Mems感測器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于測量諸如加速度、旋轉、磁場的物理參數的感測器，其包括:
[0002]a)限定襯底平面的襯底，
[0003]b)至少一個感測板，懸掛在襯底的上方，用于進行至少具有沿感測方向的第一分量的運動，其中，感測方向垂直于襯底平面，
[0004]c)至少一個檢測臂，懸掛在襯底的上方，用于進行繞平行于襯底平面的旋轉軸線的旋轉運動，
[0005]d)面外耦合結構，用于將所述感測板的運動的第一分量耦合到所述檢測臂，用于產生檢測臂的旋轉運動，
[0006]e)旋轉檢測結構，與臂配合，用于檢測檢測臂相對于襯底平面的旋轉運動。
【背景技術】
[0007]FR 2 951 826 A(CEA)和FR 2 957 414 A(CEA)示出一種感測器，用于使用沿x方向致動并且沿y方向由科里奧利(Cor1lis)力偏轉的矩形抗震質量塊檢測力。抗震質量塊由允許抗震質量塊繞z軸線旋轉的鉸鏈懸掛。繞鉸鏈的旋轉由壓阻量規檢測。
[0008]FR 2 962 532 A(CEA)示出一種感測器，用于檢測兩個不同旋轉方向的科里奧利力。感測器包括三個不同的抗震質量塊。激振軸線平行于z軸線并且檢測方向對應于X和y軸線。激振質量塊具有圓環形狀并且其圍繞處于感測器中心的檢測質量塊。
[0009]FR 2 963 099 A(CEA)和FR 2 963 192 Al (CEA)示出用于檢測和產生動壓(麥克風、擴音器)的MEMS感測器。壓力振動影響樞轉元件的旋轉運動，并且該運動由壓阻量規線檢測。另一個實施例使用檢測質量塊的線性運動和電容性檢測系統(梳狀電極)。
[0010]FR 2 941 534 A(CEA)公開一種磁性感測器，其具有通過鉸鏈可樞轉地連接到錨的可移動質量塊。質量塊設有磁性層，其在外部磁場中產生旋轉質量塊的力。
[0011]FR 2 941 533 A(CEA)公開一種具有量規的MEMS結構，用于檢測可移動質量塊的面外運動。
[0012]FR 2 941 525 A(CEA)公開一種MEMS結構，其具有通過兩個臂耦合的兩個質量塊。臂可繞面內軸線旋轉。兩個質量塊在面內致動并且進行轉變成臂的平衡運動的面外運動。
[0013]FR 2 924 422 A(CEA)公開一種用于壓阻量規線的放大器。
【發明內容】
[0014]本發明的目的在于提供一種屬于開頭所提及的技術領域的感測器，其中，該感測器具有高靈敏度并使用更少的芯片面積。
[0015]本發明的技術方案由權利要求1的特征限定。根據本發明，用于測量諸如加速度、旋轉、磁場或壓力的感測器包括:
[0016]a)限定襯底平面的襯底，
[0017]b)至少一個感測板，懸掛在襯底的上方，用于進行至少具有沿感測方向的第一分量的運動，其中，感測方向垂直于襯底平面，
[0018]c)至少一個檢測臂，懸掛在襯底的上方，用于進行繞平行于襯底平面的旋轉軸線的旋轉運動，
[0019]d)面外耦合結構，用于將所述感測板的運動的第一分量耦合到所述檢測臂，用于產生檢測臂的旋轉運動，
[0020]e)旋轉檢測結構，與臂配合，用于檢測檢測臂相對于襯底平面的旋轉運動，以及
[0021]f)樞轉元件，布置在距離面外耦合結構的一段距離處，所述樞轉元件將感測板耦合到襯底上方固定距離處的基準面，使得感測板進行傾斜的面外運動。
[0022]襯底可以是適于實現微機電系統(MEMS)的任意支撐件(機械載體)。優選地，襯底適于NEMS(納機電加工系統)。例如，襯底可以由單晶硅或玻璃構成。襯底可是平板。襯底的表面限定平面(χ-y平面)。平行于所述平面的任意方向稱為“面內”，并且不平行于襯底平面的任意方向(例如，z向)稱為“面外”。
[0023]感測器具有懸掛在襯底上方的至少一個感測板。懸掛通過能夠進行面外運動的結構實現。因此，感測板能夠進行沿一個方向的運動，其至少具有沿感測方向的分量，其中，感測方向(z軸線)垂直于襯底平面。感測板的懸掛結構也可以允許具有平行于襯底平面的方向分量的運動。感測板是其厚度小于平行于襯底平面的最小尺寸的結構。
[0024]感測器具有至少一個檢測臂，其懸掛在襯底上方，用于進行繞平行于襯底平面的旋轉軸線的旋轉運動。一般而言，檢測臂可以在平行于襯底平面的平面中具有任意形狀。但是，優選地，檢測臂具有與感測板的質量塊相比較小的質量塊。臂形成剛性杠桿，其能夠進行面外擺動(即，臂能夠進行在垂直于襯底平面的方向中具有矢量分量的運動)。臂的擺動運動是繞平行于襯底平面的軸線的旋轉。
[0025]面外耦合結構提供沿所述感測板的運動的第一分量的方向到所述檢測臂的耦合。因此，感測板的面外運動被傳遞到臂并且使得臂繞其旋轉軸旋轉。
[0026]臂的旋轉由旋轉檢測結構檢測。此結構與臂配合并檢測檢測臂相對于襯底平面的旋轉運動。檢測結構可以包括將檢測臂的面外偏移轉換成電信號的靜電或壓阻元件。
[0027]用于將感測板耦合到幾何基準面的樞轉元件布置在距離面外耦合結構的一段距離處。所述樞轉元件距離感測器的y軸線(即，距離檢測臂的旋轉軸線)還具有一定徑向距離。
[0028]由于一方面的面外耦合結構與另一方面的樞轉元件之間的距離，當垂直于襯底平面的力作用于感測板上時，感測板相對于襯底平面進行傾斜運動。檢測臂的旋轉軸線與樞轉元件之間的距離越小，感測板與檢測臂之間的傾斜角度越小。一般而言，優選具有小的傾斜角。樞轉元件優選接近于檢測臂的旋轉軸。
[0029]優點:
[0030]本發明的感測器可以在比現有技術的感測器更小的面積上實現。感測器需要用于結構元件的懸掛和耦合的更不復雜的彈簧。本發明的另一個優點在于，感測板的運動直接傳遞到檢測臂。因此，與現有技術相比，感測板的面外運動的能量被更有效地使用，并且感測器的靈敏度提高。
[0031]驅動質量塊:
[0032]感測器可以進一步包括懸掛用于沿平行于襯底平面的驅動方向進行運動的驅動質量塊以及用于沿驅動方向致動驅動質量塊的驅動結構。驅動質量塊可以以此方式懸掛，使得其能夠沿X方向(垂直于檢測臂的旋轉軸線)振動。優選地，驅動質量塊的懸掛防止垂直于驅動方向的運動。就是說，驅動質量塊僅僅進行面內運動并且不沿Z方向(面外)運動。
[0033]與FR 2 941 525 Al相比，x方向和z方向的運動之間的串擾被消除。
[0034]也可以通過經靜電裝置(梳狀電極)直接在沒有單獨驅動質量塊的情況下驅動感測板。致動可以以與FR 2 941 525 Al (CEA)的圖1中所示相似的方式進行。
[0035]具有以某一頻率致動以檢測物理參數的兩個質量塊(雙質量塊感測器)稱為音叉感測器。
[0036]對于非諧振應用而言，與感測板分開的驅動質量塊不是必需的。
[0037]驅動質量塊的耦合:
[0038]根據本發明的具體實施例，驅動質量塊通過樞轉元件耦合到感測板。當驅動質量塊被懸掛使得其可僅僅平行于襯底平面但不垂直于所述平面運動時，感測板的一個軸線(即樞轉元件所限定的旋轉軸線)保持在基準面中。感測板的面外運動在距離樞轉元件的一段距離處進行。
[0039]雖然樞轉元件優選地僅僅允許感測板繞樞轉軸線的旋轉，也可以替代接受的是，樞轉元件也具有垂直于檢測臂的旋轉軸線的一些彈性。可以甚至具有沿z方向的一定(但微小)的彈性。
[0040]根據本發明的具體實施例，所述樞轉元件是V形。例如，樞轉元件基本由兩個梁構成，此兩個梁在其一個端部接合并且在其另一個端部彼此之間以>0°并且〈90°的角分開延伸。V形樞轉元件的分開端部可以連接到驅動質量塊并且樞轉元件的接合端部可以連接到感測板。兩個梁優選相對于彼此對稱，使得V形樞轉元件的對稱軸限定樞轉軸線。V形樞轉元件的取向也可以沿相反方向。
[0041]樞轉元件的臂優選針對于z方向(垂直于襯底平面)的變形是剛性的。即使每個梁橫向于其縱向軸線是柔性的并且可以繞其縱向軸旋轉，樞轉元件僅僅具有繞其樞轉軸線的需要的旋轉自由度。
[0042]還可以使用不同的結構，例如對于X和z方向的變形足夠剛性但對于y方向的扭轉為柔性的直梁。
[0043]根據另一個優選實施例，樞轉元件是柔性片狀元件。其可以是從驅動質量塊延伸到感測板的薄層的一部分，其中薄層的一側連接到驅動質量塊并且另一側連接到感測板。
[0044]檢測臂:
[0045]在具體實施例中，檢測臂是圍繞感測板的框架結構的一部分。就是說，臂構成框架的一側。事實上，框架通常是矩形，其懸掛以可繞其對稱軸線中的一個旋轉。當然，其他形狀(六邊形、局部圓形)的框架是可以的，但是更復雜。
[0046]優選地