具有框的微机电结构的制作方法
【专利摘要】较不易受内部或外部电气干扰的鲁棒的微机电结构。该结构包括：运动元件，其具有被悬挂到支撑件的转子；第一框，其被锚定到支撑件，并且围绕运动元件；以及第二框，其被锚定到支撑件，并且在运动元件与第一框之间围绕运动元件，将第二框与第一框进行电隔离。将转子和第二框进行电耦接，以具有相同电位。
【专利说明】
具有框的微机电结构
技术领域
[0001]本发明涉及微机电装置，并且具体地涉及如独立权利要求的前序中限定的微机电结构和微机电装置。
【背景技术】
[0002]微机电系统或MEMS可以被定义为小型化的微系统，其中至少一些元件具有机械功能性。可以将MEMS结构应用到快速地且准确地检测物理属性的非常小的变化。
[0003]微米级尺寸的MEMS在硅晶圆上结合有更多装置，从而已经以较低的成本开辟了广泛的新应用。然而，极小的尺寸还造成了对于实现的挑战。例如，MEMS结构中的机械功能的位移通常由电气部件来引发、控制和/或检测。要理解的是，在小型化的尺寸中，电气部件的内部电磁场或静电场可能会无意中相互作用，并且导致测量的误差。对机械功能的引发、控制和检测还可能受外部电磁场或静电场的干扰。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了提供微机电装置结构，其使得能够在最小化的尺寸中进行准确测量。使用根据独立权利要求的特征部分的微机电结构和微机电装置来实现本发明的目的。
[0005]权利要求限定了鲁棒的微机电结构，其较不易发生内部电气干扰或外部电气干扰。该结构包括:运动元件，其具有悬挂到支撑件的转子;第一框，其被锚定到支撑件，并且围绕运动元件；以及第二框，其锚定到支撑件，并且在运动元件与第一框之间围绕运动元件，第二框与第一框被电隔离。将转子和第二框进行电耦合，以具有相同的电位。
[0006]权利要求还限定了微机械装置，其包括微机电结构。在从属权利要求中公开了本发明的有利实施例。
[0007]使用以下实施例来更加详细地讨论本发明的进一步优点。
【附图说明】
[0008]以下将参考附图结合优选实施例来更加详细地描述本发明，在附图中:
[0009]图1图示了微机电结构的元件；
[0010]图2A图示了用于运动元件和屏蔽框的示例性配置；
[0011]图2B示出了图2A中标记的放大部分B以及相关联的元件框的一部分；
[0012]图2C示出了2A中标记的放大部分C;以及
[0013]图3图示了包括微机电结构的微机电装置的元件。
【具体实施方式】
[0014]以下实施例是示例性的。尽管说明书可以涉及“一个”或“一些”实施例，但是这未必意味着每个这样的提及指的是相同的实施例，或者特征仅应用于单个实施例。可以将不同实施例的单个特征进行组合，以提供进一步的实施例。
[0015]以下，将用装置架构的简单示例来描述本发明的特征，在该装置架构中可以实现本发明的各个实施例。仅详细地描述与图示实施例有关的元件。本文不会具体地描述对本领域的技术人员而言通常已知的微机电结构的各种实现。
[0016]作为微机电结构的示例，图1示出了微机电结构的可适用于惯性感测的部分。为了产生要被转换成信号的机械能，并且反之亦然，可以将微机电结构形成图案，以包括至少一个运动元件100。此处，运动元件100指代具有转子的、非零质量的结构实体，其借助于悬挂弹性结构102而被悬挂到支撑件，并且可以相对于支撑件移动。可以通过微机电装置的另一本体元件(例如通过分离地设置的或者与层状的绝缘体上硅基片结合的方式设置的下层处理晶圆(underlying handle wafer)或护盖晶圆(covering cap wafer))来提供支撑结构。
[0017]可以通过悬挂弹性结构102来将运动元件100的转子悬挂到支撑件，悬挂弹性结构102对于运动元件的测震质量在至少一个方向上的位移是挠性的，而对于测震质量在其它方向上的位移是非常刚性的。悬挂弹性结构102可以被配置成:在正常情况下允许转子在设计方向上且在限定的结构设计极限内的运动，并且抵抗运动元件在其它方向上的运动。
[0018]例如，可以电容性地引发或检测运动元件的运动。为此，运动元件100可以包括定子。此处，术语“定子”指的是运动元件的被锚定到支撑件的部分，以形成相对于转子的一个或多个运动电极的一个或多个静止电极。多对的静止电极和运动电极形成电容器，并且电容性的感测依赖于改变电容器的电容的外部物理参数。这可以通过改变电容器电极之间的分离或者重叠面积而发生。当将恒定电压施加在电容器上时，可以例如使用桥式电路来测量电容的变化以及因此转子的运动。
[0019]微机电结构有利地是层元件，其包括以下部件:该部件通过从层中去除牺牲材料而沿着层在平面内延伸来形成图案。微机电结构可以包括第一框，在文中称为元件框104。此处，术语“框”指代周向结构，其可以被锚定到支撑件并且围绕运动元件100。要理解的是，框不必具有连续的形式。因此，元件框104可以是单个周缘结构，或者可以包括被共同布置以形成围绕运动元件100的周缘边界线的一个或多个框子段。要理解的是，元件框104还可以围绕其它元件。例如，层元件可以包括用于检测在不同轴(垂直方向)上的运动的一个或多个运动元件，并且元件框104在周缘上包围所有这些运动元件。元件框104提供机械保护，以及/或者使得能够对于内部运动元件进行密闭的密封。同时，元件框104提供导电外壳，其将运动元件与外部电气干扰进行隔离。可以将元件框104连接到恒定电压VI，优选地连接到地电压GND。
[0020]微机电结构还可以包括第二框，其在本文中称为屏蔽框106。屏蔽框106也围绕运动元件100，但是它位于框元件104与运动元件100之间。屏蔽框106也可以是单个周缘结构，或者包括被共同布置以形成周缘边界线的一个或多个框子段。如果层元件包括一个或多个运动元件，则有利地通过专用的屏蔽框来围绕每个运动元件。通过至少一个元件间隙来将围绕元件与一个或多个被围绕的元件分离。在中性状态下，图1的第一间隙108将元件框104与屏蔽框106分离，而第二间隙110将屏蔽框106与运动元件100分离。屏蔽框106和运动元件100的转子具有将它们连接到相同恒定电压V2的电流接触(亦即其借助于导电材料来电连接)，而第一间隙108将屏蔽框106与元件框104电绝缘。
[0021]在运行期间，典型地，电控制电路适于使供给到元件框的电压Vl与供给到转子的电压V2保持相同。然而，由于内部电容器电压和外部干扰，这无法完全被实现，并且某种电位差倾向于存在于元件框与转子之间。屏蔽框106有效地减少由Vl与V2之间的随机电位误差而引起的错误。
[0022]在特定情况下，运动元件100的转子可能被移位超出设计极限。对于这些情况，微机电结构可以包括运动限制器。运动限制器的任务是:机械地控制转子可以移位的最大距离；以及/或者在超过设计极限时以受控制的方式来耗散能量。在常规结构中，典型地，运动限制器位于元件框与转子之间。然而，由于电位差，转子与元件框之间的接触使元件短路，从而导致转子电容的误差和/或附着。
[0023]在目前的结构中，转子与相邻元件之间的电位差是零，并且它们之间的潜在接触不会引起所述的不利影响。具体地，在常规的多轴传感器(其中，在检测中施加共同的转子电位)中，由外部冲击引起的接触意味着信号的损失是在所有方向上的，即对于所有检测轴。在本实施例中，接触可以发生在一个轴的方向上，而转子电位不受其影响。因此，屏蔽框将检测轴彼此分离，使得在一个检测轴的方向上的信号的损失和冲击不会直接导致在其它检测轴的方向上的检测误差。因此，可以将运动限制器结构安全地布置到屏蔽框106。有利地，而非必要地，运动限制器结构是挠性的，以减少冲击时接触的结构元件被破坏的风险。
[0024]有利地，屏蔽框106被布置成接近运动元件100。已知的是，由两个表面形成的狭窄的间隙对气体的垂直于表面的位移进行限制。当表面的运动挤压间隙时，气体压力增加，这使运动减速。表面越接近，运动就越有效地被减速。在常规应用中，典型地，运动元件的梳状结构(comb structure)在至少一个方向上包括使得能够适用气体阻尼的距离。在其它方向上，气体阻尼不是有效的。
[0025]因此，在应用电容性梳状结构的微米级加速度计中，有利地，第二间隙110的宽度具有梳齿间隙的宽度的量级。在转子相对于定子的位置取决于悬挂弹性结构的中性状态下，梳齿间隙可以被认为是对应于平行的且相邻的定子梳条与转子梳条之间的距离。有利地，第二间隙110的宽度是这样的梳状盖(comb cap)的宽度的0.5倍至5倍。屏蔽电极106允许设置非常狭窄的第二间隙，并且因此设置用于运动元件100的转子在所有方向上的非常有效的气体阻尼。另一方面，可以根据其它运行参数或制造要求来自由地对元件框104以及具体地第二间隙定尺寸。
[0026I图2A图示了用于运动元件和屏蔽框的示例性配置。图2B示出了图2A中标记的放大的部分B连同相关联的元件框的一部分。图2C示出了图2A中标记的放大的部分C。如可以从图2A至图2C中所看到的那样，微机电结构可以包括:运动元件，其被实现为具有运动转子梳齿200和定子梳齿202的梳状结构。运动转子梳齿200可以从转子框204向内延伸。转子框204可以由被锚定的屏蔽框206围绕，而屏蔽框206可以由被锚定的元件框220围绕。那么，第一间隙224是元件框220与屏蔽框之间的元件间隙，而第二间隙218是屏蔽框206与转子框204之间的元件间隙。转子框204可以在第一方向D上具有自由度。
[0027I图2A至图2C的示例性运动元件包括:冲击元件226，其用于运动元件内的第一运动限制器级。可以使用梁的组合来实现第一运动限制器级，梁中的一个被耦接到锚定器，而梁中的另一个被耦接到转子框204。梁的侧端在方向D上由第一限制器间隙222分离开，第一限制器间隙222窄于屏蔽框206与转子框204之间的第二间隙218。在某个点处，当转子框204在方向D上的运动增大时，第一限制器间隙222闭合，梁端部接触并对运动进行限制。
[0028]图2A至图2C的示例性运动元件还包括运动元件与屏蔽框之间的第二运动限制器级。如所示的那样，作为第二冲击元件，被锚定的屏蔽框206可以包括:一个或多个框凸起216，其与转子框204由第二间隙218分离开。为了使得能够获得正确的接触次序，第二间隙218在方向D上的长度大于第一限制器间隙222的长度(即第一运动限制器级的梁的侧端之间的在方向D上的距离)。
[0029]因此，在与设计极限有较小偏差的情况下，转子框204可以在方向D上运动，因此第一梁彼此进行接触并且弹性地抵抗过度的运动。由于梁的接触表面的优化形式，所以它们之间的附着力是极小的，使得悬挂弹性结构的恢复力可以容易地适于足以在接触之后拉动元件离开。因此，梁的恢复力可以被布置成在正常过载的情况下实际上呈现为刚性的。
[0030]在转子框204的运动较大的情况下，梁发生弯曲，并且最终框凸起216与转子框204相接触。有利地，第一运动限制器级中的梁的弹性常数适于提供足够大的恢复力，以克服第二冲击元件中的接触表面之间的附着力，并且在接触之后将转子框拉回到运动。特别是在转子倾向于移动(转子被悬挂以具有自由度)的方向上，二级运动限制器机构是重要的，这是由于由支撑弹性结构提供的恢复力是非常低的。可以在最小的表面积中实现不同优化的运动限制器级的组合，并且在各种运行干扰之后，它们以组合的方式提供有效的恢复。
[0031]可以将屏蔽框206与转子框204之间的第二间隙218保持得非常小，这使得能够实现结构中的有效的气体阻尼。在图2A至图2C的实施例中，第二间隙218的宽度等于转子梳齿200与定子梳齿202之间的梳齿间隙的宽度。当转子框204与屏蔽框206处于相同的电位时，经由第二运动限制器级的运动限制器结构的可能接触不会使元件短路。屏蔽框206消除内部电磁场或静电场对转子框204的运动的影响，并且同时使得有效的运动限制装置成为可能。元件框220将其所围绕的内部元件与外部电气干扰进行电屏蔽。
[0032]示意图3图示了包括使用图1和图2所描述的微机电结构的示例性微机电装置的原理。微机电装置可以包括第一部300和第二部302。第一部300可以包括:机械元件，其包括微机电结构。第二部302可以包括:电路，其被连接以输入来自微机电结构的电信号。如图3所示，可以将第一部内生成的一个或多个信号输入到第二部302的电路。可以将输入到电路的一个或多个信号用于生成表示惯性传感器的测量结果的信号S。
[0033]可以将微机电装置包括在包括各个传感器元件的组合传感器元件中，举几个例子，有线的或移动的计算装置、游戏装置或通讯装置、测量装置、渲染装置或者车辆功能控制单元。
[0034]对于本领域的技术人员而言以下是显而易见的:随着技术的进步，可以用各种方式来实现本发明的基本思想。因此，本发明及其实施例不受上述示例的限制，而且它们可以在权利要求的范围内变化。
【主权项】
1.一种微机电结构，包括: 运动元件(100)，其包括被悬挂到支撑件的转子； 第一框(104)，其被锚定到所述支撑件，并且围绕所述运动元件；以及 第二框(106)，其被锚定到所述支撑件，并且在所述运动元件(100)与所述第一框(104)之间围绕所述运动元件，所述第二框(106)与所述第一框(104)电隔离;其中 所述转子和所述第二框(106)被电耦接，以具有相同电位。2.根据权利要求1所述的微机电结构，其特征在于，所述微机电结构包括一个或多个另外的运动元件，每个另外的运动元件由专用的第二框(216)围绕，并且第一框(220)围绕所述微机电结构中的所有运动元件。3.根据权利要求2所述的微机电结构，其特征在于， 所述运动元件的转子(204)被悬挂，以在第一方向(D)上具有自由度； 所述微机电结构包括至少一个其它的运动元件；以及 所述其它的运动元件的转子被悬挂，以在垂直于所述第一方向的方向上具有自由度。4.根据前述权利要求中任一项所述的微机电结构，其特征在于，所述微机电结构包括:运动限制器结构，其通过闭合所述转子与所述第二框之间的元件间隙(218)而被激活。5.根据权利要求4所述的微机电结构，其特征在于，所述屏蔽框包括所述运动限制器结构的至少一个冲击元件(216)。6.根据权利要求4或5所述的微机电结构，其特征在于，所述微机电结构包括:至少两个冲击元件，其提供在所述元件间隙内被连续激活的运动限制器级。7.根据权利要求6所述的微机电结构，其特征在于， 第一冲击元件(226)响应于所述转子在特定方向上的位移通过闭合第一限制器间隙(222)来引发接触，在所述特定方向上，所述第一限制器间隙(222)小于所述元件间隙(218);以及 第二冲击元件(216)响应于所述运动元件在所述特定方向上的位移通过闭合所述元件间隙(218)来引发接触。8.根据权利要求7所述的微机电结构，其特征在于，所述第一冲击元件包括挠性元件。9.根据权利要求8所述的微机电结构，其特征在于，所述烧性元件提供在所述特定方向上的弹性常数，所述弹性常数适于提供大于在所述第二冲击元件中接触的附着力的恢复力。10.根据权利要求4至9中任一项所述的微机电结构，其特征在于， 所述运动元件包括:梳状结构，其包括平行的定子梳条和转子梳条，其中，梳齿间隙是平行的且相邻的定子梳条与转子梳条之间的距离；以及 所述第二间隙的宽度是所述梳齿间隙的宽度的0.5倍至5倍。11.根据权利要求10所述的微机电结构，其特征在于，所述第二间隙的宽度等于所述梳齿间隙的宽度。12.—种微机电装置，其特征在于，包括根据所述权利要求1至11中任一项所述的微机电结构。
【文档编号】G01P15/08GK106030315SQ201580010237
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年2月26日
【发明人】维尔-佩卡·吕特克宁
【申请人】株式会社村田制作所