳结构部分和第二梳结构部分，
[0028]图15示出了图14所示的第四实施例的替选配置，
[0029]图16示出了沿着图14中的线S-S切割的图14所示的电容式微机械加速度传感器，
[0030]图17示出了转子电极支承结构、图14中的第一传感器的第二梳结构以及第一和第二转子梳结构部分、以及还有第一梳结构部分的第一转子梳齿结构部分和第二梳结构部分的第二转子梳齿结构部分和第一传感器的第二梳结构的第二转子梳齿如何被支承在图14所示的电容式微机械加速度传感器中的转子电极支承结构上，
[0031]图18是根据第五实施例的电容式微机械加速度传感器的俯视图，以及
[0032]图19示出了图18所示的第五实施例的替选配置。
【具体实施方式】
[0033]附图不出了电容式微机械加速度传感器的一些实施方式的例子。该电容式微机械加速度传感器可以至少部分地由硅衬底制造。
[0034]电容式微机械加速度传感器包括衬底I。
[0035]电容式微机械加速度传感器包括第一传感器2，该第一传感器2用于测量沿着与衬底I的平面3垂直的z轴的加速度。
[0036]此外，电容式微机械加速度传感器包括第二传感器4和第三传感器5，其用于测量在与衬底I的平面3平行的方向上的加速度。例如，电容式微机械加速度传感器可以包括第二传感器4和第三传感器5，其中第二传感器4用于测量沿着与衬底I的平面3平行的X轴的加速度，第三传感器5用于测量沿着与衬底I的平面3平行且与X轴垂直的y轴的加速度。第二传感器4和第三传感器5中的每个传感器可以测量沿着X轴、y轴，或沿着X轴和y轴二者的加速度。
[0037]电容式微机械加速度传感器的功能在本领域是已知的，例如从公开版本U S7，430, 909可知，在此通过引用的方式将其并入。
[0038]第一传感器2包括转子电极6和定子电极7。
[0039]定子电极7可以在定子锚定点51 ;29，30处被锚定到衬底I。
[0040]第一传感器2包括具有第一端9和第二端11的第一梁8，其中第一端9通过第一弹簧结构10在第一连接点47处连接到转子电极支承结构19，该转子电极支承结构19被锚定到衬底I ;该第二端11在第二连接点48处连接到第一传感器2的转子电极6。
[0041]第一传感器2包括具有第一端13和第二端15的第二梁12，其中第一端13通过第二弹簧结构14在第三连接点49处连接到转子电极支承结构19，该转子电极支承结构19被锚定到衬底1，该第二端15在第四连接点50处连接到第一传感器2的转子电极6。
[0042]第一梁8和第二梁12与加速度传感器的中心轴A平行。中心轴A平行于衬底I的平面3，且垂直于第一连接点47和第二连接点49之间的线；优选地，中心轴A距离第一连接点47和第二连接点49的距离是相等的。
[0043]以下述方式，转子电极支承结构19可以在转子锚定点16处被刚性地锚定到衬底I，其中该转子销定点16位于与加速度传感器的中心轴A垂直的第一虚线B上:(i)转子电极6被定位成接触第一连接点47并与第一连接点47相关，该第一连接点47在与加速度传感器的中心轴A垂直的第二虚线G后面；以及(ii)在平行于加速度传感器中心轴A的方向上测量第一连接点47和第一虚线B之间的距离H以及第一连接点47和第二虚线G之间的距离E时，距离H是距离E的50 %以上，优选地在66 %以上。
[0044]以下述方式，转子电极支承结构19可以在转子锚定点16处被刚性地锚定衬