專利名稱：垂直集成的mems加速度變換器的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及加速度變換器。更具體而言，本發明涉及垂直集成的微機電系統 (MEMS)加速度變換器。
背景技術：
加速度變換器或加速度計是一種通常用于測量加速力的傳感器。這些力可以是靜態力，例如重力的恒力，或者通過移動或振動加速度計而導致它們可以是動態的。加速度計可以感測沿一個、兩個或三個軸或方向的加速度或其他現象。從這種信息可以確定其中安裝了加速度計的裝置的移動或方向。加速度計用于慣性制導系統、車輛的安全氣囊展開系統、用于各種裝置的保護系統以及多種其他科學和工程系統中。電容感測式MEMS加速度計的設計非常適用于在高重力環境和小型化裝置中操作，因為它們的成本相對低。電容式加速度計相對于加速度感測電氣電容的變化，以改變帶電電路的輸出。一種類型的電容式加速度變換器能夠檢測沿著通常平行于變換器封裝的平面的一個或兩個軸的移動。這種類型的加速度變換器使用可移動元件，該可移動元件在X 軸和/或y軸加速度下基本上平行于安裝有該移動元件的襯底表面移動。另一種類型的電容式加速度變換器具有“蹺蹺板”或“壓翹板”形式的可移動元件構造，其能夠檢測沿著通常與變換器封裝的平面相垂直的軸的移動。這種類型的加速度變換器使用在垂直于基板表面的ζ軸加速度下旋轉的可移動元件或板。這兩種類型的加速度計結構能夠測量至少兩種不同的電容以確定差動電容或相對電容。現有技術中的多軸加速度變換器通常具有單片設計。在單片設計中，感測結構以平面方式制造在相同基板或裝置晶片上。雖然可以通過更有效率的管芯面積設計工藝、更進取的制造工藝等來實現管芯尺寸的降低，但是在不增加制造成本或犧牲部分性能的前提下，這些工藝的效率會受到限制。因此，需要一種改進的MEMS加速度變換器以及制造方法，以克服上述現有技術中出現的問題。
當結合附圖考慮時，通過參考詳細的說明和權利要求，來獲得對本發明的更全面的理解，其中在整個附圖中，類似的附圖標記表示類似的項目，以及圖1示出根據本發明實施例的微機電系統(MEMS)加速度變換器的分解透視圖；圖2示出根據一個示例性實施例的用于制造圖1中所示的加速度變換器的制造工藝的流程圖；圖3示出圖1中的加速度變換器的雙軸傳感器的俯視圖；圖4示出沿圖3的截線4-4的雙軸傳感器的側視圖；圖5示出圖1中的加速度變換器的單軸傳感器的俯視圖；圖6示出沿圖5的截線6-6的單軸傳感器的側視圖7示出與用于形成圖1中的加速度變換器的單軸傳感器耦合的雙軸傳感器的側視圖；圖8示出根據本發明實施例的說明串擾電容效應的第一圖示和說明串擾電容消除的第二圖示；圖9示出根據可替選實施例的圖1中的變換器的側視圖；以及圖10示出根據另一可替選實施例的MEMS加速度變換器的側視圖。
具體實施例方式根據本文教導，出于說明性目的而提供一種緊湊型加速度變換器或加速度計作為示例，加速度變換器的實施例可以包括沿一個、兩個或三個軸的感測。多軸感測可以適用于檢測與變換器平面表面相平行的兩個正交軸上的加速度，以及適用于檢測與變換器平面表面相垂直的軸上的加速度。此外，加速度變換器可以適用于檢測不同加速度感測范圍的加速度，即g級別。本發明的實施例還包括垂直集成或堆疊的加速度變換器的制造方法。這種加速度變換器通過以下步驟制造獨立地制造兩個變換器晶片，且隨后將兩個變換器晶片結合到一起，以創建能夠在相同或不同加速度感測范圍、沿一個、兩個或三個軸進行感測的加速度變換器。圖1示出根據本發明實施例的微機電系統(MEMQ加速度變換器20的分解透視圖。在所述實施例中，變換器20是多軸電容感測式加速度計，其適用于感測三個相互正交的方向上的加速度。更具體來說，變換器20在對應于X軸的方向22、對應于Y軸的方向M 以及對應于Z軸的方向沈上感測加速度。為清楚起見，以下將方向22稱為X方向22、方向 M稱為Y方向M且方向26稱為Z方向26。雖然本文中描述的變換器20在三個相互正交的方向上感測加速度，但應理解的是，變換器20可以適用于僅在一個方向或在兩個相互正交的方向上感測加速度，如將在下文更詳細討論的那樣。為示出清楚，變換器20的層在圖中示出為分開的。但應當理解的是，實際上變換器的層在實現時將安裝在一起。在實施例中，變換器20包括雙軸傳感器28和單軸傳感器30。雙軸傳感器觀可以適用于感測X方向22和Y方向M上的加速度，且單軸傳感器30可以適用于感測Z軸沈上的加速度。獨立地制造傳感器28和30，隨后將它們結合在一起以形成MEMS變換器20， 并且傳感器30位于傳感器觀之上。這種分開或獨立的制造方式能夠利用用于兩個傳感器 28和30的不同變換器制造技術，以便實現用于特定變換器應用的最有利的制造方案。雙軸傳感器28包括檢測質量塊32 (proof mass)，其經由錨固系統38與基板36的表面34間隔開，即懸掛在基板36的表面34上方或以相互間隔開的關系設置在基板36的表面34上方。錨固系統38可移動地將檢測質量塊32耦合至基板36。在實施例中，錨固系統38包括多個錨固器40，該多個錨固器40形成在基板36的表面34上或耦合至基板36 的表面34。檢測質量塊32通過彈簧42附接至錨固器40，該彈簧42優選順應于兩個相互正交的方向，即X方向22和Y方向24。因此，錨固系統38能夠使檢測質量塊32分別響應于X方向22或Y方向M而基本上平行于基板36的表面34移動。 傳感器28的檢測質量塊32包括第一組可移動電極，本文中稱為可移動指狀物44， 以及第二組可移動電極，本文中稱為可移動指狀物46。每個可移動指狀物44由一對固定電極圍繞，本文中稱為固定指狀物48和50，其形成在基板36的表面34上或以其他方式附接至基板36的表面34。固定指狀物48和50與基板36非移動連接。也就是說，固定指狀物 48和50不移動離開基板36。指狀物44、48和50垂直于X方向22設置并形成用于確定X 方向22上的加速度的差動電容結構。類似地，每個可移動指狀物46由一對固定電極圍繞， 本文中稱為固定指狀物52和M，其形成在基板36的表面34上或以其他方式附接至基板 36的表面34，使得它們與基板36非移動連接。指狀物46、52和M垂直于Y方向M設置并形成用于確定Y方向M上的加速度的差動電容結構。當雙軸傳感器28經歷X方向22上的加速度時，檢測質量塊32在X方向22上移動，使得可移動指狀物44和相鄰的固定指狀物48和50之間的距離變化，因此改變這些指狀物之間的電容。這種電容的變化通過感測電路(未示出)來記錄并轉換為表示X方向22 上的加速度的輸出信號。在檢測質量塊32在Y方向M上移動時，通過記錄可移動指狀物 46和相應的固定指狀物52和M之間的電容變化，以類似方式感測Y方向M上的加速度。 因此，傳感器觀檢測正交方向上的加速度，所述正交方向基本上平行于基板36的表面34， 即X方向22和Y方向24。出于說明性目的，提供傳感器38中的各種結構，例如檢測質量塊32、可移動指狀物44和46、固定指狀物48、50、52和M、彈簧42以及錨固器40。本領域技術人員應當理解的是，可以根據特定設計約束對這些不同元件采用不同形式。例如，檢測質量塊32可以具有不同的形狀且能夠變化可移動指狀物44和46以及固定指狀物48、50、52和M的數量和布置。在本示例性實施例中，一共具有四個錨固器40和四個彈簧42，且每個彈簧42通過檢測質量塊32與每個錨固器40互連。但是，能夠改變錨固器40和/或彈簧42的數量和位置。單軸傳感器30包括基板56和檢測質量塊58，其可移動地耦合至基板56的表面 60并與其間隔開。基板56具有在表面60上沉積的預定構造的多個導電電極元件62，以形成電容器電極元件或“板”。在示例性情形中，電極元件62可以操作為激勵或感測電極，以接收激發信號。電極元件62可以附加地在反饋信號疊加在感測信號上時操作為反饋電極。 在可替選的實施例中，分開的感測和激勵電極可以根據公知的構造被形成在基板56的表面60上。檢測質量塊58通過錨固系統64從基板56可旋轉地懸掛，該錨固系統64形成在基板56的表面60上或以其他方式附接至該基板56的表面60。例如，檢測質量塊58通過錨固系統64的旋轉彎曲部66柔性地懸掛在基板56的表面60上方，該旋轉彎曲部66能夠使檢測質量塊58圍繞旋轉軸68樞轉或旋轉。當意圖操作為蹺蹺板型加速度計時，旋轉軸 68的一側上的檢測質量塊58的部分70的質量形成為相對大于旋轉軸68的另一側上的檢測質量塊58的部分72的質量。部分70的較大質量通常通過偏移旋轉軸68而創建。艮口， 旋轉軸68和部分70的端部76之間的長度74大于旋轉軸68和部分72的端部80之間的長度78。此外，相對于旋轉軸68和檢測質量塊58的縱軸82對稱地確定電極元件62的尺寸并間隔開電極元件62。在可替選的實施例中，旋轉軸68可以位于檢測質量塊58的端部76和80的中點。 在這種構造中，可以在例如部分72中制作穿過檢測質量塊58的孔以相對于部分70減小部分72的質量，而在部分70和部分72之間實現不同質量。可替選地，例如可以將附加的質量添加到例如部分70上的檢測質量塊58，以相對于部分72增加部分70的質量。
由于部分70和部分72之間存在質量差，所以檢測質量塊58響應于Z方向沈上的加速度而圍繞旋轉軸68樞轉，因此相對于固定電極元件62改變其位置。這種位置變化導致電容器組，所述電容器組的電容差(即差動電容)表示垂直于基板56的表面60的Z 方向沈上的加速度。如將在下文詳細討論的，基板56機械地耦合至基板36，使得表面60面對表面34， 且檢測質量塊58被設置成面對檢測質量塊32。基板56與基板36之間的機械耦合形成腔室，該腔室中設置檢測質量塊32和檢測質量塊58這兩者。在實施例中，這種機械耦合產生氣密密封的腔室。因此，形成多軸垂直集成或堆疊的加速度變換器。由兩個傳感器觀和30 形成的變換器20的堆疊構造與現有技術的單片裝置相比可以降低變換器的管芯尺寸，產生更具吸引力的形狀因素，且能夠排除對分離帽晶片的需要，該分離帽晶片通常用于氣密密封MEMS裝置的組件。MEMS傳感器應用要求低溫度系數偏移(TCO)的規范。術語“偏移”是指在MEMS傳感器的非激勵狀態下的從其標稱值偏移的輸出。因此，TCO是熱應力影響諸如MEMS裝置的半導體裝置性能的程度的尺度。MEMS裝置應用的封裝通常使用具有不同熱膨脹系數的材料。因此，在制造或操作期間能夠產生不希望的高TC0。本文中稱為封裝應力的、這些熱應力以及由濕氣和組裝工藝造成的應力會致使下層基板變形，更容易使MEMS傳感器出現測量錯誤。檢測質量塊32和58相對于彼此幾何地居中。傳感器觀和30的檢測質量塊32 和58的幾何居中的構造能夠降低不想要的熱感應偏移，由此獲得更好的TCO性能。圖2示出根據示例性實施例的用于生產加速度變換器20的加速度變換器制造工藝84的流程圖。工藝84通常為用于形成獨立的傳感器觀和30以及隨后將它們結合以形成加速度變換器20的方法。傳感器觀和30的獨立形成能夠利用用于兩個傳感器觀和30 的不同變換器制造技術，以便為特定變換器應用實現最有利的制造方案。此外，MEMS裝置通常需要具有蓋的空穴式封裝。制造工藝84說明了一種封裝技術，其中傳感器30與傳感器觀堆疊，由此消除了對氣密密封加速度變換器20的組件的分離帽晶片的需要。以下結合單個加速度變換器20的制造描述制造工藝84。但是，本領域技術人員應當理解的是，后續工藝允許與多個變換器20的晶片級制造同時進行。隨后可以以常規方式切割、劃片各個變換器20，以提供氣密密封的各個加速度變換器。加速度變換器制造工藝84包括任務86，在該任務處形成雙軸傳感器觀(圖1)。雙軸傳感器觀的形成可以包括各種構圖、沉積以及蝕刻操作，以形成檢測質量塊32、錨固系統38、固定指狀物48、50、52、M等。例如，諸如檢測質量塊32的可移動部件的制造能夠需要釋放層的實現，釋放層也稱為犧牲層。即，可移動部件能夠通過沉積犧牲層(未示出)而建立，在例如錨固系統38的未來的梁將附接至下層基板的位置處選擇性地去除該犧牲層。 結構化層隨后沉積在犧牲層頂部上并被結構化。隨后利用不會改變結構化層的選擇性蝕刻工藝來去除犧牲層以釋放可移動部件。在實施例中，可以利用高縱橫比的微機械加工工藝來形成雙軸傳感器28，以產生具有堅硬、垂直側壁的相對高的微結構，即相對厚的檢測質量塊32。高縱橫比的微機械加工工藝可以用于形成例如具有大于5 1的縱橫比的三維結構。加速度變換器制造工藝84還包括任務88，在任務88處形成單軸傳感器30。單軸傳感器30的形成可以包括犧牲層和結構化層的各種構圖、沉積以及蝕刻操作，以形成懸掛在基板56的表面60上方并以間隔開的關系被設置在基板56的表面60上方，以及形成電極元件62和錨固系統64。在實施例中，單軸傳感器30可以利用表面微機械加工工藝來形成。表面微機械加工工藝能夠對多晶硅和其他材料的薄膜進行構圖，以形成基本上二維的平面結構，因為該結構的厚度受所沉積薄膜厚度的限制。應當注意到，任務86適于雙軸傳感器28的制造，且任務88適于單軸傳感器30 的制造。因此，雖然它們在本文中描述為系列操作，以用于簡化說明，但是這些不同操作可以在單一制造設備的分離區域中并行進行，或者這些不同的操作可以在不同制造設備中進行。還應注意到，在實施例中，結合雙軸傳感器觀和單軸傳感器30的形成來描述加速度變換器制造工藝84。但是，在可替選的實施例中，傳感器觀和30可以根據特定設計需要而是單或雙軸傳感器的任意組合。例如，傳感器觀可以適合于感測X方向22、Y方向M 或Z方向沈之一。類似地，傳感器30可以適合于感測X方向22、Υ方向M或〖方向之一。 因此，加速度變換器20可以僅感測X方向22、￥方向對或2方向沈上的加速度或X、Y和 Z方向22、24、沈的任意組合的方向上的加速度。傳感器觀和30的獨立制造方法還能夠根據特定設計需要而在單一加速度變換器封裝內形成檢測不同感測范圍的加速度的傳感器觀和30。例如，傳感器觀可以用于檢測例如十至一百g的中_g感測范圍的加速度。傳感器30可以檢測與傳感器觀相同的感測方向或多個方向上的加速度，但可以用于檢測不同感測范圍中的加速度，例如大于一百g 的高_g感測范圍或小于十g的低_g感測范圍。因此，傳感器形成任務86和88利用相同或不同的制造工藝以使能用于期望應用的最優變換器設計的構造。任務86和88之后，加速度變換器制造工藝84進行至任務90。在任務90處，利用常規晶片結合工藝，將傳感器30與傳感器觀機械地耦合，以形成加速度變換器20。可以通過在相應基板36和56中的每個的結合周邊上施加結合層來實現傳感器觀和30的耦合。 這種結合層可以是金屬結合環，該結合環彼此耦合以形成圍繞檢測質量塊32和58的氣密密封接合。結合層能夠是通常用于形成氣密密封接合的多種不同材料。這些材料例如包括鋁、銅、銀、金、銦、其合金、其化合物、玻璃粉等。但應當理解的是，如果不期望氣密密封，則結合層可以可替選地由填充的環氧樹脂或填充的硅樹脂來形成。耦合任務90之后，可以執行任務92。在任務92處，根據諸如晶片減薄、封裝、引線結合以形成外部連接、測試等的常規工藝對加速度變換器20進行進一步操作。任務92之后，結束加速度變換器制造工藝84且加速度變換器20可以用于加速度測量。現在參考圖3-4，圖3示出加速度變換器20(圖1)的雙軸傳感器觀的俯視圖，且圖4示出沿圖3的截線4-4的雙軸傳感器觀的側視圖。利用例如已知和開發的高縱橫比微機械加工工藝，通過加速度變換器制造工藝84(圖幻的任務86(圖幻來形成雙軸傳感器28 ο在實施例中，傳感器28包括覆蓋基板36的表面34的隔離層94。隨后執行構圖、 蝕刻和/或沉積工藝以形成覆蓋隔離層94的導電層96，且另一隔離層98可以形成在導電層96上方。根據需要，形成并構圖導電層96，以在固定指狀物48、50、52和M之間提供適當的電連接。檢測質量塊32、固定指狀物48、50、52和Μ、錨固器40和彈簧42順序形成在隔離層98上方。選擇性犧牲層沉積和蝕刻致使檢測質量塊32從基板36的表面34釋放，以使其響應于X方向22和/或Y方向M上感測的加速度而基本上平行于表面34移動。傳感器28還可以包括與傳感器28的其他組件同時形成的密封環100、一個或多個內部連接地點102(僅示出其中一個以簡化附圖)以及一個或多個外部連接地點104(僅示出其中一個以簡化附圖)。密封環100環繞檢測質量塊32并限定傳感器觀將與傳感器30 耦合的位置(圖1)。內部連接地點102被實現為根據需要來形成傳感器觀和傳感器30之間的電連接。外部連接地點104被實現為根據需要來形成傳感器觀和傳感器30之間和/ 或傳感器28和外部電路(未示出)之間的電連接。在去除下層犧牲層(未示出)以及釋放檢測質量塊32之前，可以將頂層106沉積在下層結構之上。可構圖并蝕刻頂層106，使得頂層106保留在密封環100上，以用作用于在傳感器觀和傳感器30(圖1)之間創建氣密密封接合的結合介質。在實施例中，頂層106 可以為導電材料，例如鋁、銅、銀、金、銦、其合金和其化合物。因此，頂層106還可以被適當地構圖和蝕刻，使得其保留在內部連接地點102和外部連接地點104上，以便形成以下討論的后續電連接。根據本發明實施例，可以附加適當地構圖和蝕刻頂層106，使得其保留在傳感器 28的下層固定結構的至少一部分上，以形成一個或多個超越行程停止部108(為了簡化只示出兩個)。如上所述，超越行程停止部108形成在一對固定指狀物52和M上并在該對固定指狀物52和M上方延伸。因此，超越行程停止部108經由固定指狀物52和M與基板 36的表面34非移動連接。一旦耦合傳感器28和30，超越行程停止部108就用于限制檢測質量塊58(圖1)的移動，使得檢測質量塊58在傳感器30遭受Z方向沈(圖1)上的劇烈的加速度時不會與檢測質量塊32接觸。現在參考圖5-6，圖5示出加速度變換器20(圖1)的單軸傳感器30的俯視圖，且圖6示出沿圖4的截線6-6的單軸傳感器30的側視圖。利用例如已知的和開發的表面微機械加工工藝，通過執行加速度變換器制造工藝84(圖幻的任務88(圖幻來形成單軸傳感器30。在實施例中，傳感器30包括覆蓋基板56的表面60的隔離層110。隨后執行構圖、 蝕刻和/或沉積工藝以形成覆蓋隔離層110的電極元件62。檢測質量塊58和錨固系統64 隨后形成在隔離層110上方。選擇性犧牲層沉積和蝕刻致使檢測質量塊58從基板56的表面60釋放，以使其響應于Z方向沈上感測的加速度而圍繞旋轉軸68樞軸移動。傳感器30還可以包括密封環112，以及如果需要的話，還可以包括一個或多個內部連接地點114(為簡化目的僅示出一個)，以及如果需要的話，還可以包括一個或多個外部連接地點(未示出)，所述一個或多個外部連接地點與傳感器30的其他組件同時形成。 密封環112環繞檢測質量塊58并限定傳感器30將與傳感器觀(圖幻耦合的位置。內部連接地點114可以被實現為根據需要來形成傳感器觀和傳感器30之間的電連接。如果存在的話，外部連接地點可以被實現為根據需要來形成傳感器觀和傳感器30之間和/或傳感器30和外部電路(未示出)之間的電連接。在去除下層犧牲層(未示出)以及釋放檢測質量塊58之前，將頂層116沉積在下層結構之上。可以構圖并蝕刻頂層116，使得頂層116保留在密封環112上，以用作用于在傳感器觀(圖;3)和傳感器30之間創建氣密密封接合的結合介質。與頂層106(圖幻一樣， 頂層116可以是導電材料，例如鋁、銅、銀、金、銦、其合金和其化合物。因此，頂層116還可以被適當構圖和蝕刻，使得其保留在內部連接地點114和外部連接地點(如果存在的話) 上，以便形成以下討論的后續電連接。根據本發明實施例，還可以附加適當地構圖和蝕刻頂層116，使得其保留在傳感器 30的下層固定結構的至少一部分上，以形成一個或多個超越行程停止部118(為了簡化只示出一個)。如上所述，超越行程停止部118形成在錨固系統64的固定部分上并在該錨固系統64的固定部分上方延伸。因此，超越行程停止部118經由錨固系統64與基板56的表面60非移動連接。一旦傳感器觀和30耦合，超越行程停止部118用于限制檢測質量塊 32(圖幻的移動，使得檢測質量塊32不能在傳感器觀遭受Z方向沈上的劇烈的加速度時與檢測質量塊58接觸。即，檢測質量塊32被設計為在遭受X方向22或Y方向M中的任一個上的加速度時在X方向22(圖1)和/或Y方向24(圖1)上移動。然而，錨固系統 38(圖1)的順應性可以使檢測質量塊32能夠在過度加速度下在Z方向沈上進行某些移動。因此，超越行程停止部118限制這種不期望的移動。圖7示出與單軸傳感器30耦合以形成加速度變換器20的雙軸傳感器觀。傳感器30的密封環112上的頂層116與傳感器觀的密封環100上的頂層106結合，以形成內部容積或腔室120，其中設置傳感器觀和30中的每個的功能組件。此外，基板56的一部分被鋸切以暴露外部連接地點104。在實施例中，頂層106和116可以由鋁形成，并利用熱壓結合技術來發生結合，但并不限于這種結合技術。熱壓結合涉及將傳感器觀和/或30加熱至約四百五十攝氏度， 然后以預定壓力(例如200至4001b/sq inch)將傳感器30的密封環112上的頂層116按壓至傳感器觀的密封環100上的相應的頂層106。隨后形成具有優良物理和電學性質的氣密密封結合。在結合之前，根據慣例，會需要例如通過超聲波擦洗、濕法蝕刻或等離子體清洗進行氧化物分解的附加操作。密封環100和112中的每個的高度與它們相應的傳感器28和30的結構化組件的高度相當。因此，頂層106和116中的每個的適當厚度122在傳感器30的檢測質量塊58 和傳感器28的檢測質量塊32和固定指狀物48、50、52和M之間產生空隙或間隙124。間隙IM被構造成足夠寬，以使傳感器30和傳感器觀之間的串擾電容最小化。在示例性構造中，頂層106和116中的每個的厚度122可以約為四微米，以產生約為八微米的間隙IM 的寬度，以便使串擾電容最小化。執行鋁-鋁熱壓結合技術提供對間隙124的寬度的良好精度控制。超越行程停止部108和118位于檢測質量塊32和檢測質量塊58之間的腔室內。 超越行程停止部108限制檢測質量塊58在Z方向沈上的移動。類似地，超越行程停止部 118限制檢測質量塊32在Z方向沈上的移動。因此，因為在示例性構造中，頂層106和116 中的每個的厚度122約為四微米，且相應的超越行程停止部108和118與頂層106和116 一起形成，所以超越行程停止部108和118也約為四微米厚。因此，超越行程停止部108和 118在Z方向沈上的移動限制到四微米的最大行程。圖8示出根據本發明實施例的說明串擾電容效應128的第一圖示1 和說明串擾電容消除132的第二圖示130。如上所述，檢測質量塊朝向感測電極的移動改變檢測質量塊和感測電極之間的電容。更具體來說，電容隨檢測質量塊移動靠近感測電極而增大。如第一圖示126中所示，在其中傳感器觀包括多個固定指狀物48和50的情況下，傳感器30的固定指狀物48和檢測質量塊58之間標記為C+的第一電容134可以大于傳感器30的固定指狀物50和檢測質量塊58之間標記為C-的第二電容136。標記為C+的電容134和標記為C-的電容136之間的電容不均衡表示串擾電容效應128。這會導致傳感器觀的測量錯誤。為了減少由串擾電容效應128導致的傳感器觀的測量錯誤，在可替選的實施例中，傳感器30可以包括附加的檢測質量塊138。這種構造示于第二圖示130中。作為示例， 檢測質量塊58與固定指狀物48和50的部分140或子集之間是相反的關系。檢測質量塊 138與基板56的表面60間隔開，并與固定指狀物48和50的另一部分142或子集之間是相反的關系。錨固系統144形成在基板56的表面60上，并在另一旋轉軸146處與檢測質量塊138樞軸地耦合。錨固系統144使檢測質量塊138能夠響應于Z方向沈上的加速度而圍繞旋轉軸146旋轉。應當注意到，旋轉軸146從檢測質量塊138的中線偏移。這致使檢測質量塊138 的部分148的質量相對大于檢測質量塊138的部分150的質量。此外，旋轉軸146的偏移通常等于從檢測質量塊58的中線的旋轉軸68的偏移并在與從檢測質量塊58的中線的旋轉軸68偏移方向相反的方向上。因此，檢測質量塊138的部分148的質量基本上等于檢測質量塊58的部分70的質量。類似地，檢測質量塊138的部分150的質量基本上等于檢測質量塊58的部分72的質量。因此，Z方向沈上的加速度將使檢測質量塊58和138圍繞它們相應的軸68和146相等但在相反的方向上樞轉。在這種構造中，固定指狀物48和檢測質量塊58和138之間標記為C+的第一電容 134的總和約等于固定指狀物50和檢測質量塊58和138之間標記為C-的第二電容136的總和。因此，在第二圖示130的構造中，平衡了串擾電容，即C+ = C-，因此產生串擾電容消除 132。圖9示出根據可替選實施例的封裝后的變換器20的側視圖。雖然鋁-鋁熱壓結合 (如上所述)由于其具有對間隙1 寬度的優良的精確控制而為一種優選的結合技術，但是也可以采用其他結合技術。其他結合技術包括但不限于共晶結合、硅熔融結合、玻璃粉結合等。在本示例性實施例中，利用玻璃粉結合技術，在傳感器28和30的密封環100和112之間形成結合152。玻璃粉結合使得能夠結合在MEMS技術中常用的表面材料，且可以用于晶片級包封和封裝。其允許氣密密封和高工藝產率。在本實施例中，對于非導電玻璃粉結合來說，傳感器觀和傳感器30之間的電連接可以通過引線結合來實現。例如，變換器20還包括至少一個貫通硅通孔154，其延伸穿過傳感器30的基板56并在基板56的外表面158上具有接觸156。引線結合160形成在接觸 156和外部連接地點104之間。圖10示出根據另一可替選實施例的MEMS加速度變換器162的側視圖。如上所述， 加速度變換器的實施例可以包括沿一個、兩個或三個軸的感測。多軸感測可以適合于檢測兩個正交軸上的移動，該兩個正交軸平行于變換器的平面表面。此外，加速度變換器可以適合于檢測處于不同加速度感測范圍的移動，即g級別。在所說明的實施例中，變換器162是多軸電容感測式加速度計，其適于感測兩個互相正交方向上并處于不同加速度感測范圍的加速度。根據上述方法，變換器162包括傳感器28和與傳感器28耦合的另一傳感器164，在本實施例中，傳感器28感測X方向22 (圖1)和Y方向M (圖1)上的加速度。類似地，傳感器164感測X方向22 (圖1)和Y方向 M (圖1)上的加速度。傳感器164可以包括與結合傳感器觀所討論的結構相類似的結構。例如，傳感器 164包括錨固系統，例如錨固系統38(圖1中所示)，其形成在基板168的表面166上。錨固系統(例如，錨固系統38)與具有可移動指狀物的檢測質量塊170耦合，統稱為可移動指狀物172。統稱為固定指狀物174的固定指狀物與基板169的表面166非移動連接，且可移動指狀物172中的每個設置在一對固定指狀物174之間，以形成差動電容結構。因此，錨固系統(例如，錨固系統38)能使檢測質量塊170響應于X方向22 (圖1)和/或Y方向M (圖 1)上的加速度而基本平行于基板168的表面166移動。傳感器164的構造類似于傳感器28和傳感器164的構造，其檢測與傳感器28的感測方向相同的方向，即X方向22和Y方向M上的加速度。但是，傳感器164適于檢測與傳感器觀的感測范圍不同的感測范圍上的加速度。通過示例，傳感器觀可以為適用于檢測例如小于十g的低g級別處的、X方向22和Y方向上的加速度的低g加速度傳感器。傳感器164可以為中g加速度傳感器，其適用于檢測處于例如十至一百g之間的中g級別處的加速度。因此，傳感器觀感測在與傳感器164的第二感測范圍(中g)不同的第一感測范圍(低g)上的加速度。可以通過具有不同彈簧順應性的錨固系統的實現來獲得不同感測范圍，使得相應的檢測質量塊32和170在經受特定g時適當地移動。但是，本領域技術人員將認識到，傳感器觀和164中可以實現其他結構特征，以獲得所期望的感測范圍。雖然本文提及低g和中g加速度計，但還應理解的是，在其他實施例中，變換器封裝可以包括特定用于特殊應用的低g、中g和高g加速度計的任意組合。此外，雖然本文提及特定感測范圍，但應當理解的是，可以建立各種感測范圍。此外，雖然結合X方向22和/ 或Y方向M上的感測討論了不同感測范圍上的加速度感測，但在可替選的實施例中，變換器可以包括兩個傳感器，其中每一個都感測Z方向沈(圖1)上的加速度，且每一個都在不同感測范圍上感測。在實施例中，變換器162還包括貫通硅通孔176，以創建用于變換器162的芯片級封裝構造。芯片級封裝是一種表面安裝集成電路封裝類型，其中總封裝尺寸通常不大于其內的管芯尺寸的百分之二十。貫通硅通孔是一種完全穿過硅晶片或管芯的垂直電連接。在這種構造中，芯片級封裝變換器162包括與外部接觸178電耦合的多個貫通硅通孔176，其能夠用于創建空間節省的垂直構造的表面安裝電連接。本領域技術人員將認識到，電連接并不限于本文所討論的那些技術，而是可以可替選地實現現有和開發的技術，其包括但不限于各種類型的引腳和引線、平坦接觸、焊球矩陣(球柵陣列)、組件的主體上的端部等。本文所描述的實施例包括一種緊湊型MEMS加速度變換器，其包括垂直集成或堆疊構造的兩個傳感器。加速度變換器的實施例可以包括沿一個、兩個或三個相互正交的軸的感測。多軸感測可以適于檢測在與變換器的平面表面相平行的兩個正交軸上的移動，以及適于檢測在與變換器的平面表面相垂直的軸上的移動。此外，加速度變換器可以適于檢測處于不同加速度感測范圍處的移動，例如低g、中g、高g或其任意組合。本發明的另一實施例還包括用于垂直集成或堆疊的加速度變換器的制造方法。這種加速度變換器通過以下步驟形成獨立地制造兩個傳感器并隨后結合兩個傳感器以創建能夠在相同或不同加速度感測范圍、沿一個、兩個或三個軸感測的加速度變換器。
雖然已經詳細示出并說明了本發明的優選實施例，但對于本領域技術人員顯而易見的是，在不脫離本發明的精神或權利要求的范圍的情況下，可以對本發明進行各種修改。
權利要求
1.一種適用于感測加速度的變換器，包括第一基板，所述第一基板具有第一表面；第一檢測質量塊，所述第一檢測質量塊可移動地耦合至所述第一表面并與所述第一基板的所述第一表面間隔開；第二基板，所述第二基板具有第二表面，所述第二基板耦合至所述第一基板，并且所述第二表面面對所述第一表面；以及第二檢測質量塊，所述第二檢測質量塊可移動地耦合至所述第二表面并與所述第二基板的所述第二表面間隔開，所述第二檢測質量塊被設置成面對所述第一檢測質量塊。
2.根據權利要求1所述的變換器，還包括錨固系統，所述錨固系統形成在所述第一基板的所述第一表面上并與所述第一檢測質量塊耦合，所述錨固系統使得所述第一檢測質量塊能夠響應于第一方向上的加速度而基本上平行于所述第一基板的所述第一表面移動。
3.根據權利要求2所述的變換器，還包括可移動指狀物，所述可移動指狀物形成在所述第一檢測質量塊中并被布置成垂直于所述第一方向；以及固定感測指狀物，所述固定感測指狀物與所述第一基板非移動連接并被布置成基本平行于所述可移動指狀物，所述可移動指狀物中的每個設置在一對所述固定感測指狀物之間，以形成差動電容結構。
4.根據權利要求2所述的變換器，其中，所述錨固系統還使得所述第一檢測質量塊能夠響應于第二方向上的加速度而基本上平行于所述第一基板的所述第一表面移動，所述第二方向與所述第一方向正交。
5.根據權利要求2所述的變換器，其中，所述錨固系統是第一錨固系統，并且所述變換器還包括第二錨固系統，所述第二錨固系統形成在所述第二基板的所述第二表面上并與所述第二檢測質量塊耦合，以使得所述第二檢測質量塊能夠響應于所述第一方向上的所述加速度而基本上平行于所述第二基板的所述第二表面移動。
6.根據權利要求5所述的變換器，還包括第一傳感器，所述第一傳感器適用于在第一感測范圍上檢測所述第一方向上的所述加速度，所述第一檢測質量塊形成所述第一傳感器的一部分；以及第二傳感器，所述第二傳感器適用于在第二感測范圍上檢測所述第一方向上的所述加速度，所述第二檢測質量塊形成所述第二傳感器的一部分，并且所述第二感測范圍與所述第一感測范圍不同。
7.根據權利要求1所述的變換器，其中，所述第二檢測質量塊適于相對于旋轉軸運動， 并且所述變換器還包括錨固系統，所述錨固系統形成在所述第二基板的所述第二表面上并與所述第二檢測質量塊樞軸地耦合，所述錨固系統使得所述第二檢測質量塊能夠響應于與所述第二基板的所述第二表面相垂直的方向上的加速度而圍繞所述旋轉軸旋轉。
8.根據權利要求7所述的變換器，其中所述第二檢測質量塊包括第一和第二端部，第一部分形成在所述旋轉軸和所述第一端部之間，第二部分形成在所述旋轉軸和所述第二端部之間，所述第一部分呈現出比所述第二部分的質量大的質量；以及所述變換器還包括在所述第二基板的所述第二表面上形成的第一和第二電極元件，所述第一電極元件面對所述第一部分，所述第二電極元件面對所述第二部分，并且所述第一和第二電極元件中的每個適于感測與所述第二表面相垂直的所述方向上的所述加速度。
9.根據權利要求7所述的變換器，還包括固定感測指狀物，所述固定感測指狀物形成在所述第一基板的所述第一表面上，所述第二檢測質量塊與所述固定感測指狀物的第一部分處于相反的關系；第三檢測質量塊，所述第三檢測質量塊可移動耦合至所述第二表面并與所述第二基板的所述第二表面間隔開，所述第三檢測質量塊與所述固定感測指狀物的第二部分處于相反的關系；以及第三錨固系統，所述第三錨固系統形成在所述第二基板的所述第二表面上并在第二旋轉軸處與所述第三檢測質量塊樞軸地耦合，所述第三錨固系統使得所述第三檢測質量塊能夠響應于與所述第二表面相垂直的所述方向上的加速度而圍繞所述第二旋轉軸旋轉。
10.根據權利要求1所述的變換器，還包括超越行程停止部，所述超越行程停止部位于所述第一檢測質量塊與所述第二檢測質量塊之間，所述超越行程停止部與所述第一和第二表面中的一個非移動連接，所述超越行程停止部適于限制所述第一和第二檢測質量塊中的至少一個在與所述第一和第二基板的所述第一和第二表面相垂直的方向上的移動。
11.根據權利要求10所述的變換器，其中，所述超越行程停止部是第一超越行程停止部，其與所述第一表面非移動連接并適于限制所述第二檢測質量塊在所述方向上的移動， 并且所述變換器還包括第二超越行程停止部，所述第二超越行程停止部位于所述第一檢測質量塊和所述第二檢測質量塊之間，所述第二超越行程停止部與所述第二表面非移動連接并適于限制所述第一檢測質量塊在所述方向上的移動。
12.根據權利要求1所述的變換器，其中，所述第二檢測質量塊與所述第一基板的所述第一表面上形成的固定感測指狀物處于相反的關系，所述第二檢測質量塊通過具有足以限制所述第二檢測質量塊與所述固定感測指狀物之間的串擾電容的寬度的間隙與所述固定感測指狀物間隔開。
13.根據權利要求1所述的變換器，其中，所述第二基板耦合至所述第一基板以形成氣密密封腔室，在所述氣密密封腔室中設置所述第一檢測質量塊和所述第二檢測質量塊。
14.一種制造適用于感測加速度的微機電系統(MEMQ變換器的方法，包括形成適用于檢測所述加速度的第一傳感器，所述第一傳感器包括第一基板、第一檢測質量塊以及第一固定電極，所述第一基板具有第一表面，所述第一檢測質量塊可移動地耦合至所述第一表面并以間隔開的關系被設置在所述第一表面上方，所述第一固定電極形成在所述第一表面上；形成適用于檢測所述加速度的第二傳感器，所述第二傳感器包括第二基板、第二檢測質量塊以及第二固定電極，所述第二基板具有第二表面，所述第二檢測質量塊可移動地耦合至所述第二表面并以間隔開的關系被設置在所述第一表面上方，所述第二固定電極形成在所述第二表面上；以及在形成所述第一和第二傳感器之后，將所述第二基板與所述第一基板耦合，使得所述第二表面面對所述第一表面并且所述第二檢測質量塊被設置成面對所述第一檢測質量塊。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述形成所述第一傳感器包括在所述第一基板的所述第一表面上形成第一錨固系統，所述第一錨固系統與所述第一檢測質量塊耦合，所述第一錨固系統使得所述第一檢測質量塊能夠響應于第一方向上的加速度而基本上平行于所述第一基板的所述第一表面移動；以及所述形成所述第二傳感器包括在所述第二基板的所述第二表面上形成第二錨固系統， 所述第二錨固系統在旋轉軸處與所述第二檢測質量塊樞軸地耦合，以使得所述第二檢測質量塊能夠響應于第二方向上的加速度而圍繞所述旋轉軸轉動，所述第二方向垂直于所述第二基板的所述第二表面。
16.根據權利要求14所述的方法，其中所述形成所述第一傳感器包括在所述第一基板的所述第一表面上形成第一錨固系統， 所述第一錨固系統與所述第一檢測質量塊耦合，所述第一錨固系統使得所述第一檢測質量塊能夠響應于第一方向上的加速度而基本上平行于所述第一基板的所述第一表面移動，其中所述第一傳感器適用于在第一感測范圍上檢測所述第一方向上的所述加速度；以及所述形成所述第二傳感器包括在所述第二基板的所述第二表面上形成第二錨固系統， 所述第二錨固系統與所述第二檢測質量塊耦合，所述第二錨固系統使得所述第二檢測質量塊能夠響應于所述第一方向上的所述加速度而基本上平行于所述第二基板的所述第二表面移動，其中所述第二傳感器適用于在與所述第一感測范圍不同的第二感測范圍上檢測所述第一方向上的所述加速度。
17.根據權利要求14所述的方法，其中，所述耦合操作將所述第二基板耦合到所述第一基板，以形成氣密密封腔室，在所述氣密密封腔室中設置所述第一檢測質量塊和所述第二檢測質量塊。
18.—種適用于感測加速度的變換器，包括第一基板，所述第一基板具有第一表面；第一檢測質量塊，所述第一檢測質量塊與所述第一基板的所述第一表面間隔開；第一錨固系統，所述第一錨固系統形成在所述第一基板的所述第一表面上并與所述第一檢測質量塊耦合，以使得所述第一檢測質量塊能夠響應于第一方向上的加速度而基本上平行于所述第一基板的所述第一表面移動；第二基板，所述第二基板具有第二表面，所述第二基板耦合至所述第一基板，并且所述第二表面面對所述第一表面；第二檢測質量塊，所述第二檢測質量塊與所述第二基板的所述第二表面間隔開，所述第二檢測質量塊被設置成面對所述第一檢測質量塊；以及第二錨固系統，所述第二錨固系統形成在所述第二基板的所述第二表面上并與所述第二檢測質量塊樞軸地耦合，以使得所述第二檢測質量塊能夠響應于第二方向上的加速度而圍繞旋轉軸轉動，所述第二方向垂直于所述第二基板的所述第二表面。
19.根據權利要求18所述的變換器，其中，所述第一錨固系統還使得所述第一檢測質量塊能夠響應于第三方向上的加速度而基本上平行于所述第一基板的所述第一表面移動， 所述第三方向與所述第一和第二方向正交。
20.根據權利要求18所述的變換器，還包括超越行程停止部，所述超越行程停止部位于所述第一檢測質量塊和所述第二檢測質量塊之間，所述超越行程停止部與所述第一和第二表面中的一個非移動連接，所述超越行程停止部適用于限制所述第一和第二檢測質量塊中的至少一個在所述第二方向上的移動。
全文摘要
一種變換器(20)，包括被結合的傳感器(28，30)，以形成垂直集成的構造。傳感器(28)包括檢測質量塊(32)，可移動耦合至基板(36)的表面(34)并與基板(36)的表面(34)間隔開。傳感器(30)包括檢測質量塊(58)，可移動地耦合至基板(56)的表面(60)并與基板(56)的表面(60)間隔開。基板(36，56)與面對基板(36)的表面(34)的基板(56)的表面(60)耦合。因此，檢測質量塊(58)面對檢測質量塊(32)。獨立地制造傳感器(28，30)且可以利用不同微機械加工技術來形成。傳感器(28，30)利用晶片結合技術來順序耦合(90)，以形成變換器(20)。變換器(20)的實施例可以包括沿一個、兩個或三個正交軸感測且可以適用于檢測在不同加速度感測范圍的移動。
文檔編號G01P15/125GK102356324SQ201080012403
公開日2012年2月15日 申請日期2010年2月26日 優先權日2009年3月24日
發明者托德·F·米勒, 樸宇泰, 林毅楨 申請人:飛思卡爾半導體公司