利用多个较小的mems器件替换较大的mems器件的方法

专利名称：利用多个较小的mems器件替换较大的mems器件的方法
技术领域：
本发明的实施例主要涉及其中多个较小的微机电系统(MEMS)器件替换单个较大的MEMS器件的设备和利用该设备的方法。
背景技术：
按照惯例，利用半导体加工来生产MEMS器件。这能够低成本地制造加速度计、压力传感器、低电阻电流开关或RF开关、可变电容器件、谐振器和其他器件。为了使大多数这些器件以所希望的物理性质来工作，这些器件通常覆盖几百平方微米的面积。因此，利用在后端形成的典型层间电介质或者在后端形成的金属化，很难将这种器件密封在空腔中，因为这些器件的厚度大约为1微米。在许多射频应用中，希望具有例如能够用于调谐天线组件中的谐振LRC电路的可变电容器。该可变电容器能够用于在移动式电话或可以在多种不同频率下使用的其他装置中的载波频率之间切换。这些器件的操作通常需要低压空腔，其导致作用于该空腔顶部的压力。由于MEMS 器件的宽度超过100微米，因此，该空腔在外部压力下将会发生下陷。为了解决这一问题， 将MSMS器件单独进行封装，而这会使器件的价格翻倍。在一些应用中，在与微控制器或其他逻辑器件相同的芯片上具有MEMS器件是有利的，但是由于其必须被单独封装，因此是不太可能的。多年来已经利用各种显微机械加工技术来制造基于MEMS的加速度计。这些基于 MENS的加速度计的大多数依靠对于由梁所悬挂的单个试验物质进行的精密显微机械加工， 从而设置该传感器的灵敏度和信号范围。典型的感测方案是基于电容的，但是也已经使用了其他感测策略。正常情况下，试验物质的尺寸在至少两个维度上大约为100微米，而在第三空间维度上的尺寸可能是几微米。一旦增加了悬挂系统，那么就需要从反面晶片粘接到完全气密封装的范围内的细致封装策略。这些复杂的封装策略增加了传感器的成本，并限制了传感器完全集成在标准线路后端(BEOL)或标准封装流程中的能力。因此，需要一种集成到芯片中的器件及其制造方法。

发明内容
这里公开的多个实施例主要包括利用大量的小MEMS器件来替换单独的较大MEMS 器件的功能。大量的较小MEMS器件执行与较大器件相同的功能，但是由于其尺寸较小，因此能够利用互补金属氧化物半导体(CM0Q兼容工艺将这些较小的MEMS器件封装在空腔中。大量的较小器件上计算的平均信号使得较小器件的阵列的精度相当于该较大的器件的精度。首先通过考虑使用基于MEMS的加速度开关阵列来举例说明该过程，其中该开关阵列具有集成的惯性响应的模数转换。在第二个实例中，将会讨论将大的基于MEMS的可变电容器分割为较小的MEMS可变电容器的阵列，在该大的基于MEMS的可变电容器中，通过MEMS 开关和着陆电极之间的间隙来控制电容，该较小的MEMS可变电容器并联连接并且或者向上吸附以远离该着陆电极，或者向下吸附到该着陆电极之上的薄氧化层。因此，该阵列能够
4充当数字可变电容器。在一个实施例中，可以将MEMS器件用作可变电容器，从而将该电容器分割成较小的MEMS电容器的阵列。这些较小的电容器可以容纳(house)在空腔中，该空腔能够在CMOS 兼容工艺中在半导体集成器件的后端金属化中制造。每个较小的电容器都具有两种含义明确的电容状态或者全部拉入顶部具有薄绝缘体的着陆电极，或者全部独立于远离悬臂的信号线。通过将电容器分割为并联起作用的大量较小的电容器，只要每个可变电容器的电容小到足以提供所需要的电容分解(resolution in capacitance)，那么就能够形成所希望的电容。在另一个实施例中，公开了一种器件结构。该器件结构可以包括基底和在该基底上形成的多个层。该多个层的第一层可以界定在该结构中形成且位于该基底与该多个层之间的一个或多个空腔。该结构还可以包括布置在该基底上方且位于该一个或多个空腔中的多个器件。在另一个实施例中，公开了一种利用器件结构的方法。该器件结构可以包括一个或多个空腔以及在该一个或多个空腔中的多个器件。每个器件可以包括相对应的着陆电极。该方法可以包括向该多个着陆电极施加第一电偏压以便使该多个器件从与多个着陆电极隔开的第一位置移动到与该多个着陆电极接触的第二位置。该方法还可以包括移动该多个器件中的一个或多个，并且检测在加速之后保持与该多个着陆电极接触的许多器件。该方法还可以包括向该多个着陆电极施加第二电偏压以便使该多个器件移动到第二位置。在另一个实施例中，公开了一种利用器件结构的方法。该器件结构可以包括一个或多个空腔以及在该一个或多个空腔中的多个器件。每个器件可以包括布置在该空腔中的相对应的着陆电极。该方法可以包括将所有器件移动到与该着陆电极隔开的第一位置，并且移动该多个器件中的一个或多个。该方法还可以包括在加速之后移动到接触该多个着陆电极的第二位置的大量器件，并且将所有器件移动到第一位置。在另一个实施例中，公开了一种操作数字可变电容器的方法。该数字可变电容器具有在空腔中形成的多个微机电器件。该方法包括将多个悬臂从与RF电极隔开第一距离的第一位置移动到与该RF电极隔开第二距离的第二位置。该第一距离大于该第二距离。该方法还包括将该多个悬臂移动到第一位置。该方法另外包括将该多个悬臂移动到与RF电极隔开第三距离的第三位置，该第三距离大于该第一距离。


因此按照这种方式能够详细地理解本发明在上面列举的特征，上面简要概括的本发明的更详细的描述可以参考各个实施例，附图中示出了其中的一些实施例。然而，应当注意，附图仅仅示出了本发明的典型实施例，因此不应当认为限制了本发明的范围，对于本发明而言，可以允许有其他同样有效的实施例。图1A-1I显示出依照本发明实施例的封装方法。图2A是在将空腔密封之前的结构的横截面示意图。图2B是在溅射蚀刻过程中结构2B的横截面示意图。图2C是在将空腔密封之后的图2A的结构。图3是根据一个实施例的不对称开关的图表。
图4是容纳在微腔中的阵列的加速度计的图表。图5是扭转铰链的预期变化分布的图表。图6是显示出作为触点静摩擦的函数的变化分布的图表。图7显示出由于粘附力变化和扭转臂的弹簧常数变化所引起的拉离力的组合分布。图8A显示出设计的Ft分布。图8B显示出包括设计变化的Fs-Ft分布。图9显示出一个实施例的每隔不同时间间隔测得的加速度。图10是根据另一个实施例的不对称开关的图表。图11是具有两个扭转侧壁和大试验物质的扭转悬臂的俯视图。图12是根据一个实施例的用于加速度计的电路的示意图。图13是根据一个实施例的阵列的小加速度计的示意图。图14是根据一个实施例的控制电极和RF电极的俯视示意图。图15是根据一个实施例的在控制电极和RF线路之上的悬臂的俯视示意图。图16是根据一个实施例的沿RF电极排列的多MEMS器件的俯视示意图。图17A-17C是根据一个实施例的MEMS电容器开关处于独立状态、向下状态和向上状态的横截面示意图。
为了便于理解，尽可能使用相同的附图标记来表示这些附图中共用的相同的元件。应当认为在没有特别说明的情况下一个实施例中公开的元件用在其他实施例中也是有利的。
具体实施例方式这里讨论的实施例一般包括利用大量的小MEMS器件来替换单独的较大MEMS器件或数字可变电容器的功能。这里讨论的解决方案包括将单个MEMS器件或可变电容器分割成较小的MEMS器件的阵列，其执行与该单个较大的MEMS器件或可变电容器相同的功能。阵列中的每个单独的MEMS器件可以只有几微米宽，因此可以容纳在空腔中，该空腔适合位于后端金属化中。空腔的顶部例如可以是1微米厚的层间电介质，并且由于其仅有几微米宽， 因此外面的大气压并没有大到足以致使该空腔顶部发生任何显著的变形，甚至对于真空腔也是如此。为了图解说明为什么在测量一些物理现象方面小MEMS器件的阵列优于单个大的 MEMS器件，这里所讨论的一些实施例显示出MEMS加速度计的应用，但是本发明利用多个较小的MEMS器件来替换较大的MEMS器件并不限于这种应用。本发明能够用于制造由许多并联的小悬臂所组成的快速低压电流开关，或者RF 开关，或者也能够将可变电容器分割成并联工作的较小开关的阵列。其优点在于通过用大量较小的器件来替换较大的MEMS器件，能够将每一个较小的器件的尺寸减小到能够利用淀积、光刻和蚀刻的CMOS兼容工艺将其封装在芯片上。通过按比例缩小所有这些器件，能够减小切换电压并且能够增大切换速度。这些较小的MEMS器件也能够被容纳在它们自己的在标准的CMOS工艺的层间电介质中限定的空腔中。通过利用低于400摄氏度的温度来制造这些MEMS器件和空腔，能够将
6它们很容易地集成到标准CMOS工艺的金属化层中，使MEMS器件能够结合到CMOS芯片上。 由于不再需要具有更为昂贵的MEMS封装的单独的MEMS芯片，因此减少了生产成本。通过利用CMOS制造设备中的在单独MEMS器件周围制造微腔，可以去掉在该MEMS 器件周围的牺牲层，并且可以利用相同的加工工具将其密封，这意味着可以在低压状态控制该器件环境，并且避免暴露于例如氧或水蒸汽中。这允许在空腔中使用没有发生氧化的过渡金属，因此这些过渡金属具有低电阻接触表面。本文公开了一种MEMS开关阵列或集合(ensemble)，其中每个开关或多个开关都它们自己的CMOS内的内部空腔内。通过利用较小开关的阵列，可以使用集成方案，其中可以将各个开关或者各个小组的开关嵌入到通常在半导体加工中所形成的金属层之间的小
空腔中。按照与测量单个较大器件的电容相同的方式通过测量悬臂在加速力下移动时悬臂阵列的电容变化来实现感测，或者按照许多其他的方式来实现感测。然而，大量开关提供一种新型的测量技术，其由在有限时间取样间隔中检查每个开关的电连续性的简单动作而组成。诸如加速度的惯性载荷致使一定百分比的开关在取样周期中从闭合变为断开。当单个开关改变状态时，其形成数字信号事件。改变状态的这些开关的集合的原始百分比形成整数，该整数代表模拟惯性输入的幅值。因此开关的集合的灵敏度依赖于开关的设计、接触电极的粘附分布以及开关的总数。通过施加试图克服摇臂另一端的粘附的DC拉离电压 (pull off voltage)，能够增大这些开关对于加速度事件的灵敏度。因此，微小的超过的力就会致使悬臂移动到将其拉离接触电极的位置点。按照这种方式，能够测量较小的加速度值。也能够沿其他方向来操作该器件，其中悬臂是独立的，并且加速将使其接通。因此，能够通过电极在闭合时使用DC电压，以便施加直流静电力，该直流静电力试图拉动该悬臂使其接触，因此微小的超过的加速就能致使该悬臂接通。现在参考图1A-1I来描述在微腔内形成器件的方法。为了描述如何将微腔内的元件连接到该微腔外面的电路，图中显示出固定端MEMS悬臂的制造。如应当理解的，可以在该微腔中封装任何其他适合的器件，其包括加速度计、可变电容器或RF开关和三路开关。 并且如应当理解的，此后描述的实施例能够以采用金属间电介质(IMD)膜的化学机械平面化(CMP)的任何BEOL的方式制造。图IA示出了依照本发明的方法的第一步骤的结果。该第一步骤由利用已知CMOS 工艺步骤来制造，其能够在铝CMOS BEOL中达到预定金属水平面(metal level)的晶片组成。该CMOS BEOL包括金属间介电层102，其中具有金属通道104。在一个实施例中，介电层102可以包括二氧化硅。利用诸如常规光刻和蚀刻工艺等已知方法来制造通路106。通路106可以包括衬里层和金属填充物。在一个实施例中，该衬里可以包括钛。在另一个实施例中，该衬里可以包括氮化钛。在一个实施例中，填充物材料可以包括钨。在另一个实施例中，该填充物材料可以包括铜。在另一个实施例中，该填充物材料可以包括铝。可以用钛和/或氮化钛层来覆盖通路106。可以利用常规的光刻和蚀刻工艺使钛和/或氮化钛层构成图案从而形成多个电极108，这些电极之一将成为MEMS悬臂器件的下电极。图IB示出该方法第二步骤的结果。该步骤包括在已构图的电极108上方的晶片表面上涂覆第一牺牲层110的下半部分。由于该层是第一牺牲层110，因此将其厚度选择为允许该器件在最后得到的空腔中操作。在一个实施例中，第一牺牲层110可以具有在大约
730nm和大约500nm之间的厚度。第一牺牲层110可以包括高温旋压有机膜。然而也可以采用其他膜来达到同样的效果，所述其他膜诸如氮化硅、二氧化硅、非晶硅和无定形碳。也可以采用其他淀积方法，包括等离子体增强的化学汽相淀积(PECVD)、化学汽相淀积(CVD)、 物理汽相淀积(PVD)和原子层淀积(ALD)。旋压第一牺牲层110可以使其在下面多层中的任何不规则处流动，由此产生平坦的层，其中膜的厚度取决于下面的材料的高度。图IC显示出该方法的第三步骤的结果。第三步骤包括使第一牺牲层110中的通路结构112构成图案以便形成从下面的CMOS到悬臂器件的定位点(anchor point)的互连。 图ID显示出该方法的第四步骤的结果，该第四步骤包括在第一牺牲层110之上淀积导电层。在一个实施例中，该导电层可以包括氮化钛。在其他实施例中，该导电层可以包括钛铝化合物、氮化钛铝化合物、多晶硅、硅、任何导电材料及其组合。在另一个实施例中，可以由导电和绝缘部件的组合来制成该层。该导电层将会形成该悬臂器件的悬臂。一旦淀积了该导电层，就可以利用常规的光刻和蚀刻工艺来将该导电层构成图案，以便形成悬臂114的形状。在一个实施例中，通过在导电层上淀积光致抗蚀剂层、将光致抗蚀剂曝光、对光致抗蚀剂进行显影、去掉已显影(或未显影的)光致抗蚀剂以形成掩模、然后通过掩模将导电层暴露于蚀刻剂以去掉导电层不希望有的部分，来将导电层构成图案。此后，可以去掉掩模。 在一个实施例中，可以使用硬掩模。图IE显示出该方法第五步骤的结果，该第五步骤包括将晶片表面涂覆第二牺牲层116以便覆盖已构图的悬臂114。淀积第二牺牲层116使得在形成微腔之前有效地密封了该MEMS器件。可以按照与淀积第一牺牲层110的方法类似的方式来淀积第二牺牲层 116。另外，第二牺牲层116还可以包括一个或多个高温旋压有机膜、氮化硅、二氧化硅、非晶硅或无定形碳。在一个实施例中，第二牺牲层116可以包括与第一牺牲层110相同的材料。在另一个实施例中，第二牺牲层116可以包括与第一牺牲层110不同的材料。图IF显示出该方法第六步骤的结果，该第六步骤包括将第一牺牲层110和第二牺牲层116构成图案以便形成微腔118的形状。已构成图案的微腔118的形状和尺寸取决于将要被制造的结构。可以通过常规的光刻和蚀刻方法，来将第一牺牲层110和第二牺牲层 116构成图案。例如，可以在第二牺牲层116上方淀积光致抗蚀剂层。然后，可以将该光致抗蚀剂曝光并显影。此后，可以去掉已显影(或未显影的)光致抗蚀剂以便形成掩模。然后，可以通过该掩模而将第二牺牲层116暴露于蚀刻剂，以便去掉第二牺牲层116的不希望有的部分。可以在与第二牺牲层116相同的步骤中蚀刻第一牺牲层110。例如，如果第二牺牲层116和第一牺牲层110包括相同的材料，那么可以使用相同的蚀刻剂。然而，如果二者使用不同的材料，那么可能需要不同的蚀刻剂来蚀刻单独的层。图IG显示出该方法第七步骤的结果。在该步骤中，继续该CMOS BEOL流程，并且淀积下一个金属层120。可以将金属层120均厚淀积(blanket deposit)在CMOS BEOL上和已构图的第二牺牲层116上，随后进行蚀刻工艺。在一个实施例中，可以通过掩模对金属层 120进行构图淀积。金属层120可以与一个或多个电极108以及介电层102接触。在将金属层120构成图案之前，金属层120可以将微腔118封装。一旦淀积了金属层120，随后利用上面讨论的常规的光刻和蚀刻工艺将金属层120构成图案并将其蚀刻。在将金属层120 构成图案并蚀刻之后，金属层120可以与微腔118外面的电极108接触，以便提供与将要在微腔118上方形成的金属化层之间的电连接。另外，在金属层120蚀刻之后，该金属层还可以具有一个或多个穿过侧壁的开口，这些开口或者充满第二牺牲层116或者充满第一牺牲层110，或者充满二者。侧壁中的开口允许蚀刻剂到达微腔118，并去掉第一牺牲层110和第二牺牲层116。在另一个实施例中，部分第二牺牲层116、部分第一牺牲层110或二者可以延伸超出金属层120的侧壁作为释放调整片(release tab)。图IH中显示出该方法的第八步骤的结果。该步骤包括从该晶片表面除去已构图的牺牲层，以便留下独立的MEMS器件122。在一个实施例中，可以利用干法等离子体蚀刻来去掉第一牺牲层110和第二牺牲层116。在另一个实施例中，可以利用相同的蚀刻剂来去掉第一牺牲层110和第二牺牲层116。在另一个实施例中，可以利用不同的蚀刻剂来去掉第一牺牲层110和第二牺牲层116。用于去掉第一牺牲层110和第二牺牲层116的蚀刻剂可以是与用于将第一牺牲层110和第二牺牲层116构成图案的蚀刻剂相同的蚀刻剂。经由金属层120的侧壁将一种或多种蚀刻剂送到第一牺牲层110和第二牺牲层116，或者将所述蚀刻剂直接送到释放调整片。在一个实施例中，可以通过蚀刻穿过金属层120的孔以暴露出牺牲层110、116的一个或多个的一部分，来去掉牺牲层110、116。该孔可以穿过金属层120，从而穿过微腔118 的顶部而形成释放孔。在另一个实施例中，可以将金属层120构成图案，以便使牺牲层110、 116从微腔118的顶部暴露出来，而不是使其暴露于微腔118的侧面。在另一个实施例中， 可以将金属层120构成图案，以便使牺牲层110、116从微腔118的侧面暴露出来。图II显示出该方法的第九步骤。该步骤包括淀积IMD或介电层122，以便在CMOS BEOL内有效地密封制造好的微腔118。介电层122可以包括二氧化硅。介电层122密封微腔118中的任何开口，以便封装该悬臂。如应当理解的，微腔118的最终形状取决于其内所要包含的结构。微腔118的高度小于介电层122的总高度，从而使微腔118适合位于介电层122中。因此，可以以不会因稍后的金属化层而改变工艺流程的结构来形成微腔118。 通过使微腔118适合位于介电层122中，与不存在微腔118所出现的情况相比，不需要在介电层122上方的附加处理。在一些实施例中，该空腔可以占据大于一个层间电介质的高度。 因此，随后的金属层能够不受干扰地在上面继续。在图2A中，对基底202和层204进行溅射蚀刻，而在该过程的初始阶段期间，可以对层206和层208进行溅射蚀刻，直到通过溅射和再淀积层202和204而充分地涂覆了这些表面。对最后得到的材料进行再淀积，以便密封空腔210，由此形成再淀积层。在一个实施例中，层204可以包括硬掩模层。在该释放孔的底部对基底202进行局部地溅射蚀刻。也可以对来自层204的材料进行溅射蚀刻。可以将来自层204的材料再淀积到基底202上， 并且沿着在沟槽中的层206、208的侧面进行该再淀积。来自层204的再淀积材料也可以溅射蚀刻并且帮助密封空腔210。这样，可密封空腔210的材料可以来自基底202、层204乃至层206和208。换句话说，密封空腔210的材料来自于在开始密封时已经在该结构上存在的材料。不需要诸如CVD等单独淀积乃至来自辅助源的溅射，所述辅助源比如是与该结构分开的溅射靶或者气体前体。可以选择基底材料以适合再淀积层的要求。在一个实施例中，基底材料可以包括氧化物。在其他实施例中，基底材料可以包括氮化硅、金属、多晶硅及其组合。如图2B中所示，等离子体位于远离基底202的位置。因此，用于溅射蚀刻的气体不应当朝外靶加速，而是应当朝基底202加速。这能够在其中可相对于等离子体而对基底202负向偏压的装置上来实现，例如当对该基底施加RF偏压的时候。一些溅射气体在等离子体中发生电离并且朝基底202加速。当加速粒子到达表面时，对处于这些加速粒子的路径(line-of-sight)中的材料进行溅射蚀刻(或溅射)。然后，这些粒子将沿不同方向射出。射出粒子的一些射回到该等离子体中，其他则将再淀积在侧壁上和通道入口上。图2C显示出利用溅射蚀刻之后再淀积的材料212来密封多个空腔210。已经在该类似通路的结构的底部对基底202进行了局部地溅射蚀刻。在一个实施例中，基底202提供了朝侧壁和通道216再淀积的大部分材料214。可以根据对于再淀积层的要求来选择基底材料。层204也会被溅射蚀刻再淀积。应当注意确定多层叠层的顶层的材料和厚度，因为其在溅射蚀刻过程中将经历大部分的离子轰击。由于溅射蚀刻速率是依赖于角度的，因此可能在层204的拐角处形成一些小平面214。这些小平面214在溅射蚀刻继续执行时进一步彼此背向移动。然而，在某一时间点，通道216处已经淀积了足够的材料来将其闭合。如果期望的话，可以在层204的下面使用具有低溅射速率的蚀刻停止层。如果需要的话，这将会避免使用蚀刻层208，并且限制溅射蚀刻过程中发生的小平面雕刻的量。如果必要的话， 其还可以用于微调来自于顶部的再溅射材料相对于来自于底部的再溅射材料的比率。由于该溅射蚀刻在惰性环境中发生，因此空腔将充满惰性气体而不是淀积气体。本发明用于实现加速度计的实施例可由许多不对称的转动开关组成，其中每个开关都充当试验物质，扭转元件充当悬挂构件。使每个开关相对于扭转支柱(torsion leg) 不对称允许惯性载荷(加速度)产生绕旋转中心(扭转支柱的轴)的反应力矩。图3中显示出了不对称开关的简单的自由体受力图。参考图3，图3是阵列中单个加速度计的示意图。位于左边的试验物质是自由的， 以便在加速度A下绕扭簧旋转。试验物质的质心远离旋转点一定距离。接触凸起位于右边， 并且存在根据杠杆臂距离扭矩点的长度b和扭转力Ft得到的回复扭矩。参考图4，图4是在微腔408中容纳的阵列的加速度计之一的图表，该微腔408的内部具有低压气体。电极401对于试验物质而言是上拉电极。电极405是下拉电极，其允许通过拉动触点410离开着陆电极404而使该加速度计复位。通过测量电极404和触点410 之间的接触电阻来感测该加速度计的下降接触。也可以经由扭簧臂403使触点410和试验物质电接触。在空腔中容纳的器件具有在牺牲层上制造的顶部和壁406，该牺牲层能够利用气体蚀刻通过释放通道411而去掉。用淀积层409密封这些释放通道。该器坐落于下面的 CMOS芯片的层间电介质407上，并且该空腔嵌入在层间电介质412的最接近的最高水平面中。根据图3可知，试验物质(M)的加速度㈧引起绕扭簧的轴的力矩，其增加了在扭簧中储存的力矩。静摩擦力(Fs)产生反向力矩(opposing moment)。绕扭转轴的简单的力矩平衡能够产生下列对于开关保持断开或闭合的条件。当下面条件成立时，开关断开M*A*a+Ft*b > Fs*b当下面条件成立时，开关闭合M*A*a+Ft*b < Fs*b质量的不对称度(a和b的比率)和尺寸以及扭转支柱(Ft)和触点粘附(Fs)的设计成为用于实现传感器的期望范围的设计参数。为了感测小加速度，优选的是调整扭矩支柱以产生在触点粘附的期待值(Fs)处的或其附近的拉离力(Ft)。按照这种方式，在整个阵列被静电强制闭合之后，该阵列中占总数大约50%的开关将会自发地释放(充当非永久性开关)。其余50%的开关将会保持闭合 (即，充当永久性开关)。50%的数量是整个开关阵列的(Ft)和(Fs)的值的正态分布的结^ ο扭转支柱例如可具有如图5中所示的(Ft)分布，图5显示出由于扭转铰链的变化所引起的在触点位置上拉力的分布。这种变化是由支柱的蚀刻尺寸的微小变化、开关与接触电极之间的隔离物的高度变化、以及用于形成支柱的金属淀积厚度和组成成分的变化而产生的。这些变化结合在一起形成了在扭转支柱中已储存的应变能的总变化，其随后又产生了这些支柱施加于触点的力的变化。触点粘附可具有与图6中所示的类似的分布，图6显示出作为触点形态变化的结果的静摩擦力分布。该触点粘附变化是接触面积的尺寸和形状的结果。触点所用的材料以及该触点的表面粗糙度、用于判读该触点的电压和/或安培数将会对该变化产生影响。可以将触点调节用作对粘附分布进行操作的另一种技术。触点调节是一个过程，通过该过程，能够通过牵引悬臂来改变表面粗糙度和触点清洁度，从而使其接触着陆电极，并且因此增大拉入电压，而这进一步导致该表面被推动到更加密切的接触。这致使一个表面上的更多的粗糙粘附于另一个表面上，从而产生更大的粘附力。开关机械特性与触点表面粘附之间的差值分布也是具有较宽标准偏差的正态分布。图7显示出由于粘附力变化和扭转臂的弹簧常数变化所引起的拉离力的组合分布。因此，传感器阵列的分辨率是该差值分布的宽度除以阵列中开关的总数。例如，如果单个开关能够分辨在数字意义上的10000+/-1000G的冲击(即满足闭合到断开条件)，那么全部以相同条件状态为中心的10000个开关能够分辨在10000+/-0. IG范围内的G个电平。这种分布的宽度甚至形状也能够通过改变每个悬臂的设计来进行控制，使得这些悬臂不被设计为相同。利用不同悬臂设计的整个范围，例如可以使该分布成为如图8A和8B 中所示的较宽的正态分布或者成为不同形状的分布。图8A显示出通过设计得到的Ft分布。 图8B显示出包括设计变化的Fs-Ft分布。图8A中的轨迹显示出拉离力的分布函数的实例，这可以通过在悬臂阵列上的设计变化而产生。图8B中的曲线显示出拉离力的分布，其考虑了扭转拉离力的设计变化以及由于制造过程中的正常变化所引起的扭转力的随机变化和由于悬臂区域的表面形态变化所引起的粘附能的随机变化，所述悬臂区域在操作过程中粘住或不粘住。到目前为止描述的所有变化根源都是非时变的，并且都是在阵列或集合的构造过程中产生的。如果触点粘附的一些变化随时间而变化，那么实际取样的分辨率将会低于理论值。触点调节是可以随时间改变的变化的实例。触点老化也可能对这种变化产生影响。在第一操作实施例中，开关阵列在样本周期开始时设置为闭合状态，然后在该样本周期结束时再次读取。通过按照比模拟惯性输入信号中感兴趣的最高频率更快的速率进行取样，能够如图9中所示地实现精确的输入表示，图9显示出了每隔不同时间间隔测得的加速度。
11
开关阵列的输出因其特有性质而始终是数字信号，因此实现了自动的模数转换。 表1中显示出这种转换的实例
时间步骤
表1
(DT)
开关断开的百分比
50%
开关闭合的百分比
50%
数字差值(10000个开关)
2 3
5
60% 66% 49% 38%
40% 34% 51% 62%
2000 3200 -200 -2400在最终测试期间可能需要对产生的数字响应进行校准；然而，在加电期间也很容易进行该区域中的自校准。如果需要更大范围的加速度，那么可以利用对阵列的一部分进行偏压以通过扭转支柱、触点面积或其他任何设计参数的改变而具有更大的不对称性，来人工地加宽该差值分布。可以利用开关的数量的增加来产生大的灵敏度。可以将这种利用开关阵列来对粘附的差值分布进行二次取样的基本技术扩展为通过对拉入电极上的电压进行取样而测量作为输入信号的模拟电压。本发明用于实现阵列加速度计的可替换实施例可以具有与在前实施例相同的设计，但是每个开关都保持在断路状态。这种实施例的优点在于不再呈现粘附能的分布，因此能够产生较窄的分布。然后，将拉入电压所引起的附加的静电力(FE)施加于调谐电极以便使悬臂接近切换。在这一点上，当芯片经受小加速度时，悬臂就将发生切换。同样，由于阵列接通电压的分布，开关切换的数量是加速度级别的量度。当下列条件成立时，开关变为闭合FE*a-M*A*a > Ft*b在这种情况下，如果加速度为负(S卩，加速度向上)，那么悬臂将会发生切换。当下列条件成立时，该开关保持断开FE*a-M*A*a < Ft*b当没有施加电压时，悬臂坐落于实质为抛物线的能量阱中。扭转回复力是线性取决于小位移的位移角。加速度必须足够大以便移动扭转悬臂，直到使触点410到达图4右手侧的着陆电极404。当发生这种接触时，粘附力保持悬臂处于接通状态，其中对电阻进行测量并判断该悬臂已经发生切换。然后能够利用施加于左侧臂下的电极(图4中的电极405) 的电压而使该悬臂发生静电复位。现在该悬臂被复位并能够测量下一个加速度力。由于这些小悬臂的质量小，因此静电切换时间可以非常快速，使得悬臂能够在 200ns内复位。该断开时间与可能需要被测量的最大机械振动频率相比是非常小的。通过使悬臂接地而增加附加的静电力并且在图4所示电极401上施加上拉电压，使悬臂旋转，从而在悬臂粘住着陆电极之前，该悬臂具有所要加速跨越的更小距离。按照这种方式，能够电力控制悬臂的灵敏度。当上拉电极与悬臂试验物质之间具有恒定的电压差时，由于电场增大，因此当悬臂试验物质更接近上拉电极时，引力会增大。来自扭转臂的回复力是线性取决于该距离的，因此该上拉电压也有效地减小了该回复力。这使得对于同样的外部加速度而言该试验物质的移动更大，这也增大了单独的加速度计的灵敏度，或者替代的是，可以假定在电极401上的上拉电压减小了悬臂的弹簧常数。 下式给出了作用在长度为L、宽度为W、间隙为d0的悬臂上的力的简单模型，该悬臂偏转一段距离X且其弹簧常数为k
_4] F一 =—、+ ·^^_Ια 其中V是电极401上的外加电压。这产生了有效弹簧常数 , , sLw τ_2 k 琐二增大电极401上的电压的幅值将会减小悬臂的有效弹簧常数，使其对于加速度更灵敏并且移动该悬臂更接近着陆电极，因此在切换之前需要更少的运动。在这种模式下操作的优点在于与时间或切换有关的粘附力改变不会导致灵敏度改变。该器件能够按照两种方式工作。在第一种方式中，施加拉入电压，因此悬臂的一半拉入，然后加速度致使额外的悬臂接通。然后，记录切换的数量，并且将所有悬臂复位和拉入，从而使悬臂的一半接通。然后将这些悬臂拉离并且一半拉入。在相同的样本中连续不断地重复这一过程，并且保持如上面的技术。一开始，在制造过程中查明在没有施加加速度的情况下将一半悬臂接通所需要的电压，并且将该电压存储在芯片内。在第二种方式中，所有悬臂都被拉入并且对每个阈值进行记录。然后，再次将所有悬臂拉入，并且再次测量每个悬臂的阈值移位。因此，阈值电压的总移位是加速度的量度， 并且这能够以比能够测量一个悬臂的精密度更优的精密度来进行测量，所述更优的精密度为而。上面的技术需要悬臂以非常高的速度进行切换，但是由于该感测利用了在接通状态的电阻(可以是1至IOK欧姆)与断路状态的电阻(大于IOM欧姆)之间的电阻变化， 因此测量灵敏度非常高。这种电阻变化可以相当容易地在IOOns内进行测量。这意味着能够在小于200ns内测量悬臂的状态并使其复位，同时提供大于IMHz的带宽。假如需要测量的最大机械加速度是IOKHz或更小，那么这可以允许测量加速度超过100次，从而提供至少为10的额外的灵敏度改进。本发明利用较小悬臂的阵列而不是一个较大悬臂来测量加速度的另一个实施例是测量在所有试验物质与所有电极之间的电容变化，所述电极类似在试验物质之下的电极 1。这增加了 N个并联的电容，使其N倍大。悬臂的热振动给出了对测量的基本限制。这对于大的加速度计是正确的，对于并联作用的N个小悬臂也是这种情况。利用在试验物质与固定电极之间的电容改变，能够感测悬臂的运动。由于电容是线性取决于间隙的改变，因此能够从电容的改变推导出该运动并因此推导出加速度。如用于单个大悬臂的差动电容感测电路同样能够用于作为并联电容而测量的N个小悬臂。
对于加速度计灵敏度的基本限制之一是由振动模式的热激发给出的。均方力噪声是由*βΤΒ给出的，其中B是弹簧阻尼器模型的阻尼项。这可以依据谐振频率其等于
I，其中K是弹簧常数，m是悬臂的质量)和品质因数Q(其由,来表示)来描述。该位 mB
移与加速度成比例，并且与谐振频率的平方成反比，即x = 因此，布朗运动噪声将会导
致加速度噪声，该加速度噪声由下式给出
权利要求
1.一种器件结构，其包括基底；在所述基底上形成的多个层，该多个层的第一层界定了在该结构内形成的且位于该基底与该多个层之间的一个或多个空腔；以及在所述基底上方且位于所述一个或多个空腔内的多个微机电器件。
2.根据权利要求1所述的器件结构，进一步包括在所述一个或多个空腔的至少一个内的上拉电极，该上拉电极与所述多个微机电器件上方的第一层耦合。
3.根据权利要求2所述的器件结构，进一步包括从所述基底到布置在所述一个或多个空腔上方的一个或多个层的通路连接。
4.根据权利要求3所述的器件结构，其中所述一个或多个空腔中的至少一个具有长度、宽度和高度，其中该长度或宽度的至少一个在大约20微米和大约30微米之间。
5.根据权利要求1所述的器件结构，其中所述一个或多个空腔和多个微机电器件被嵌入到互补金属氧化物半导体中。
6.根据权利要求1所述的器件结构，其中所述多个器件的第一器件与所述多个器件的第二器件具有不同的设计。
7.根据权利要求1所述的器件结构，进一步包括第一电极；第二电极；以及多个悬臂，每个悬臂都可以从接触所述第一电极的位置移动到与所述第一电极和所述第二电极都隔开的位置，再移动到接触所述第二电极的位置。
8.根据权利要求7所述的器件结构，其中该器件结构是数字可变电容器。
9.根据权利要求8所述的器件结构，进一步包括第三电极，其中该多个悬臂中的每一个都耦合到该第三电极。
10.一种使用器件结构的方法，该器件结构具有一个或多个空腔以及布置在该一个或多个空腔的每一个内的多个器件，该方法包括向一个或多个着陆电极施加第一电偏压，以便使该多个器件从与所述一个或多个着陆电极隔开的第一位置移动到与所述一个或多个着陆电极接触的第二位置；通过施加加速度而移动该多个器件中的一个或多个；检测在加速之后保持与所述一个或多个着陆电极接触的器件数量；以及向该多个着陆电极施加第二电偏压以便使该多个器件移动到第二位置。
11.根据权利要求10所述的方法，其中该检测包括检测在该一个或多个着陆电极与相对应的器件之间是否存在电力连续性。
12.根据权利要求11所述的方法，其中该多个器件包括扭簧、与该扭簧耦合并且可绕该扭簧旋转的试验物质、以及与该扭簧耦合且与该试验物质相对的电阻触点，其中该器件结构进一步包括布置在该试验物质上方的一个或多个上拉电极以及布置在该试验物质下面的下拉电极，该方法包括向该一个或多个上拉电极以及该下拉电极施加电偏压，该电偏压足以克服在该多个器件与该多个着陆电极之间的静摩擦力。
13.根据权利要求10所述的方法，进一步包括向该多个器件的一个或多个施加上拉力，其中该上拉力不足以使该多个器件的全部都从接触该着陆电极的位置离开，其中施加上拉力与移动该多个器件的一个或多个分开进行。
14.根据权利要求10所述的方法，其中该多个器件包括扭簧、与该扭簧耦合并且可绕该扭簧旋转的试验物质、以及与该扭簧耦合且与该试验物质相对的电阻触点，其中该器件结构进一步包括布置在该试验物质上方的一个或多个下拉电极以及布置在该试验物质下面的上拉电极，该方法包括，其中该检测包括为每个器件测量在该试验物质与该下拉电极之一或与该上拉电极之间的电容变化。
15.根据权利要求10所述的方法，其中该一个或多个悬臂包括多个悬臂，每个空腔在其中都具有一个或多个器件。
16.一种操作数字可变电容器的方法，该数字可变电容器具有在空腔内形成的多个微机电器件，该方法包括将多个悬臂从与RF电极隔开第一距离的第一位置移动到与该RF电极隔开第二距离的第二位置，该第一距离大于该第二距离； 将该多个悬臂移动到第一位置；以及将该多个悬臂移动到与RF电极隔开第三距离的第三位置，该第三距离大于该第一距离。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括向一个或多个第一电极施加电偏压，以便将该多个悬臂从第一位置移动到第二位置。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括向一个或多个第二电极施加电偏压，以便将该多个悬臂移动到该第三位置。
19.根据权利要求18所述的方法，其中该多个微机电器件并联工作。
20.根据权利要求16所述的方法，其中该多个微机电器件并联工作。
全文摘要
本申请公开的多个实施例主要包括利用大量的小MEMS器件来替换单独的较大MEMS器件或数字可变电容器的功能。大量较小的MEMS器件执行与较大的器件相同的功能，但是由于其尺寸较小，因此能够利用互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容工艺将这些较小的MEMS器件封装在空腔中。对大量较小的器件进行平均的信号使得较小器件的阵列的精度相当于该较大的器件的精度。通过考虑使用基于MEMS的加速度开关阵列来举例说明该过程，其中该开关阵列具有集成的惯性响应的模数转换。还通过考虑利用基于MEMS的器件结构来举例说明该过程，其中该MEMS器件并联地工作以作为数字可变电容器。
文档编号B81C1/00GK102256893SQ200980147111
公开日2011年11月23日 申请日期2009年11月6日 优先权日2008年11月7日
发明者查尔斯·戈登·史密斯, 理查德·L·奈普, 维克拉姆·乔希, 罗伯图斯·彼得勒斯·范坎彭, 罗伯托·加迪, 阿纳特兹·乌纳穆诺 申请人:卡文迪什动力有限公司