具有可離開平面運動的移動質量塊的微機電裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種微機電系統，或稱為MEMS，尤其涉及一種力傳感器型的微機電結 構，其中形成力傳感器的可變形元件和測量儀受到保護而免于因施于力傳感器上的強機械 力造成的破損。
[0002] 本發明特別應用于，例如，加速計、陀螺儀、和磁力計，或甚至是壓力傳感器，和更 廣泛的任何具有可根據力產生位移的部分，以實現對多種性質的力進行測量的裝置。
【背景技術】
[0003] 自從精密刻蝕和生長技術投入使用，特別是，在微電子中的應用的出現，制造微米 級和納米級的電機或傳感器的可能成為現實。這種裝置由于其多種應用，在傳感器領域，也 同樣在發射器、致動器、或被動器件中引起了人們的極大興趣。它們例如被用于汽車產業、 航空、或手機，以替代更龐大的肉眼看見的裝置。
[0004] 在微機電傳感器中，力傳感器，例如加速計、陀螺儀、或磁力計，通常包括移動質量 塊，和用于測量該移動質量塊在力的影響下的位移的探測組件。
[0005] 如圖1所示，力傳感器的移動質量塊1通常以一層半導體材料，特別是硅的形式出 現，具有十或數十微米的厚度，并通過元件2維持在基底5上方，元件2可以是柔性的或圍 繞旋轉軸可扭轉變形。變形元件2通常被稱為彈簧，最好是水平地位于移動質量塊1的側 面的一端。彈簧2的兩端與貼附連接于基底上的固定錨定區域4相連。現在定義如圖1所 示的三個軸X、y、z，X軸沿移動質量塊1的旋轉軸指向，y軸沿移動質量塊1在靜止狀態的 平面指向并垂直于X軸，z軸垂直于移動質量塊1在靜止狀態所定義的平面，從基底5指向 移動質量塊1。有利地，這種類型的設備形成在絕緣體上娃薄膜（silicon-on-insulator， SOI)型的基底上，電絕緣氧化層6將蝕刻有移動質量塊1的硅層與基底5分離。
[0006] 移動質量塊的運動的探測器通常是電容式系統的形式，其中移動質量塊的位移使 電容系統的兩個電極彼此遠離或接近對方，從而導致氣隙的變化，并從而導致系統的電容 變化。文件US4736629示出了這類探測器的一個例子。作為一種變形，如圖1所示，存在使 用一個或多個對移動質量塊1的位移的壓力和拉力敏感的壓阻式測量儀3。在兩種情況下， 力傳感器的靈敏度是由移動質量塊允許的位移的幅度，和對移動質量塊的運動的探測器的 配置決定的。使用機械諧振器作為應力測量儀也是可行的，諧振器的諧振頻率根據施于其 上的應力變化。
[0007] 有利地，壓阻式測量儀3以能盡可能多地增加施于測量儀3的壓力和拉力的方式 放置。這樣的操作旨在增加力傳感器的檢測靈敏度。
[0008] 事實上，測量儀3中壓縮/拉伸變形所產生的應力引起了測量儀3的與壓力成正 比的阻力變化。通過對壓阻式測量儀3施加電壓，可以檢測相關的電阻變化，該變化由移動 質量塊1的位移引起，與其變形成正比。由于施于移動質量塊1上的外力造成的移動質量 塊1的位移，使用壓阻式測量儀能夠通過測量電阻變化得到力的值。電阻變化每單位的力 越大，微機電力傳感器越敏感。
[0009] 使用具有能在平面外位移的移動質量塊的壓阻式測量儀3的力傳感器，例如文件 FR2954505和FR2941533中描述的，如圖1所示，自然地啟示了將壓阻式測量儀3與移動質 量塊的上和/或下表面沿z軸對齊，可在錨點附近施加最大的按壓和拉伸而不會超過斷裂 閾值。
[0010] 然而，移動質量塊1也可能受沿X軸和/或y軸的平面的機械應力產生位移。這 種位移可能會導致應力測量儀3的不可逆轉的變形，從而使力傳感器無法使用。為了克服 這個缺點，如專利FR2941533提出的，最好通過將柔性變形元件結合于扭轉變形元件2,把 移動質量塊1的位移限制在X軸和y軸定義的平面上，這兩種類型的可變形元件圍繞X軸 變形。事實上，扭轉變形元件對沿X軸的位移具有良好抗力，而對沿y軸的位移抗力較弱。 同時，柔性元件對沿y軸的位移具有良好的抗力，而對沿X軸的位移抗力較弱。因此，這兩 種類型的可變形元件2對沿X軸和y軸的位移提供互補的抗性，能夠保護應力測量儀3。 [0011] 然而，這樣的組合變形元件的缺點是不允許同時優化測量范圍和機械范圍。測量 范圍指的是傳感器能夠檢測的所有力的值，機械范圍指的是移動質量塊靜止時的范圍之外 的值，典型的例子是靜止在基底上。故而測量范圍包括在機械范圍內。理想情況下，機械范 圍比測量范圍大幾十個百分點。
[0012] 在結合柔性和扭轉變形元件的情況下，機械敏感度低，這樣機械范圍遠遠大于測 量范圍，兩者之間的比率范圍通常是10。
[0013] 為了更好地匹配兩個范圍，有兩種可能的解決方案。
[0014] 第一個解決方案包括使基底接近移動質量塊，而其他所有條件都相同，降低機械 范圍。這可以通過減少與蝕刻有移動質量塊的與基底分離的氧化層的厚度來完成。然而這 第一個解決方案是不夠的，因為存在下限，對于300nm的厚度，低于這個厚度就很難通過化 學技術釋放氧化層，且使移動質量塊與基底結合的風險大大增加。
[0015] 第二個使測量范圍更接近機械范圍的解決方案是提高機械敏感度。后者稱為S111, 對應移動質量塊在每單元力下沿z軸的最大位移。該變量可以根據施加于移動質量塊的力 F，移動質量塊的重心和旋轉軸之間的距離Dg，移動質量塊的長度L，和可變形元件的剛性K， 通過以下關系式表示：
[0016]
[0017] 為了增加機械敏感度、可以增加移動質量塊的長度，不僅將旋轉軸與移動質量塊 的重心拉開，從而增大Dg。盡管如此，從而獲得的機械敏感度的增加不足以使兩個范圍匹 配。
[0018] 其他增加機械敏感度的方法是減少變形元件的剛性。現在，在同維度的柔性變形 元件的剛性大于扭轉變形元件的剛性。因此需要選擇扭轉變形元件以增加力傳感器的移動 質量塊的機械靈敏度。這種方法所帶來的缺點是應力測量儀受到沿y軸的壓力，這可能造 成不可逆轉的損傷。
[0019] 本領域技術人員似乎意識到沒有解決方案允許在能在平面外位移的力傳感器中 使用低剛性的變形元件，最好是扭轉元件，這提供了一種機械敏感度，使得機械范圍足夠接 近測量范圍，同時保護測量儀對抗施加于移動質量塊的橫向力引起的，也就是說，在移動質 量塊上的x-y平面，主要是沿y軸的機械壓力。
【發明內容】
[0020] 本發明的目的之一是提供一種力傳感器，該力傳感器具有能離開由X軸和y軸定 義的平面進行位移，在由X軸和y軸定義的平面內抵抗壓力的移動質量塊，并具有高機械靈 敏度。
[0021] 為實現這一目的，本發明旨在自半導體基底上形成具有沿X軸和y軸定義平面的 層，垂直于所述層的軸定義為z軸的微機電設備，該設備包括：
[0022] 至少一個固定于基底的錨定區域，
[0023] 至少一個移動質量塊，能夠通過圍繞沿X軸指向的旋轉軸旋轉，沿z軸離開基底平 面移動，
[0024] 至少一個可變形元件，該可變形元件將移動質量塊連接至錨定區域，和
[0025] 至少有一個用于探測移動質量塊的位移的探測組件。
[0026] 這個設備的移動質量塊具有兩個部分，第一部分形成支撐結構，通過可變形元件 連接到錨定區域，和形成移動質量塊的主體的第二部分。第一和第二部分通過至少兩個形 成解耦彈簧并固定于第一部分的兩個不同側面的柔性部分相連。該裝置還包括至少一個主 體和基底之間的結合區域，形成阻擋部限制移動質量塊的主體的位移。
[0027] 利用解耦彈簧使形成移動質量塊的主體和支撐結構相連，能夠通過支撐結構離開 平面的位移減弱主體在平面內的位移。進一步地，主體的質量大于支撐結構，有利地，明顯 更大，具有比支撐結構更大的慣性。由此，施加于移動質量塊的力主要作用于移動質量塊的 主體。
[0028] 因此，沿y軸施加于設備的力在移動質量塊的平面內引起主體相對于移動質量塊 的支撐結構位移。這種主體相對于支撐結構的位移特別是由于柔性部分，或解耦彈簧的彈 性變形。柔性部分具有彈性閾值和破裂閾值，阻擋部被放置在與移動質量塊的主體沒有達 到兩個閾值的距離。換句話說，形成阻擋部的區域在解耦彈簧超出其準線性彈性狀態之前 和在彈簧的不同分支相互鄰接之前是有效的。由此能夠保護檢測移動質量塊的運動的組 件，該組件只能承受有限的變形幅度。
[0029] 因此，超過給定幅度的外力，施加于移動質量塊的平面，尤其是沿y軸施加的情況 下，主體在移動質量塊的平面內沿y軸移動，直到接觸阻擋部。在這種情況下，由于這種在 外力作用下的運動的碰撞被阻擋部吸收。對應較低的施加于移動質量塊的平面的，尤其是 沿y軸施加的外力的幅度，移動質量塊移動一點，或不移動，所有與施加于設備的外力相關 的能量在錨定區域抵消。
[0030] 在實踐中，可以考慮許多用于設置移動質量塊的支撐結構和主體的幾何圖形。因 此，支撐結構可以形成圍繞主體的外部框架，而主體形成移動質量塊的內部體。相反的，也 可以將主體設置在支撐結構的外圍，然后形成一個中央梁，而主體分布在中央梁周圍。