专利名称：具有同轴和离轴方位的微机械设备结构的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及集成的角速度和加速度传感器(“多传感器”)，并且尤其涉及能够提供1个加速度感测轴和2个角速度感测轴的微机械多传感器，以及一种制造此种多传感器的技术。
背景技术：
熟知的是，微机械多-传感器包括至少一个加速度计，该加速度计用于提供在单-传感器设备中的加速度感测和角速度感测的指示。如1995年2月28日发布的、名为“MICRO-MACHINEDACCELEROMETER GYROSCOPE”的美国专利No.5,392,650中所述，传统的微机械多传感器包括一对加速度计，在该对加速度计中，每个加速度计包括固定到衬底上的刚性加速度计框，以及利用多个弯曲部分(flexure)自所述刚性框悬挂下来的检验块(proof mass)。所述微机械多传感器通常具有单-加速度感测轴和与该单-加速度感测轴垂直的相关联的单-旋转感测轴。此外，所述微机械多传感器通常被配置为同时沿着振动轴反相振动所述检验块，该振动轴垂直于所述加速度轴和旋转轴。
在当传统微机械多传感器经历线性和旋转运动时以反相的方式同时振动所述检验块的情况下，产生线性加速度和科里奥利加速度力，该线性加速度和科里奥利加速度力相对于衬底偏转所述检验块。所述多传感器被配置为感测各个检验块的偏转，并且产生相应的加速度感测信号，该加速度感测信号的值与所述偏转的幅度成正比。由于振动的检验块对线性加速度的响应是同相的，而检验块对科里奥利加速度的响应是反相的，所以可以通过相加或相减所述信号来分别抵消旋转或线形分量，从而分离所述感测信号的线性加速度分量(包含加速度感测信息)和旋转加速度分量(包含角速度感测信息)。
上述传统微机械多传感器的一个缺点在于，它通常提供仅仅1个加速度感测轴和仅仅1个角速度感测轴，然而，它在单-传感器设备中提供多于一个加速度感测和/或角速度感测轴时通常是有利的。
在1999年2月9日发布的、名为“MICRO-MACHINED DEVICEWITH ROTATIONALLY VIBRATED MASSES”的美国专利No.5,869,760中描述能够相对于两个旋转感测轴测量旋转速度的第二传统微机械传感器。所述微机械传感器包括一对加速度计以及邻近的一对加速度感测电极，在该对加速度计中，每个加速度计包括形式为圆梁的块，利用多个弯曲部分将该块悬挂在所述衬底上方。与所述微机械传感器相关联的两个旋转感测轴处于所述衬底的平面中。此外，所述微机械传感器被配置为以反相方式可旋转地振动所述圆梁，也就是，顺时针/逆时针交替地旋转一个圆梁，同时以基本上同样的量反方向地旋转另一梁。
在当传统微机械多传感器经历线性和旋转运动时同时反相地旋转所述圆梁的情况下，产生线性加速度和科里奥利加速度力，该线性加速度和科里奥利加速度力相对于所述衬底偏转所述梁。所述加速度感测电极感测各个梁的偏转，并且产生相应的加速度感测信号，该加速度感测信号与所述偏转幅度和相对于所述旋转感测轴的旋转速度成正比。由于所述感测信号的旋转加速度分量(包括角速度感测信息)的符号对应于所述圆梁的旋转方向，所以可以通过相减所述分量来抵消所述线性分量，从而将所述感测信号的所述旋转分量与线性加速度分量分离。然而，虽然所述微机械传感器能够提供多于一个角速度感测轴，但是其缺点在于，它通常不能提供加速度感测信息。
熟知的是，制造微机械传感器和多传感器的传统技术在制造工艺中使用牺牲材料层和结构材料层。一种此种熟知的制造技术是表面微机械，在表面微机械中，微机械设备基本上被制造在衬底的表面上。所述传统表面微机械技术包括在所述衬底(例如，硅)的表面上淀积牺牲材料(也就是，二氧化硅，SiO2)层或结构材料(也就是，多晶硅)层。在构建所述微机械设备的功能元件时使用结构材料，而在所述制造方法的最后步骤中顺序地移除所述牺牲材料。利用掩膜图案来掩蔽所述淀积的牺牲材料层或结构材料层，该掩膜图案通常是使用光刻处理来传递的。接着，蚀刻未由所述掩膜保护的下层材料来将所述掩膜图案传递到该特定材料层。随后，重复所述淀积、掩蔽和蚀刻步骤，直到所述微机械设备的功能元件的构建完成。最后，通过蚀刻或采用其他方式移除下层和/或周围的牺牲层来解除(release)所述结构材料的一个或多个部分。传统表面微机械制造技术通常是低成本的，并且通常允许在所述微机械设备的功能元件附近使用电子电路。
然而，在用于制造微机械传感器和多传感器时，所述传统表面微机械技术存在缺点。例如，微机械多传感器通常包括至少一个其对准和/或宽度是所述传感器设备的最优性能的关键(critical)的功能元件。由于在构建所述传感器设备的功能元件时使用的所述掩膜图案是根据直线栅格(rectilinear grid)的水平和垂直间距来布置的，因此很难获得所述功能传感器元件的关键(critical)对准和宽度。
因此，期望具有一种微机械多传感器设备，其提供加速度感测和角速度感测两者，并且避免上述传统微机械传感器设备的缺点。
发明内容
根据本发明，公开一种微机械多传感器，该微机械多传感器提供1个加速度感测轴和2个角速度感测轴。当前公开的微机械多传感器包括至少一对加速度计，该对加速度计提供在电性上独立的加速度感测信号，该加速度感测信号包括与相对于一个或多个感测轴的加速度感测和角速度感测有关的信息。
在第一实施例中，所述微机械多传感器包括一对加速度计，每个加速度计包括利用多个弯曲部分悬挂在衬底上方且固定于所述衬底上的块。所述多传感器在所述衬底的平面上具有相互正交的两个关联的旋转感测轴，以及一个与所述两个旋转轴垂直的相关加速度感测轴。此外，每个块具有横对称轴和纵对称轴以及与横轴和纵轴垂直的相关联的驱动旋转轴。每个加速度计还包括沿着所述横轴安置的第一对加速度感测电极结构，以及沿着相应的块的纵轴安置的第二对加速度感测电极结构。所述多传感器还包括叉形部件，该叉形部件被配置来耦合所述两个块来允许所述相对地反相移动且阻止所述块同相移动。将所述块固定于所述衬底的所述多个弯曲部分被配置为将所述块限制为基本上仅仅按照旋转的方式相对于所述衬底移动。
在当前公开的实施例中，所述微机械多传感器包括驱动电极结构，该驱动电极结构被配置来用于反相可旋转地振动所述块，也就是绕着其旋转轴顺时针/逆时针交替地旋转一个块，而同时绕着另一块的转动轴以基本相同的量按照相反的方向旋转该另一块。在具有可旋转地振动的块的多传感器经历线性和/或旋转运动的情况下，所述第一和第二对加速度感测电极基于施加于所述块上的线性加速度和科里奥利加速度力，产生在电性上独立的加速度感测信号。所述多传感器被配置来(1)相加由第一加速度计的第一对加速度感测电极感测的加速度之差以及由第二加速度计的第一对加速度感测电极感测的加速度之差，从而获得与相对于所述多传感器的横向旋转轴的角速度感测有关的信息，(2)相加由第一加速度计的第二对加速度感测电极感测的加速度之差以及由第二加速度计的第二对加速度感测电极感测的加速度之差，从而获得与相对于所述多传感器的纵向旋转轴的角速度感测有关的信息，以及(3)相加由第一加速度计的第一对加速度感测电极感测的加速度之和、由第二加速度计的第一对加速度感测电极感测的加速度之和，由第一加速度计的第二对加速度感测电极感测的加速度之和以及由第二加速度计的第二对加速度感测电极感测的加速度之和，从而获得与相对于所述多传感器的加速度轴的加速度感测有关的信息。
在第二实施例中，所述微机械多传感器包括两对加速度计，该两对加速度计被安置来形成方阵。每个加速度计包括悬挂在衬底上方且固定于该衬底的块。所述多传感器还包括各自的叉形部件，该叉形部件耦合相邻对块，以允许所述邻近块相对反相地移动和阻止邻近块同相移动。所述微机械多传感器在所述衬底的平面中具有互相正交的两个相关的旋转感测轴，以及一个与所述两个旋转轴垂直的相关的加速度感测轴。每个加速度计还包括沿着横轴安置的第一对加速度感测电极结构，以及沿着相应的块的纵轴安置的第二对加速度感测电极结构。所述两对加速度计被以镜像的方式安置在相应旋转轴的相对侧。由于所述微机械多传感器的该第二实施例的增强对称性，所以多传感器设备可以更容易地将中心定位于所述模片上，从而减少模片表面区域变形和梯度造成的不利影响。
在第三实施例中，制造所述微机械多传感器的方法包括在所述衬底表面上淀积牺牲材料层或结构材料层。在构建所述传感器设备的功能元件时使用结构材料，而在所述制造方法的最后步骤中顺序地移除所述牺牲材料。随后，利用预定掩膜图案来掩蔽牺牲材料层或结构材料层，其中该预定掩膜图案是使用具有多水平和垂直间距的直线栅格来形成的。所述掩膜图案用来定义所述传感器设备的功能元件。在所述微机械多传感器具有至少一个其对准和/或宽度是所述传感器设备的最优性能的关键的第一功能元件的情况下，所述第一功能元件由所述掩膜图案来定义，使得其纵轴基本上平行于所述掩膜的水平轴或垂直轴。在所述微机械多传感器具有至少一个其对准和/或宽度不是所述传感器设备的最优性能的关键的第二功能元件的情况下，所述第二功能元件由所述掩膜图案来定义，使得其纵轴基本上不平行于所述掩膜的水平轴或垂直轴。
通过配置上述微机械多传感器来包括至少一对加速度计，其中每个加速度计具有块且分别沿着所述块的对称的横轴和纵轴提供两对在电性上独立的加速度感测信息，可以通过合适地相加和/或相减加速度感测信号来获得1个加速度感测轴和2个角速度感测轴。此外，通过利用至少一个掩膜来定义所述传感器设备的功能元件，使得具有关键对准和/或物理尺寸的功能元件被安置来基本上平行于所述掩膜的水平轴和垂直轴，而非关键(non-critical)元件偏离(orient off)所述掩膜的轴，从而获得改善的传感器性能。
根据本发明的下述详细描述，本发明的其他特点、功能和方面将会更加明显。
参考下述附图，结合下述详细描述，将会更加全面地理解本发明。在附图中图1是根据本发明的微机械多传感器的简化方框图；图2是图1的微机械多传感器的详细平面图；图3是在图1的微机械多传感器中包括的加速度感测信号处理电路的示意图；图4是图1的微机械多传感器的替换实施例的简化方框图；图5是图4的微机械多传感器的详细平面图；图6是图2的微机械多传感器的操作方法的流程图；图7a-7d是图4的微机械多传感器的功能元件的详细视图；图8a-8b是示出所述微机械多传感器的制造方法的图4的微机械多-传感器的截面图；和图9是图4的微机械多传感器的制造方法的流程图。
发明详述在此将2003年4月28日提交的、名为“MICRO-MACHINEDDEVICE STRUCTURES HAVING ON AND OFF-AXISORIENTATIONS”的美国临时专利申请No.60/466,082引入，作为参考。
公开了一种微机械多传感器，该微机械多传感器在单-传感器设备中提供1个加速度感测轴和2个角速度感测轴。当前公开的多传感器对称地布置在模片上，由此改善产量以及改善所述多传感器设备的整体性能。
图1描述了根据本发明的微机械多传感器100的例示实施例。在所述例示实施例中，所述多传感器100包括一对加速度计102和104。所述加速度计102和104分别包括块103和105，其中每个块基本上是圆形的。应该理解的是，可选择地，块103和105可以是基本上为正方形、六边形、八边形或任何其他合适的几何形状。利用多个弯曲部分(未示出)将所述圆形块103和105固定于衬底101上，并且悬挂在所述衬底101上方。所述多传感器100还包括叉形部件106，该叉形部件106用于耦合所述两个圆形块103和105，从而允许所述块相对反相移动，并且阻止所述块同相移动。固定所述圆形块103和105并且将所述圆形块103和105悬挂在所述衬底101上方的多个弯曲部分被配置来将所述块限制为基本上仅仅以旋转方式相对于所述衬底101移动。
例如，所述衬底101包括硅衬底，或任何其他合适类型的衬底。此外，使衬底101经历任何合适的微机械处理(比如表面微机械)来形成微机电系统(MEMS)多传感器设备。应该注意的是，经由任何合适处理形成MEMS多传感器100的圆形块103、105和耦合叉形部件106是现有技术。
如图1中所示，多传感器100在衬底101的平面上具有相互正交的两个关联的旋转感测轴X和Y，以及与所述旋转轴X和Y(例如，垂直于衬底101)垂直的一个关联的加速度感测轴Z。所述多传感器100被配置为提供两个相对于旋转轴X和Y的角速度感测的指示，以及一个相对于所述加速度轴Z的加速度感测的指示。此外，所述圆形块103和105中的每个具有对称的横轴和纵轴(未标识)和一个旋转轴(例如，旋转轴142和144，见图1)，其中该旋转轴垂直于与其关联的所述横轴和纵轴。
所述多传感器100还包括加速度感测电极结构108-115，该加速度感测电极结构108-115沿着各个圆形块103和105的纵轴和横轴安置。具体而言，所述加速度感测电极结构108-109和112-113分别沿着所述圆形块103的所述纵轴和横轴彼此完全相对地安置，所述加速度感测电极结构110-111和114-115分别沿着所述圆形块105的所述纵轴和横轴彼此完全相对地安置。所述加速度感测电极结构108-115中的每个包括安置在各个圆形块的表面上的第一电极，以及安置在与第一电极相对的衬底101的表面上的第二电极，由此形成一个差分电容器，该差分电容器的电容值基于第一和第二电极之间的距离而增加/减少。所述多传感器100包括被配置来感测电容值中的变化的电路，该电路被配置来提供在电性上独立的加速度感测信号，该加速度感测信号包括与分别相对于旋转轴X、Y和加速度轴Z的角速度感测和加速度感测有关的信息。例如，加速度感测电极结构108-115的第一电极和第二电极中的每个由多晶硅(“多晶硅”)、扩散区域、金属或任何其他合适的材料制成。
图2描述了微机械多传感器100(见图1)的详细平面视图200。如图2所示，微机械多传感器200包括一对加速度计202和204。加速度计202和204分别包括基本上为圆形的块203和205，利用多个弯曲部分将该圆形块203和205固定于衬底201(比如，硅衬底)上，并且将其悬挂在所述衬底201上方。具体而言，固定所述圆形块203并且悬挂所述圆形块203的多个弯曲部分中的每个包括固定部分(anchor)270和应力释放部件260，并且固定所述圆形块205并且悬挂所述圆形块205的多个弯曲部分中的每个包括固定部分272和应力释放部件262。在所述例示的实施例中，应力释放部件260和262中的每个在其中心自由地对折，以释放应力。由于这种配置可以导致恢复力和力矩的一些局部不对称，所以所述被折叠的部件260和262被成对安置以维持平衡(见图2)。
所述多传感器200还包括叉形部件206和加速度感测电极结构208-215。所述叉形部件206被配置成耦合所述两个圆形块203和205，以允许所述块相对地反相旋转移动和阻止所述块同相旋转移动，如同现有技术中所知。所述加速度感测电极结构208-215沿着各个圆形块203和205的纵轴和横轴安置。
应该注意的是，圆形块203和205、叉形部件206、加速度感测电极结构208-215分别基本上等效于多传感器100的所述圆形块103和105、叉形部件106、加速度感测电极结构108-115(图1)。此外，如图3所示的旋转感测轴X和Y，以及加速度感测轴Z对应于参考图1描述的旋转感测轴X和Y，以及加速度感测轴Z。
如图2所示，多传感器200包括固定于衬底201的多个驱动电极结构240和242，该多个驱动电极结构240和242被配置为反相可旋转地振动所述圆形块203和205，也就是，在绕其旋转轴顺时针/逆时针交替地旋转一个圆形块时，同时绕着另一圆形块的旋转轴以基本上同样的量反方向地旋转另一个圆形块。具体而言，所述驱动电极结构240被使用来绕所述转动轴282可旋转地振动所述圆形块203，并且所述驱动电极结构242被使用来绕所述转动轴284可旋转地振动所述圆形块205。在当前公开的实施例中，所述驱动电极结构240和242分别沿着圆形块203和205的径向轴安置。此外，所述驱动电极结构240和242中的每个包括多个电极(“指针(finger)”)，该多个指针与相应的多个指针互相交错在一起，该相应的多个指针分别沿圆形块203和205的至少一个径向边缘延伸出去。所述驱动电极结构240和242耦合到信号源(未示出)，该信号源用于产生驱动信号来按照振动的方式反相可旋转地振动所述块203和205，如方向箭头280所示。
所述多传感器200还包括多个速度感测电极结构250和252，该多个速度感测电极结构250和252固定于所述衬底201上且被配置来分别感测圆形块203和205的振动速度。在当前公开的实施例中，所述速度感测电极结构250和252分别沿着圆形块203和205的径向轴安置。此外，所述速度感测电极结构250和252中的每个包括多个指针，该多个指针与相应的多个指针互相交错在一起，该多个指针分别沿圆形块203和205的径向边缘延伸出去。所述速度感测电极结构250和252的所述互相交错的指针形成差分电容器，该电容器的电容值基于所述圆形块203和205是否沿顺时针或逆时针旋转而增加/减少。所述多传感器200包括电路(未示出)，该电路被配置来感测电容值中的变化，以及基于所述改变的电容值提供圆形块203和205的振动速度的速度感测指示。
本领域中的普通技术人员应该明白的是，由于圆形块203和205分别绕着所述旋转轴282和284振动，而所述多传感器200绕着圆形块203和205的径向轴(未标识)旋转，所以所述圆形块203和205经历了沿着各自旋转轴282和284的科里奥利加速度。此外，由于所述圆形块203和205反相振动，所以所述科里奥利加速度被按照相反的方向施加到各个圆形块上。结果是，视在的科里奥利力被施加到圆形块203和205上，并且相对于所述衬底201，按照相反的方向偏转所述圆形块203和205。
例如，在图中使用符号“+”和“-”来表示由于所施加的科里奥利力造成的圆形块203和205的偏转的相对方向。如图2中所示，圆形块203的加速度感测电极结构208-209和212-213分别被标识为-，+，-和+；圆形块205的加速度感测电极结构210-211和214-215分别被标识为+，-，+和-；以指示所述施加的科里奥利力相对于所述衬底201按照相反的方向偏转所述圆形块203和205的这些相应区域。
应该注意的是，分别利用相反的符号-和+来标识圆形块203的沿着纵轴的加速度感测电极结构208-209以及沿着横轴的加速度感测电极结构212-213。同样，分别利用相反的符号+和-来标识圆形块205的沿着纵轴的加速度感测电极结构210-211以及沿着横轴的加速度感测电极结构214-215。这是因为，在所述公开的实施例中，所述圆形块203和205是刚性结构，其被配置来响应于所述施加的科里奥利力来相对于所述衬底201倾斜。
而且，由于所述施加的科里奥利力按照相反的方向偏转所述圆形块203和205，所述圆形块203和205对相对于旋转轴X和Y的科里奥利加速度的响应是反相的，而所述圆形块203和205对相对于加速度轴Z的线形加速度的响应是同相的。因此，经由所述加速度感测电极结构208-215提供的电性上独立的感测信号可以被相加和/或相减来从所述感测信号提取与所述线性加速度对应的信息(也就是，加速度感测信息)，以及从所述感测信号中提取与所述科里奥利加速度对应的信息(也就是，所述角速度感测信息)。
图3描述了加速度感测信号处理电路300的例示实施例，该信号处理电路被配置来从加速度感测电极结构208-215(见图2)提供的加速度感测信号中提取所述加速度感测信息和所述角速度感测信息。例如，所述信号处理电路300可以在与多传感器200相同的一个衬底上实现。在所述例示的实施例中，所述感测信号处理电路300包括多个求和放大器302-306以及多个差分放大器308-309，其用于相加/相减所述加速度感测电极结构208-215感测的加速度，以提取所述加速度感测信息和所述角速度感测信息。
具体而言，所述加速度感测电极结构208-209感测的加速度包括相对于加速度轴Z的线形分量Az和相对于所述旋转轴Y的时变旋转分量ay(w)，而所述加速度感测电极结构210-211感测的加速度包括相对于加速度轴Z的线形分量Bz和相对于所述旋转轴Y的时变旋转分量by(w)。应该注意的是，所述旋转分量ay(w)和by(w)按照角速度振动频率w改变，并且与绕着与所述振动速度矢量垂直的径向轴旋转的速度成正比。由于圆形块203和205的振动速度相反，并且加速度感测电极结构208-209感测的加速度分别为Az+ay(w)和Az-ay(w)，而加速度感测电极结构210-211感测的加速度分别为Bz+by(w)和Bz-by(w)。同样，加速度感测电极结构212-213感测的加速度分别为Az+ax(w)和Az-ax(w)；而加速度感测电极结构214-215感测的加速度分别为Bz+bx(w)和Bz-bx(w)。
如上所述，所述圆形块203和205(见图2)对相对于旋转轴X和Y的科里奥利加速度的响应是反相的，而所述圆形块203和205对相对于加速度轴Z的线性加速度的响应是同相的。因此，所述圆形块203和205(见图2)对由加速度ay(w)和-ay(w)，by(w)和-by(w)，ax(w)和-ax(w)，bx(w)和-bx(w)表示的相对于旋转轴X和Y的科里奥利加速度的响应是反相的，而所述圆形块203和205对由加速度Az和Bz表示的相对于加速度轴Z的线性加速度的响应是同相的。
如图3中所示，表示由电极结构213-214感测的加速度Az-ax(w)和Bz+bx(w)的信号被分别施加于所述求和放大器302，该求和放大器302被配置为相加这些加速度，并且将所述得到的和提供给所述差分放大器308。同样，表示由电极结构212和215感测的加速度Az+ax(w)和Bz-bx(w)的信号被分别施加于所述求和放大器303，该求和放大器303被配置为相加这些加速度，并且将所述得到的和提供给所述差分放大器308。所述放大器308将向其提供的各个信号和相减，并且产生指示相对于旋转轴X的角速度感测的信号2ax(w)+2bx(w)(“X-角速度”)。
此外，表示电极结构208和211感测的加速度Az+ay(w)和Bz-by(w)的信号被分别施加给求和放大器304，该求和放大器304被配置为相加这些加速度，从而将所述得到的和提供给所述差分放大器309。表示由电极结构209-210感测的加速度Az-ay(w)和Bz+by(w)的信号被分别施加于所述求和放大器305，该求和放大器305被配置为相加这些加速度，从而将所述得到的和提供给所述差分放大器309。所述放大器309将向其提供的各个信号和相减，并且产生指示相对于旋转轴Y的角速度感测的信号2ay(w)+2by(w)(“Y-角速度”)。而且，所述求和放大器302-305将其各自的信号输出提供给所述求和放大器306，该求和放大器306产生指示相对于加速度轴Z的加速度感测的信号4Az+4Bz(“Z-加速度”)。
图4描述了根据本发明的微机械多传感器400的第二例示实施例。在所述例示的实施例中，所述多传感器400包括两对加速度计402和404，以及406和408，其被安置为形成一个方阵。所述加速度计402、404、406和408分别包括块403、405、407和409，每个块基本上为正方形。然而，应该理解的是，可选择地，所述块403、405、407和409可以是基本上为圆形、六边形、八边形或任何其他合适的几何形状。
利用多个弯曲部分(未示出)将所述正方形块403、405、407和409悬挂在衬底401上方且固定在所述衬底401上。所述多传感器400还包括耦合邻近块403和405的叉形部件410、耦合邻近块403和407的叉形部件412，耦合邻近块407和409的叉形部件414，以及耦合邻近块405和409的叉形部件416。所述叉形部件410、412、414和416被配置来耦合所述块403、405、407和409，以允许所述邻近块相对反相地旋转移动，并且阻止所述邻近块绕旋转轴452、454、456和458同相旋转移动。
类似于所述多传感器200的衬底201(见图2)，所述多传感器400的所述衬底401(见图4)包括硅衬底，或任何其他合适类型的衬底。此外，使衬底401经受任何合适的微机械处理(比如表面微机械)来形成微机电系统(MEMS)多传感器设备。
如图4中所示，多传感器400在衬底401的平面上具有相互正交的两个关联的旋转感测轴X和Y，以及与所述旋转轴X和Y垂直的一个关联的加速度感测轴。类似于所述多传感器200(见图2)，所述多传感器400提供两个相对于旋转轴X和Y的角速度感测的指示，以及一个相对于所述加速度轴Z的加速度感测的指示。
所述多传感器400还包括加速度感测电极结构418-421、426-429、422-425和430-433，所述加速度感测电极结构418-421、426-429、422-425和430-433沿着所述块403、405、407和409的所述纵轴和横轴彼此完全相对地安置。所述加速度感测电极结构418-433中的每个包括安置在各个块的表面上的第一电极，以及安置在与第一电极相对的衬底401的表面上的第二电极，由此形成其电容值基于第一和第二电极之间的距离而增加/减少的差分电容器。该电容值被用来提供电性上独立的加速度感测信号，该加速度感测信号包括与分别相对于旋转轴X、Y和加速度轴Z的角速度感测和加速度感测有关的信息。
例如，所述加速度感测电极结构418-419、420-421、426-427和428-429分别被使用来提供加速度Az+ay(w)和Az-ay(w)、Bz+by(w)和Bz-by(w)，Cz+cy(w)和Cz-cy(w)，以及Dz+dy(w)和Dz-dy(w)的指示，其中，Az、Bz、Cz和Dz是相对于加速度轴Z的线性加速度分量，而ay(w)、by(w)、cy(w)和dy(w)是相对于所述旋转轴Y的时变旋转加速度分量。此外，所述加速度感测电极结构422-423、430-431、424-425和432-433分别被使用来提供加速度Az+ax(w)和Az-ax(w)、Bz+bx(w)和Bz-bx(w)，Cz+cx(w)和Cz-cx(w)，以及Dz+dx(w)和Dz-dx(w)，其中，ax(w)、bx(w)、cx(w)和dx(w)是相对于所述旋转轴X的时变旋转加速度分量。通过合适地相减各个加速度，所述线形分量抵消，留下包括与相对于所述旋转轴X和Y的角速度感测有关的信息的旋转分量。而且，通过合适地相加各个加速度，所述旋转分量抵消，留下包括与相对于所述加速度轴Z的加速度感测有关的信息的线形分量。
图5描述了微机械多传感器400(见图4)的详细平面视图500。如图5所示，微机械多传感器500包括两对加速度计502和504，以及506和508。加速度计502和504、506和508分别包括基本上为正方形的块503、505、507和509，利用多个弯曲部分将该正方形块503、505、507和509固定于衬底501(比如，硅衬底)上，并且悬挂在所述衬底501上方。具体而言，固定所述块503并且悬挂所述块503的多个弯曲部分中的每个包括固定部分570和应力释放部件560，固定所述块505并且悬挂所述块505的多个弯曲部分中的每个包括固定部分572和应力释放部件562。固定所述块507并且悬挂所述块507的多个弯曲部分中的每个包括固定部分574和应力释放部件564。固定所述块509并且悬挂所述块509的多个弯曲部分中的每个包括固定部分576和应力释放部件566。应该注意的是，所述固定/压力释放部件对沿着各个块503、505、507和509的纵轴和横轴安置。类似于所述压力释放部件260和262(见图2)，应力释放部件560、562、564和566中的每个在其中心自由对折以便释放应力。由于这种配置可以导致恢复力和力矩的一些局部不对称，所以所述被折叠的部件560、562、564和566被成对安置以维持平衡(见图5)。所述多传感器500还包括叉形部件510、512、514和516。该叉形部件510、512、514和516被配置来耦合所述邻近块，以允许所述块相对反相旋转移动，并且阻止所述块同相旋转移动，如同现有技术中所述。
应该注意的是，所述块503、505、507和509以及叉形部件510、512、514和516分别基本上等效于多传感器400(见图4)的块403、405、407和409以及叉形部件410、412、414和416。此外，如图5所述的旋转感测轴X和Y以及加速度轴Z对应于参考图4在上面描述的旋转感测轴X和Y以及加速度感测轴Z。
所述多传感器500(见图5)包括多个驱动电极结构540、542、544和546，该多个驱动电极结构540、542、544和546固定于衬底501上，且被配置为分别可旋转地振动所述块503、505、507和509，使得邻近块反相振动。驱动电极结构540、542、544和546中的每个包括多个指针，该指针沿着所述块的径向安置，且与从所述块的至少一个径向边缘延伸出去的相应多个指针互相交错在一起。在优选实施例中，所述驱动电极结构540、542、544和546分别被对角地安置在所述块503、505、507和509上。
所述多传感器500还包括多个速度感测电极结构550、552、554和556，该多个速度感测电极结构550、552、554和556固定于所述衬底501上且被配置来分别感测块503、505、507和509的振动速度。类似于驱动电极结构540、542、544和546，速度感测电极结构550、552、554和556中的每个包括沿着所述块的径向轴安置的多个指针，该指针与从所述块的至少一个径向边缘延伸出去的相应多个指针互相交错在一起。在所述例示的实施例中，所述速度感测电极结构550、552、554和556分别沿着块503、505、507和509的横轴安置。应该注意的是，在所述多传感器500绕所述块的径向轴(未标识)旋转时，在图5中使用符号“+”和“-”来指示由于给其施加的科里奥利力造成的振动块503、505、507和509的偏转的相对方向。
应该明白的是，所述加速度计502、504、506和508以及叉形部件510、512、514和516被按照镜像方式安置在所述多传感器500的对称的横轴的每侧上以及对称的纵轴的每侧上。因此，所述多传感器500可以对称地将中心定位于所述模片(未示出)，以减少模片表面区域变形以及梯度对所述多传感器500的性能造成的不利影响。
参考图6来描述操作本公开的微机械多传感器，比如多-传感器200(见图2)，的方法。如步骤602中所述，所述块203和205分别绕着所述转动轴282、284反相可旋转地振动，而所述多-传感器200经历线性/旋转运动。应该理解的是，所述旋转轴X和Y处于所述多传感器衬底201的平面中，并且线性加速度轴Z垂直于所述旋转轴。接着，如步骤604中所述，将分别由加速度感测电极结构208-209产生的加速度感测信号Az+ay(w)和Az-ay(w)相减，以产生所述感测信号之差2ay(w)。同样，如步骤604中所述，将分别由加速度感测电极结构210-211产生的加速度感测信号Bz+by(w)和Bz-by(w)相减，以产生所述感测信号之差2by(w)。随后，如步骤606中所示，将信号2ay(w)和2by(w)相加，以产生信号和2ay(w)+2by(w)，该信号和包括与相对于旋转轴Y的角速度感测有关的信息(Y-旋转)。接着，如步骤608中所述，将分别由加速度感测电极结构212-213产生的加速度感测信号Az+ax(w)和Az-ax(w)相减，以产生所述感测信号之差2ax(w)。同样，如步骤608中所述，将分别由加速度感测电极结构214-215产生的加速度感测信号Bz+bx(w)和Bz-bx(w)相减，以产生所述感测信号之差2bx(w)。随后，如步骤610中所示，将信号2ax(w)和2bx(w)相加，以产生信号和2ax(w)+2bx(w)，该信号和包括与相对于旋转轴x的角速度感测有关的信息(X-旋转)。最后，如步骤612中所述，将信号Az+ay(w)、Az-ay(w)、Bz+by(w)、Bz-by(w)、Az+ax(w)、Az-ax(w)、Bz+bx(w)、Bz-bx(w)相加，以产生和4Az+4Bz，该和包括与相对于加速度轴Z的加速度感测有关的信息(Z-加速度)。
参照图7a-7d、图8a-8b、和图9来说明制造本公开的微机械多传感器的方法。图7a-7b描述了所述微机械多传感器500(见图5)的功能元件的细节图。具体地，图7a描述了具有固定部分774和应力释放部件764的弯曲部分700a。所述弯曲部分700a类似于图5中所示的包括固定部分574和应力释放部件564的弯曲部分。此外，图7b描述了包括电极部分744-745的驱动电极结构700b。所述驱动电极结构700b类似于图5中示出的驱动电极结构544。图7a-7d还描述了直线格栅720的示意图，其在用于制造所述传感器设备的预定掩膜图案的形成中使用。如图7a-7d所示，所述直线格栅720具有多个水平和垂直间距。
应该明白的是，本公开的微机械多传感器包括其在所述衬底表面上的对准是所述传感器设备的最佳性能的关键的多个功能元件。例如，比如弯曲部分700a(见图7a)的特定弯曲部分的对准是传感器的最优性能的关键。还应该明白的是，微机械多传感器包括其在所述衬底表面上的对准不是所述传感器设备的最佳性能的关键的多个功能元件。例如，比如驱动电极结构700b(见图7b)的对准通常不是传感器的最优性能的关键。应该注意的是，速度感测电极结构550、552、554和556(见图5)的对准通常也不是所述传感器设备的性能的关键。
在所述优选实施例中，利用所述掩膜图案来定义具有所述衬底表面上的关键对准的功能元件，使得与此关联的各个关键轴(criticalaxis)，也就是，所述弯曲部分700a的纵轴La(见图7a)，基本上平行于所述掩膜的水平轴或垂直轴。换言之，所述关键对准功能元件平行于或位于所述掩膜的水平轴或垂直轴上。例如，所述弯曲部分700a基本上平行于形成所述直线格栅720的水平线(未编号)，在本实例中，其基本上平行于所述掩膜的水平轴。应该注意的是，所述直线格栅720的垂直线(未编号)平行于所述掩膜的垂直轴。利用所述掩膜图案来定义不具有所述衬底表面上的关键对准的功能元件，使得与此关联的各个非关键轴(non-critical axis)，也就是，所述驱动电极结构700b的纵轴Lb(见图7b)，不平行于所述掩膜的水平轴或垂直轴。也就是，所述非关键功能元件偏离所述掩膜的水平轴和垂直轴。例如，所述驱动电极结构700b不平行于所述直线格栅720的水平线或垂直线。
结果是，由于用于定义所述电极结构的直线栅格720的水平和垂直间距造成所述电极部分744-745以及从所述电极部分744-745延伸出来的互相交错的指针(未编号)已经分段(step)外周。相反，所述弯曲部分的外周未被分段，而是基本上为直线，这便于所述元件的关键水平轴和垂直轴对准。由于所述驱动电极结构700b的外周包括分段线段，所以难以实现所述元件的关键对准。
使用所述直线栅格720来形成用于当前公开的多传感器设备的掩膜图案，还导致在定义所述弯曲部分的宽度时缺少精度。具体地，所述弯曲部分的刚度通常随着所述弯曲部分的宽度的立方改变，并且因此所述宽度中的相对小的误差可以夸大所述弯曲部分的刚度的影响。在所述衬底上固定和悬挂的弯曲部分的刚度基本上不相同，随后所述转动块的悬挂中心将不对应于其惯性中心。结果是，替代平滑转动，所述块具有平移趋势，也就是，所述块将“抖动”。这将所述振动的驱动模式直接耦合为感测运动，并且产生相对大的干扰信号。在实际的多传感器中，期望的是，将此种干扰保持在约所述驱动振动的百万分之十之下。即使在此种相对小的级别下，这种干扰还是与最大科里奥利信号具有可比性。
由于当公开的多传感器中的每个弯曲部分的宽度近似等于2微米，所以宽度精度要求很难被限制为满意。所述掩膜制造处理通常包括在直线栅格，比如栅格720(见图7a-7d)，上的转换工作绘制(translating working drawing)。如上所述，如果所述弯曲部分未对准所述栅格，它们各自的外周被制造成符合栅格上的分段近似。对于给定角度，通常存在几个不同的近似，并且用于产生这些近似的现有算法是复杂的。结果是，如果所述弯曲部分未对准所述直线栅格，则目前不存在容易的方式来确保同一结构上的两个相同的弯曲部分将会具有相同的宽度。
图7c-7d描述了两个代表性的相同弯曲部分700c-700d，其包括在所述微机械多传感器500(见图5)中。如图7c-7d所示，所述弯曲部分700c-700d由所述掩膜图案定义，使得其各自的纵轴Lc和Ld偏离所述掩膜的水平轴和垂直轴。此外，所述弯曲部分700c-700d具有分别对应于斜线部分701c-701d的交替的栅格点，该栅格点相对于各个线701c-701d具有大约相同的偏离度。对应于斜线部分701c的所述交替的栅格点导致有效的弯曲部分宽度Wc，对应于斜线部分701d的所述交替的栅格点导致有效的弯曲部分宽度Wd。然而，即使所述弯曲部分700c-700d相同，弯曲部分700d的有效宽度Wd大于所述弯曲部分700c的有效宽度Wc。因此，在所述弯曲部分700c-700d是多传感器操作的关键的情况下，也就是，所述弯曲部分700c-700d具有在所述衬底上固定和悬挂所述块的关键结构的情况下，所述弯曲部分700c-700d将优先由所述掩膜图案定义，使得其各自的轴Lc和Ld平行于和位于所述掩膜的水平轴或垂直轴上，比如弯曲部分700a(见图7a)。
图8a-8b是微机械多传感器的截面图800a-800b。应该明白的是，可以利用使用多层牺牲和结构材料的表面微机械来制造图8a-8b的微机械多传感器。在所述例示的实施例中，所述微机械多传感器800a包括由硅(Si)或任何其他合适的材料制成的衬底802。在所述衬底表面上淀积的是部分牺牲材料层805(也就是，二氧化硅，SiO2)，其在制造工艺中的最后步骤中移除。在所述牺牲材料被可选地蚀刻后，结构材料(也就是，多晶硅)层806被淀积在所述牺牲层805上。应该注意的是，所述结构层806也可以经历蚀刻。此外，在靠近传感器设备的结构层806的一个或多个区域804中可以采用电子电路。如图8b中所示，结构材料层806通过蚀刻或另外移除所述牺牲层805来完全解除，使得所述结构层806通过至少一个底座808被固定到衬底802上。例如，所述衬底802的宽度A约为3mm，而结构层706的整个宽度B约为1mm，厚度C约为4μm，并且结构层706的解除区域距离所述衬底表面的距离D约为2μm，如图8b中所示。
参考图9将会更好地理解本公开的微机械多传感器的制造方法。如步骤902中所示，在衬底的表面上淀积牺牲层或结构层。接着，如步骤904中所示，利用预定掩膜图案来掩蔽牺牲材料层或结构材料层。如上所述，所述掩膜图案可以被使用来定义所述传感器设备的功能元件。在功能元件的对准和/或物理尺寸是所述传感器设备的最优性能的关键的情况下，所述元件被所述掩膜图案定义来平行于或位于所述掩膜的水平轴或垂直轴上，如步骤906中所述。在所述元件的对准不是所述传感器性能的关键时，所述元件被所述掩膜图案定义来偏离所述掩膜的水平轴或垂直轴，如步骤908中所示。接着，合适地蚀刻未由所述掩膜保护的下层材料，如步骤910中所示，以将所述掩膜图案传递到所述特定材料层。随后，重复所述淀积、掩蔽和蚀刻步骤902、904和906，直到完成所述微机械传感器设备的功能元件的构建。最后，如步骤912中所述，通过蚀刻或采用其他方式移除下层和/或周围的牺牲层来解除所述结构材料的一个或多个部分。
本领域普通技术人员还应该明白的是，在不背离这里公开的本发明的原理的情况下，可以对上述具有同轴和离轴方位的微机械设备结构进行修改和变化。另外，本发明应该被认为仅由所附权利要求的范围和精神所限定。
权利要求
1.一种用于在衬底上制造微机械设备的方法，所述微机械设备包括在所述衬底上具有关键物理尺寸或关键对准的至少一个第一元件，以及至少一个非关键第二元件，所述方法包括以下步骤在所述衬底的表面上淀积至少一个层；使用预定掩膜图案来掩蔽所述淀积层，所述掩膜图案具有与之相关联的相互正交的第一和第二轴，所述掩膜图案用于在所述淀积层上定义与所述设备的第一和第二元件对应的各个区域，与至少一个第一元件对应的所述各个区域具有相关关键轴，该相关关键轴基本上平行于与所述掩膜图案相关联的所述第一或第二轴，以及与至少一个第二元件对应的所述各个区域具有相关非关键轴，该相关非关键轴偏离与所述掩膜图案相关联的所述第一或第二轴；并且蚀刻所述掩膜层，以将所述掩膜图案传递到该层。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述淀积步骤包括在所述衬底表面上淀积所述层，所述淀积层包括至少一个牺牲材料层或结构材料层。
3.如权利要求2所述的方法，还包括下述步骤通过移除所述牺牲材料来解除所述结构材料层。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述解除步骤包括蚀刻所述牺牲材料层。
5.如权利要求1所述的方法，还包括步骤重复所述淀积、掩蔽和蚀刻步骤，直到所述第一和第二元件的制造完成。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述掩蔽步骤还包括使用直线栅格来形成所述预定掩膜图案。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述掩蔽步骤包括使用所述预定掩膜图案来掩蔽所述淀积层，其中与所述第一元件相关联的所述关键轴是纵轴。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述掩蔽步骤包括使用所述预定掩膜图案来掩蔽所述淀积层，其中与所述第二元件相关联的所述非关键轴是纵轴。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述掩蔽步骤包括使用所述预定掩膜图案来掩蔽所述淀积层，其中与所述第一元件相关联的所述关键轴基本上位于与所述掩膜图案相关联的所述第一或第二轴上。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述掩蔽步骤包括使用所述预定掩膜图案来掩蔽所述淀积层，其中与所述掩膜图案关联的所述第一和第二轴分别对应于所述掩膜图案的水平轴和垂直轴。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述掩蔽步骤包括使用所述预定掩膜图案来掩蔽所述淀积层，所述掩膜图案的水平轴和垂直轴基本上分别平行于与所述掩膜图案关联的直线栅格的水平线和垂直线。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述掩蔽步骤包括使用所述预定掩膜图案来掩蔽所述淀积层，与所述第一和第二元件对应的所述各个区域由所述掩膜图案参照所述直线栅格来定义。
全文摘要
一种微机械多传感器，其提供1个加速度感测轴和2个角速度感测轴。制造所述微机械多传感器的方法包括在衬底的表面上淀积牺牲材料层或结构材料层。随后利用预定掩膜图案来掩蔽牺牲材料层或结构材料层。使用具有多水平和垂直间距的直线栅格来形成所述预定掩膜图案。所述掩膜图案定义所述传感器设备的功能元件。在所述微机械多传感器具有至少一个其对准和/或宽度是所述传感器设备的性能的关键的第一功能元件的情况下，定义所述关键元件，使得其纵轴基本上平行于所述掩膜的水平轴或垂直轴。在所述微机械多传感器具有至少一个其对准和/或宽度不是所述传感器设备的性能的关键的第二功能元件的情况下，定义所述非关键元件，使得其纵轴不平行于所述掩膜的水平轴或垂直轴。
文档编号H01L21/00GK1813336SQ200480018404
公开日2006年8月2日 申请日期2004年4月27日 优先权日2003年4月28日
发明者约翰·A·吉恩 申请人:模拟器件公司