單片體mems設備的制作方法

單片體mems設備的制作方法
【專利摘要】一種以減少或消除應變從基板至結構的傳遞方式機械錨定懸浮電極的MEMS結構的技術將MEMS設備從應變源解耦，懸浮電極以一方式機械錨定，該方式減少或消除應變從基板至結構的傳遞，或應變至電極和主體的傳遞以使得變換器為耐應變。該技術包括使用嵌入至傳導結構材料中的電絕緣材料以用于機械地耦合和電絕緣。
【專利說明】單片體MEMS設備

【技術領域】
[0001] 本發明涉及微電子機械系統（MEMS)。

【背景技術】
[0002] 通常，微電子機械系統（MEMS)為非常小的機械設備。典型MEMS設備包括可以被用 于不同應用中的傳感器和驅動器，例如，諧振器（例如，振蕩器）、溫度傳感器、壓力傳感器、 或慣性傳感器（例如，加速度或角速度傳感器）。機械設備通常具有某些形式的機械運動的 能量并且使用類似于微電子產業中使用的那些制造技術（如使用光刻、沉積、和刻蝕過程） 以微尺度被形成。
[0003] 通常，MEMS變換器在不同形式之間轉換能量，例如，靜電和機械形式。MEMS變換器 可以被用作將運動轉換成電能的傳感器（加速計、壓力傳感器等）和將電信號轉換成運動 的驅動器（梳驅動、微鏡設備、諧振器）。使用電容變換器的MEMS設備容易制造并且產生低 噪音和低工號傳感器和/或驅動器。
[0004] 電容感應是基于檢測電容器電容的改變的。如果在電容器兩端施加已知電壓（例 如MEMS設備電容器兩端施加固定的DC電勢差），響應于電容器的一個板相對于電容器的 另一個板的運動，由于電容變化引起的電流改變將呈現。類似地，電容驅動是基于MEMS電 容變換器的兩個板之間的靜電力變化的。例如，DC工作點可以通過將DC偏置電壓施加至 電容器兩端并施加引起該電容器的板上力的改變的AC電壓而被建立。MEMS設備的變換器 是基于生成靜電力的變換間隙兩端的電壓的，或相反地，變換基于由于在變換器輸出端生 成電荷變化的位移而引起的間隙變化。變換間隙可以根據環境因素（例如，溫度、應變和老 化）而變化，因而關于時間改變電容。這些相同環境因素還可以影響與MEMS設備相關聯的 彈簧系數（即，彈簧剛度），其典型地被塑造為質量-彈簧-阻尼器系統。通常，電極電容的 改變通過靜電牽引（pulling)影響等效彈簧剛度，該等效彈簧剛度影響MEMS設備的諧振頻 率。以需要高精度應用（例如，具有需要在+/_百萬分之（ppm) 10的諧振頻率規格的諧振 器）為目標的MEMS設備由于環境因素對諧振頻率的影響不可以實現目標規格。
[0005] MEMS設備可以被配置為在定時設備中使用的諧振器。該諧振器可以具有各種物理 形狀，例如，梁或板。MEMS設備可以具有通過錨附著至基板從該基板懸浮的部分（例如，懸 浮質量（mass)、體、或諧振器）。示例性懸浮質量可以為以下特征但不限于此：梁、板、懸臂、 或音叉。在特定實施方式中，MEMS設備包括兩側有一個或多個驅動電極和一個或多個感應 電極的諧振特征（例如，懸浮質量）。
[0006] 參考圖1，傳統MEMS設備（例如，MEMS設備100)包括經由錨104耦合至基板102 的諧振器105。在運行期間，電極110靜電驅動諧振器105動態地偏轉，當通過減小諧振器 105和電極110之間的間隙而在諧振器105和電極110之間存在壓差時，這增加了諧振器 105和電極110之間的電容。由于電極110和諧振器105具有相同的高度和厚度，并且位于 相同平面上，當被驅動時，諧振器105在電極110和第二電極111之間的距離上橫向變形， 艮P，平行于基板的平面。電極110基本與基板102平行。隨著諧振器105和電極111之間的 電容響應于由電極110驅動的偏轉而變化時，電極111檢測諧振器105的諧振頻率。MEMS 設備100通常被稱為"面內"或"橫向"模式諧振器，因為諧振器105被驅動以以下模式諧 振：諧振器105橫向移動（在方向109上）并與電極110保持垂直對齊。
[0007] 參考圖2,在示例性MEMS應用中，在振蕩器配置中MEMS設備100被耦合至放大器 210。感應電極220基于來自MEMS設備100的震動諧振器的能量傳遞來提供信號，因而將 機械能轉換成電能。通常，在電路不同點處引入的偏置信號確定了電路的工作點并且可以 被預定，增加至AC信號的固定DC電壓或電流。MEMS設備100的諧振器接收DC偏置電壓， ，該偏置電壓通過精密電壓參考或偏壓發生器206的電壓調節器來生成。然而，在其它 實施方式中，偏置信號可以在電極或振蕩電路的其它節點處被引入。大反饋電阻器（RF)在 工作的線性區域中偏置放大器210,因而使得放大器210工作為高增益反向放大器。MEMS 諧振器通過將放大器210的輸出反饋至MEMS設備100的驅動電極來支持MEMS設備100的 振動。放大器210從感應電極202接收小信號電壓并在驅動電極204上生成使得MEMS設 備100的諧振器繼續振蕩的電壓。結合電容q和C 2的MEMS設備100形成π型網絡帶通 濾波器，該濾波器在MEMS設備100的諧振頻率處提供從驅動電極204至感應電極的180度 相移和電壓增益。
[0008] 根據某些MEMS應用（例如，低功率時鐘源），可能需要低功率、高Q(即，品質因 數）、穩態、和精確的振蕩器。然而，功率、精度和穩定性規格可能難以使用圖1的傳統MEMS 設備來實現。因此。例如降低或消除影響MEMS設備輸出頻率的精度和穩定性的因素的MEMS 設備的改進的MEMS設備都是需要的。


【發明內容】

[0009] 一種技術通過形成具有懸浮電極的MEMS結構來將MEMS設備從應變源解耦，所述 懸浮電極以一模式機械地錨定，該模式降低或消除從基板至所述結構中的應變傳遞或將應 變傳遞至電極和主體以使得變換器為耐應變的。所述技術包括使用嵌入至導電結構材料中 的電氣絕緣材料以用于機械地耦合和電隔離。
[0010] 在本發明的至少一個實施方式中，一種裝置包括MEMS設備，該MEMS設備包括從基 板懸浮的主體。MEMS設備包括從基板懸浮的第一電極。該第一電極和主體形成第一靜電變 換器。MEMS設備包括從基板懸浮的第二電極。該第二電極和主體形成第二靜電變換器。第 一電極和第二電極機械地耦合至主體。主體、第一電極、和第二電極可以為使用基板形成的 結構層中形成的共面結構。MEMS設備可以包括將第一電極、第二電極和主體機械地耦合至 基板的錨。所述錨可以包括彼此機械地耦合并彼此電隔離的第一錨部分、第二錨部分和第 三錨部分。所述錨可以包括用于限定第一電極、第二電極和主體部分的電絕緣體部分。所 述錨可以包括形成第一電極、第二電極和主體部分的電導體部分。所述裝置可以包括機械 地耦合至主體并與主體電隔離的懸浮的無源元件。MEMS設備可以包括電氣地和機械地耦合 至主體的溫度補償結構。溫度補償結構可以包括從基板懸浮的第一梁，該第一梁由具有第 一楊氏模量溫度系數的第一材料形成。溫度補償結構可以包括從基板懸浮的第二梁。該第 二梁可以由具有第二楊氏模量溫度系數的第二材料形成。溫度補償結構從基板懸浮的路由 彈簧。該路由彈簧可以被耦合至第一梁和第二梁。路由彈簧可以由第二材料形成并且具有 的柔量本質上比第一梁的柔量或第二梁的柔量大。 toon] 在本發明的至少一個實施方式中，制造一種裝置的方法，包括形成包括從基板懸 浮的主體的MEMS設備。該MEMS設備包括從基板懸浮的第一電極。該第一電極和主體形成 第一靜電變換器。MEMS設備包括從基板懸浮的第二電極。該第二電極和主體形成第二靜電 變換器。第一電極和第二電極機械地耦合至主體。該制造方法可以包括形成機械地耦合至 主體并與主體電隔離的懸浮的無源元件。形成MEMS設備還可以包括形成電氣地或機械地 耦合至主體的溫度補償結構。該溫度補償結構可以包括從基板懸浮的第一梁。該第一梁可 以由具有第一楊氏模量溫度系數的第一材料形成。溫度補償結構可以包括從基板懸浮的第 二梁。該第二梁可以由具有第二楊氏模量溫度系數的第二材料形成。溫度補償結構可以包 括從基板懸浮的路由彈簧。該路由彈簧可以由第二材料形成并且具有的柔量本質上比第一 梁的柔量或第二梁的柔量大。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 通過參考附圖本發明可以更好的被理解，并且其多個目的、特征、和優點被呈現給 本領域技術人員。
[0013] 圖1不出包括面內諧振器的傳統MEMS設備；
[0014] 圖2示出被配置為振蕩器的MEMS設備的電路圖；
[0015] 圖3示出根據本發明的至少一種實施方式在釋放結構層來形成懸浮部分之前 MEMS結構的示例性橫截面圖；
[0016] 圖4A示出塑造典型MEMS變換器的圖示；
[0017] 圖4B示出根據本發明至少一種實施方式的塑造具有懸浮電極和懸浮諧振器的 MEMS變換器；
[0018] 圖4C示出根據本發明至少一種實施方式塑造具有懸浮電極和在耦合的電極配置 中的懸浮諧振器的MEMS變換器；
[0019] 圖5示出根據本發明至少一種實施方式的具有懸浮電極和在耦合的電極配置中 的懸浮諧振器的MEMS變換器的平面圖；
[0020] 圖6A-6D不出根據本發明至少一種實施方式的具有懸浮電極和在f禹合的電極配 置中的懸浮諧振器的圖5的MEMS變換器的各種特征；
[0021] 圖6E示出在根據本發明至少一種實施方式的具有懸浮電極和在耦合的電極配置 中的懸浮諧振器的圖5的MEMS變換器應力消除后的靜撓度；
[0022] 圖7A示出不具有懸浮電極的動態振型的高頻MEMS變換器；
[0023] 圖7B示出不具有懸浮電極的高頻MEMS變換器的平面試圖；
[0024] 圖8A和8B示出根據本發明至少一種實施方式的具有懸浮電極的高頻MEMS變換 器的平面圖；
[0025] 圖9示出根據本發明至少一種實施方式的被耦合的電極設備；
[0026] 圖10A和10B示出根據本發明至少一種實施方式的懸浮電阻器設備；
[0027] 圖10C示出根據本發明至少一種實施方式的具有側電極的電阻器設備和MEMS變 換器。
[0028] 不同附圖中相同參考符號的使用表示類似或相同項。

【具體實施方式】
[0029] 回顧圖1，MEMS設備100可以被塑造為具有諧振頻率^的彈簧系統，其 中k為表示彈簧剛度的常量，m為諧振器的質量，以及&為諧振器頻率。通常，品質因數ρ 表征相對于中心頻率諧振器的帶寬。品質因數可以被表示為9 = 2π?>/γ，其中，γ為阻 尼系數（例如，由于質量（mass)周圍腔中的流體而導致的）。較高β指示能量損耗相對于 諧振器的存儲能量的較低比率，即，振蕩較慢地消失。具有較高Q的振蕩器以較高振幅但圍 繞較小帶寬上頻率的小范圍頻率來諧振。為了實現高精度、低功率諧振器，可以期望高質量 以使得設備能夠具有高剛度。如果Q的其它相關參數保持不變，則增加質量m增加了諧振 器的品質因數。為了保持特定諧振頻率，m的增加需要k的相應增加。對于特定MEMS應用 的其它設計目標可以包括低頻工作（例如，f〇< 1MHz)和對于MEMS振蕩器的外殼的沖擊不 敏感性。高剛度降低了對諧振器電壓的敏感性并降低了工作的非線性。然而，影響變換器 線性度和機械剛度的設備特征可以通過環境變化而被改變，環境變化可以影響響應于老化 和溫度變化的頻率的初始精度和頻率穩定性。
[0030] 圖1典型的MEMS由可自由移動的直立（standing)主體和一個或多個電極制成， 所有電極可以具處于不同的電位。電極和主體的集合形成電子機械變換器。由電極和質量 形成的靜電變換器受到如溫度變化和機械剛度的環境因素的影響，環境因素影響靜電變換 器性能并轉而影響整個MEMS的關鍵性能，如初始精度。典型MEMS設備使用用于電極和可 移動質量的兩個單獨主體。通常，這些主體彼此分別錨定并因此，在兩個之間（具有寬度d) 形成的變換器間隙可能受到源自結構層的殘余應力、結構層（例如，SiGe)和基板（例如， Si)之間熱膨脹系數的不匹配、和/或來自封裝應力（這些通常將隨溫度并可能隨時間變化 (例如，壓力松弛）的應變的影響。
[0031] 變換器性能的這種變化影響電子機械行為并且可以以由于諧振器應用中的應變 或慣性傳感器應用中的加速度偏移和敏感性而引起的頻率變化來顯示其自身以及可以限 制MEMS系統的性能或公差。例如，在典型MEMS諧振器應用中，MEMS振蕩器可以被校準儀 在室溫和超溫是符合+/-百萬分之（ppm) 10、20、或50。如果變換器對應變是敏感的，則由 于焊料回流或溫度變化導致的封裝應變變化將修改變換器的靜電力，這影響設備的諧振頻 率。由于應變變化引起的頻率變化可能導致MEMS諧振器不能符合目標規格。
[0032] 理想地，為了降低應變對MEMS設備的影響，電極錨和諧振器錨可以盡可能地彼此 接近放置。如這里所指的，錨是將第一結構的部分機械地耦合（例如，錨定、固定、鎖扣、接 合、連接、或附著）至第二結構的部分的結構。機械地耦合的第一結構的部分和第二結構的 部分具有受限運動。在傳統MEMS設備中，將電極錨和諧振器錨定位在基板上的相同位置通 常不是可行的。因此，MEMS設備的電極錨和諧振器錨被極為貼近地（例如，由目標制造過 程的設計約束條件（例如，設計規則）所允許的最近距離）放置以降低對MEMS設備的應變 影響的MEMS設備的敏感性。MEMS設備的變換器經常是基于變換間隙兩端的壓差（即。質 量和電極之間的電壓差，的。例如，示例性MEMS設備的變換間隙由諧振器的電容梳指 (capacitive fingers)和相應的電極的電容手指之間的距離來定義，所述距離可以是相等 的。那些距離可以根據應變變化，引起MEMS設備的電容變換的改變并因而引起諧振頻率的 改變。
[0033] -種技術通過形成具有懸浮電極的MEMS結構來將MEMS設備的變換器從應變源解 耦，所述懸浮電極以一模式機械地錨定，該模式降低或消除從基板至所述結構中的應變傳 遞（例如，通過使用一個或多個中心錨結構），或將應變傳遞至電極和主體二者以使得變換 器為耐應變的。所述技術包括使用嵌入至導電結構材料（例如，SiGe)中的電氣絕緣材料 (例如，Si0 2)以用于機械地耦合和電隔離。如這里所指的，結構層是一層特殊材料，該特殊 材料后來被模式化并至少部分地被釋放以形成至少一自由機械移動或向基板表面在至少 一個方向中偏轉的部分。如這里所指的，結構或結構層部分的釋放使得結構或結構層部分 解放具有自由機械移動或關于基板在至少一個方向平面中偏轉的部分。釋放層是一層材 料，當移動時，該材料釋放至少一部分結構或一部分結構層。釋放通常朝著制造結束時發生 以保持釋放結構的完整性。
[0034] 嵌入的電絕緣材料還可以被用于MEMS設備的溫度補償，這在2007年3月9日 提交的、2009 年 9 月 29 日公布的、名稱為 "Method for Temperature Compensation in MEMS Resonators with Isolated Regions of Distinct Material" 的美國專利 No. 7, 639, 104(發明人名稱為Emmanuel P.Quevy等）中被描述，其通過引用被合并于此。 嵌入的電絕緣材料可以被用于結構層的電絕緣特定區域。當保持連續（即，單片式）機械主 體的同時，嵌入的電絕緣體可以被用于通過結構層路由不同信號。盡管所述技術使用二氧 化硅被描述，但是其他電絕緣材料可以被使用，用于形成電絕緣材料結構（例如，嵌入的二 氧化硅縫（slit))的技術在美國專利No. 7, 639, 104和在2007年3月9日提交的、2009年 4月 7 日公布的、名稱為 "IC-Compatible MEMS Structure" 的美國專利No. 7,514,760(發 明人名稱為Emmanuel P.Quevy)中被描述，其通過引用被合并于此。
[0035] -個或多個嵌入的電絕緣體縫可以被用于路由信號并同時執行電的、熱的和機械 功能。在MEMS設備的至少一個實施方式中，嵌入的絕緣體材料被用于形成單片式的MEMS設 備，該單片式的MEMS設備包括自參照的變換器間隙，S卩，電極和可移動主體機械地耦合以 一起移動，從而降低環境應變的影響。在使用嵌入的絕緣體材料形成的MEMS設備的至少一 個實施方式中，電極為可移動主體的部分并有助于振型。在使用嵌入的絕緣體材料形成的 MEMS設備的至少一中實施方式中，電極為可移動主體并且有助于主體與電極的相對位移。 因此，那些MEMS設備可以擁有具備較高性能（例如隨面積的較高信噪比）的更緊湊設計。 此外，嵌入的電絕緣體材料縫技術允許相同結構層中各自信號的路由。
[0036] 參考圖3,實現高Q工作的示例性MEMS設備使用形成從基板懸浮的主體和電極 結構的技術來制造。可以被用于生成MEMS設備的制造技術在2007年3月9日提交的、 名稱為 "IC-Compatible MEMS Structure"、發明人名稱為 Emmanuel P.Quevy 的美國專利 Νο·7, 514, 760 和在 2011 年3 月 30 日提交的、名稱為"Technique for Forming a MEMS Device"、發明人名稱為Emmanuel P. Quevy等的美國專利申請No. 13/075, 800和在2011 年 3 月 30 日提交的、名稱為 "Technique for Forming a MEMS Device Using Island Structures"、發明人名稱為Emmanuel P. Quevy等的美國專利申請No. 13/075, 806中被描 述，這些專利通過引用被合并于此。例如，結構層302包括結構部分304和306,結構部分 304和306電隔離但是使用絕緣氧化物308彼此機械地耦合。當結構材料釋放時，結構部分 304和306從基板312懸浮。結構部分使用電觸點結構314、316、和318電耦合至電區域。 信號可以使用嵌入的絕緣體部分被路由，同時保持連續（即，單片式）機械主體，如以下進 一步論述的。
[0037] 參考圖4A，典型的靜電變換器包括錨定至基板420的可移動質量402和錨定至 基板420的可移動電極。靜電變換器具有變換器間隙d、諧振器電極電壓、諧振器電極 電容CM，并具有如下的效率：：Γ = ?，生，其中= -，并且^^| ◎ K+ dx dt dfx 辦 i.v..。 4 由于應變等引起的頻率變化導致爲@ = /meeft * - /i(d)F2的諧振頻率，其中頻率精度的 應變依賴性（根據殘余應力和熱應力）為= f 由于應變引起的頻率偏移為： d〇 4 {δε)?；· 頻率控制應用可以通過降低或消除由于應變引起的頻率變化 / 2 ι-β?α0).ν ' 和/或降低或消除設備變換器傳遞的應變來試圖降低或消除頻率偏移。
[0038] 參考圖4Β，懸浮電極（由耦合至彈簧阻尼器系統的板422代表）和懸浮主體（由耦 合至彈簧阻尼器系統的質量424代表）配置引起變換器間隙d，該間隙d僅取決于電極和主 體之間的拓撲失配。懸浮電極和主體被電隔離并且通過機械懸浮408中的電絕緣材料406 機械地耦合。拓撲失配（例如，電極和主體由于應變失配）可以通過設計剪裁（tailor)或 去掉（null)。參考圖4C，在耦合的電極諧振模式中，每個電極為諧振主體并被機械地耦合 至其它電極以實現目標諧振振型。電極被電隔離并使用機械懸浮412中的電絕緣材料410 進行機械地耦合。
[0039] 圖5示出具有懸浮電極和懸浮主體（即，諧振器或質量）低頻諧振器的示例性實 施方式。低頻諧振器通常對于由于應變引起的頻率偏移是敏感的，這是由于他們的低剛度。 MEMS設備500包括梳驅動變換器，該梳驅動變換器在某些應用中被使用以根據位移改善電 容的線性度。MEMS設備500的電極和諧振器包括電導梳結構，該電導梳結構包括互鎖但不 接觸的電極齒（teeth)行（rows)、主體齒行。主體和電極面內縱向移動。然而，于此描述的 技術可以適用于包括平行板變換器和/或其中主體和/或電極面外移動的那些的MEMS設 備的實施方式。
[0040] 仍舊參考圖5,在MEMS設備500中，懸浮梁510和513包括延伸通過主體502的 中心錨504的信號路由。主體502包括折疊（fold)梁彈簧。可替代地，由不同材料制成的 懸浮梁可以被物理地和機械的平行配置，代替示出的具有機械地串聯單物理地并聯的懸浮 梁的折疊彈簧。在可替代的情形中，無需信號路由部分。主體中心中的中心錨504的位置 降低了機械應力至振動結構的傳遞。中心錨504為單片式結構，包括多個機械地耦合部分。 然而，中心錨504被分割成多個電隔離部分（例如，包括觸點503、505、507、509和511以 分開第一電極、主體、和第二電極的電區域，下面參考圖6A-6C進一步描述）。回顧圖5,每 個MEMS設備500的主體的區域的相對大質量對于給定頻率增加了折疊梁的剛度，與對于相 同目標頻率具有較小質量的MEMS設備相比因而減少由于應變引起的頻率變化。MEMS設備 500的主體502還包括嵌入的電絕緣體材料縫522,來匹配懸浮梁的靜撓度以便一旦殘余應 力在整個結構中被解除對齊個體變換器表面，下面進一步論述。應該注意到，在圖5中，電 絕緣材料使用畫陰影線來陰影化，而電導材料使用點陰影化。例如電極齒和主體齒之間的 未陰影化的間隙可以包含空氣或其它流體。
[0041] 參考圖5和6A至6E，闡述MEMS設備500的各種特征。參考圖6A，主體502的電 導部分經由中心錨504的觸點503耦合至第一電區域。主體502通過在中心錨504和主體 502末端之間延伸的懸浮梁512和513從基板懸浮。圖6A中MEMS設備500的陰影線區域 表示耦合至第一電區域的MEMS設備500的那些部分，MEMS設備500的其它部分（電導和 電絕緣）使用點表示，并且例如電極齒和主體齒之間的為陰影化的間隙可以包含空氣或其 它流體。回顧圖5,懸浮梁512和513的傳導部分通過嵌入至懸浮梁512和513中的電絕緣 材料（由圖5招工陰影表示）被圈定為第一電區域部分。懸浮梁512和513的其它部分通 過嵌入的電絕緣材料與第一電區域電隔離。主體502包括傳導指結構，該傳導指結構與電 極的傳導指結構指叉以形成梳驅動變換器。
[0042] 參考圖6B，MEMS設備500的第一電極經由中心錨504的觸點505和507被耦合至 第二電區域。第一電極的部分通過在中心錨機構和主體末端之間延伸的懸浮梁512從基板 懸浮。圖6B中MEMS設備500的陰影線部分表示MEMS設備500的耦合至第二電區域的那 些部分，MEMS設備500的其它部分（電導和電絕緣）使用點表示，并且例如電極齒和主體 齒之間的未陰影化的間隙可以包含空氣或其它流體。回顧圖5,懸浮梁512包括通過嵌入至 懸浮梁512中的電絕緣材料515限定為第二電區域的傳導部分。然而，懸浮梁512的其它 部分通過嵌入的電絕緣材料與第二電區域電隔離。第一電極包括傳導指結構，該傳導指結 構與主體502的傳導指結構指叉以形成梳驅動變換器。
[0043] 參考圖6C，MEMS設備500的第二電極經由中心錨504的觸點509和511被耦合至 第三電區域。第二電極的部分通過在中心錨機構和主體末端502之間延伸的懸浮梁513從 基板懸浮。圖6C中MEMS設備500的陰影線部分表示MEMS設備500的耦合至第三電區域 的那些部分，MEMS設備500的其它部分（電導和電絕緣）使用點表示，并且例如電極齒和 主體齒之間的未陰影化的間隙可以包含空氣或其它流體。回顧圖5,懸浮梁513包括通過嵌 入至懸浮梁513中的電絕緣材料515限定為第三電區域的傳導部分。然而，懸浮梁513的 其它部分通過嵌入的電絕緣材料與第三電區域電隔離。第二電極包括傳導指結構，該傳導 指結構與主體502的傳導指結構指叉以形成梳驅動變換器。
[0044] 仍舊參考圖5, MEMS設備500包括折疊梁結構。如上所述，MEMS設備500包括懸 浮梁512和513中的電絕緣材料部分（由圖5中陰影線表示），以允許單獨信號至主體和電 極的路由。那些電絕緣材料部分可以影響懸浮梁的應變梯度。如果懸浮梁和主體之間的應 變梯度不匹配，則那些電絕緣材料部分可能引起懸浮梁關于主體不同地卷曲，導致梳驅動 變換器的變換器間隙處電極和主體的不對準，因而降低變換器的效率。參考圖5和圖6E， 為了補償由于MEMS設備500的懸浮臂中電絕緣體材料引起的應變梯度關于主體的變化，主 體502包括嵌入的電絕緣體材料縫522。那些電絕緣體材料縫具有將主體應變梯度與懸浮 梁應變梯度匹配的幾何圖形。由于MEMS設備500的該設計特征，包括電極的MEMS設備500 的部分的靜撓度在面外方向與主體的靜撓度匹配，如圖6E的靜撓度圖所示。
[0045] 參考圖7A和7B，MEMS設備700為包括具有多個錨的懸浮質量但不具有懸浮電極 的示例性高頻諧振器。圖7A的位移輪廓示出基本形狀結構的目標振型。每個電極712、714、 716和718通過多個錨單獨錨定至基板，所述錨包括對應于電區域的觸點。板變換器702通 過包括中心錨720和板每個角處的錨722的5點錨定技術而被單獨錨定至基板。每個角錨 包括解耦彈簧724和至相應區域的電連接。
[0046] 圖8A和8B示出包括使用電絕緣材料部分806彼此機械地耦合的懸浮主體和懸浮 電極的示例性高頻MEMS設備800。板諧振器802通過中心錨被錨定至基板，中心錨也包括 至第一電區域的電觸點。四個角錨使用電絕緣材料部分機械地耦合至板諧振器802,但是 通過電絕緣材料部分與板諧振器802電隔離。每個角錨將電區域電耦合至被機械地耦合至 該錨的電極中的一個（例如，電極816)。每個角錨還包括電絕緣材料部分808,該電絕緣材 料部分808將該電區域與機械地耦合至該錨的另一電極電（例如，電極818)隔離。因而， MEMS設備800的設計減小或消除由于應變引起的頻率變化。
[0047] 上述技術可以被應用至其他類型的MEMS設備。電極可以被懸浮在基板之上并關 于懸浮諧振器梁機械引用以減小由于應變引起的頻率變化。參考圖9,彎曲設備包括懸浮電 極梁902和懸浮電極梁906之間的懸浮主體梁904。與可以被塑造為具有固定電極的圖4B 的系統的MEMS設備500、700和800不同，MEMS設備900包括一起振動（即，一起形成振動 模式）的主體和電極。在MEMS設備900中，懸浮電極梁902和906為結合懸浮主體梁904 的類音叉結構，同時形成諧振器和變換器。這種梁結構可以在陀螺儀和低頻定時結構中使 用。懸浮主體梁904和懸浮電極梁902和906通過電絕緣材料部分908電隔離和機械地耦 合。任何基板應變引起電極一起移動。因此電極是自引用的并且MEMS設備900是應變不敏 感的。每個梁與不同電區域相關聯，但是彼此機械地耦合。電絕緣材料部分908機械地耦 合懸浮主體梁904與懸浮電極梁902和906。路由信號918傳送通過電絕緣材料部分908 并將懸浮主體梁904耦合至錨910和912,錨910和912通過解耦彈簧914和916從懸浮 主體梁904機械解耦以減小應變從基板傳遞至懸浮主體梁904并包括至相應電區域的電觸 點。與傳統MEMS結構不同，MEMS設備900的電極梁和主體梁一起振動并且與傳統MEMS設 備相比設備900具有降低的應變敏感度，因為由于應變引起的任何運動將使得電極梁和主 體梁以相似方式移動。盡管機械地耦合和電絕緣的電極和主體結構針對彎曲設備被闡述， 但是于此描述的技術可以適于大部分聲模設備（bulk acoustic mode device),其中電絕 緣材料結構可以被設計為振型（mode shape)。
[0048] 回顧圖5和6D，在至少一種實施方式中，MEMS設備500包括多個溫度補償結構，該 多個溫度補償結構的部分在圖6D中被陰影線繪制。單個溫度補償結構包括根據溫度（即， 不同楊氏模量溫度系數）具有不同剛度變化的獨立梁。在溫度補償結構的至少一種實施方 式中，形成梁508的第一材料具有與形成梁506的第二材料不同的楊氏模量溫度系數。第 一材料的楊氏模量溫度系數僅僅需要在MEMS設備的工作范圍上與第二材料的不同。在典 型工作范圍（例如，約40°C至約85°C或約-55°C至約125°C )上具有與第一材料不同的楊 氏模量溫度系數任何材料可以被用作第二材料。在溫度補償結構的至少一種實施方式中， 第二材料具有負的楊氏模量溫度系數，而第一材料具有正的楊氏模量溫度系數。在溫度補 償結構的至少一種實施方式中，梁彈簧508由結構材料形成，該結構材料可以為半導體，諸 如但不限于硅（Si)、鍺（Ge)、及SiGe合金，并且梁彈簧506由電絕緣材料形成，該電絕緣材 料可以為Si0 2并且在圖5和6D中通過畫影線來表示。應該注意二氧化硅具有隨溫度增加 變得更硬的不尋常性質。在溫度補償結構的其他實施方式中，梁彈簧506由其他材料形成， 所述其他材料可以具有正的或負的楊氏模量溫度系數。
[0049] 溫度補償結構可以包括路由彈簧510,該路由彈簧510控制溫度補償結構的電行 為。也就是說，路由彈簧510為由結構材料形成的蛇形結構并且用于將主體電耦合至中心 錨的電區域。路由彈簧510具有比梁彈簧506和梁彈簧510高許多的柔度。因此路由彈簧 510本質上不受機械行為影響但是控制溫度補償結構的電行為。梁彈簧506和梁彈簧508 具有比路由彈簧510高的剛度并且因而控制溫度補償結構的機械行為。應該注意梁彈簧可 以串聯或并聯機械地耦合以形成支持可移動主體的彈簧，并且梁彈簧和路由彈簧可以具有 其他幾何結構。溫度補償結構被有選擇地放置在MEMS設備500的特定區域并且梁彈簧506 和508設定尺寸以修改依賴于MEMS設備其他性能（例如，諧振器振型）的MEMS設備500 的溫度響應（例如諧振器頻率的溫度系數）。
[0050] 與使用由任一側上的硅鍺環繞或由硅鍺條環繞的二氧化硅條的其它溫度補償技 術相比，這種方法可以簡化設計。雙梁技術還可以本質上減少兩種材料之間的接合量。硅 鍺-二氧化硅接合可能引入不期望的影響，諸如局部屬性變化及機械弱點和應力集中的生 成。具有分離彈簧部分有利于將結構弱點和應力集中特征移動至較不關鍵位置。用于溫度 補償的分離兩方式可以降低熱彈性能量損耗并因而降低硅鍺-二氧化硅接合處的阻尼，從 而增加諧振器的品質因數，品質因數是短期穩定性的度量。分離梁技術還可以通過允許獨 立選擇二氧化硅和硅鍺梁尺寸來改善設計的靈活性，因而，擴大設計空間有利于實現在任 何特定頻率處的溫度補償。與使用其它材料環繞氧化物條的溫度補償技術不同，雙梁技術 可以很容易地用于補償使用細長彎曲梁的MEMS設備（例如，慣性傳感器）中溫度變化的影 響。此外，雙梁技術對于某些制造容差具有較低的敏感性，例如，二氧化硅至硅鍺的形態對 準。
[0051] 參考圖10A和10B，嵌入在MEMS結構層中的電絕緣體材料被用于形成機械地耦合 至諧振器中心梁的懸浮電阻器1002。嵌入的電絕緣體痕跡1006和1007電隔離且機械地耦 合結構材料痕跡的蛇形部分以形成懸浮電阻器1002和1003。懸浮電阻器1002和1003分 別通過觸點1008和1010以及觸點1012和1014機械錨定至基板。觸點1008和1010及觸 點1012和1014分別用作懸浮電阻器1002和1003的電端子。
[0052] 懸浮電阻器1002和/或1003可以被配置以保持不變否則通過調節主體1020中 的功耗來調節MEMS設備1000的溫度。電阻器從基板懸浮改善了熱絕緣并且與嵌入至基板 中的加熱器相比使用相對小的熱質量。需要較小熱質量來通過保持低的加熱電流進行晶圓 級校準實用。懸浮電阻器允許具有相對小的熱質量的諧振器的片（chip)上、晶圓級校準。
[0053] 在MEMS設備1000的另一實施方式中，懸浮電阻器1002和/或1003熱耦合至MEMS 設備1000并被配置成表征MEMS設備1000的溫度響應。例如，懸浮電阻器1002和1003可 以被用作橋溫度傳感器的溫度傳感器元件（二即，熱敏電阻器）。主體1020的溫度變化將 通過由結構材料（例如，SiGe)的電阻的溫度系數（TCR)表征的量引起懸浮電阻器1002和 1003的電阻的相應變化。該溫度變化可以基于電阻器兩端的壓降、預定義溫度時的預定義 電阻值和結構材料的TCR來確定。當用作溫度傳感器時，懸浮電阻器技術允許感應元件接 近具有其感應的和/或補償的溫度的元件（例如，MEMS諧振器1000)的布置。經由電絕緣 材料部分將電阻器機械地耦合至設備的中心梁，這降低了關于溫度測量的應變的影響。這 種布置降低了熱梯度和關聯的溫度測量誤差，這獲得了與其它傳感器相比在溫度上更加準 確的傳感器并且測量其關注的溫度，即，需要補償溫度偏移的設備位置處的溫度。
[0054] MEMS設備1000為可以被配置成使用扭振模式或彎曲模式生成目標頻率的示例性 晶格（lattice)變換器。MEMS設備1000包括由基板懸浮的晶格梁形成的主體1020。主體 1020通過錨1016和1018錨定至基板，錨1016和1018通過解耦彈簧耦合至主體1020。錨 1016和1018還提供至主體1020的電觸點。主體1020的晶格梁形成實質上正方形晶格口， 該正方形晶格口圍繞但不接觸錨定至基板的相應電極。每個實質上正方形晶格口沿著口的 周長和實質上正方形電極1002的周長形成變換器間隙。應該注意晶格口周長和電極周長 具有增加變換器面積的不同周長。然而，晶格口周長和電極周長具有其他幾何結構。如所 述的MEMS設備1000在中心錨1016和1018的每一側上包括十八個變換器，但是變換器的 數量僅僅是示例性的并且可以根據應用改變。
[0055] 雖然在包括晶格變換器的實施方式中闡述了懸浮無源元件技術，但是懸浮無源元 件技術可以被結合至具有任何類型變換器和/或具有機械地耦合的電極和主體的MEMS設 備（例如，MEMS設備500)中。例如，圖10C示出包括梁1038和1040及側電極1030、1032、 1034和1036的實施方式中的懸浮無源電阻器。此外，雖然上述技術闡述了使用嵌入至MEMS 結構層的絕緣材料來形成靜電變換器和懸浮電阻器，但是技術可以被用于其他類型的可以 被用于濾波器、開關、或其它應用的無源元件。例如，通過使用具有低電阻率的結構材料，所 述技術可以被用于形成具有高品質因數（即，低渦電流）的懸浮電感器（例如，平面螺旋電 感器）或用于形成電子機械開關，該電子開關自由應變以改善可制造性、較低開關電壓、和 改善的可靠性（例如降低靜摩擦風險）。
[0056] 于此陳述本發明的說明書被闡述，并且不意欲限制隨附權利要求書陳述的本發明 的范圍。例如，盡管本發明已經以實施方式被描述，在實施方式中特定的MEMS結構（例如， 梳驅動、平行板、和晶格變換器）和材料（例如，SiGe和Si0 2)被使用，本領域技術人員經理 解此處的技術可以與其他類型的MEMS結構和材料一起使用。在不背離隨附權利要求書所 陳述的本發明的范圍和主旨的情況下，可以根據于此陳述的說明對于此公開的實施方式進 行變型和修改。
【權利要求】
1. 一種裝置，該裝置包括： 微電子機械系統MEMS設備，該微電子機械系統設備包括： 從基板懸浮的主體； 從所述基板懸浮的第一電極，該第一電極和所述主體形成第一靜電變換器；以及 從所述基板懸浮的第二電極，該第二電極和所述主體形成第二靜電變換器，所述第一 電極和第二電極機械地耦合至所述主體。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其中所述主體、所述第一電極和所述第二電極為形成 在結構層中的共面結構，所述結構層使用所述基板形成。
3. 根據權利要求1所述的裝置，其中所述MEMS設備還包括： 錨，將所述第一電極、所述第二電極和所述主體機械地耦合至所述基板。
4. 根據權利要求3所述的裝置，該裝置還包括： 懸浮部分，將所述主體電氣地且機械地耦合至所述錨。
5. 根據權利要求4所述的裝置，其中所述懸浮部分包括折疊彈簧，該折疊彈簧包括機 械地串聯且物理地并聯耦合的懸浮梁。
6. 根據權利要求3所述的裝置，其中所述錨包括： 彼此機械地耦合并彼此電隔離的第一錨、第二錨、和第三錨。
7. 根據權利要求3所述的裝置，其中所述錨包括： 電絕緣體部分，限定所述第一電極的部分、所述第二電極的部分、和所述主體的部分； 以及 電導部分，形成所述第一電極的部分、所述第二電極的部分、和所述主體的部分。
8. 根據權利要求3所述的裝置，其中所述錨實質上被布置在所述主體的中心。
9. 根據權利要求1所述的裝置，其中所述MEMS設備還包括： 多個錨，將所述主體機械地耦合至所述基板，所述多個錨的每個錨包括解耦彈簧，該解 耦彈簧將所述主體從相應的錨機械解耦。
10. 根據權利要求9所述的裝置，其中所述MEMS設備還包括： 耦合結構，將所述第一電極和所述第二電極的至少一者機械地耦合至所述主體。
11. 根據權利要求1所述的裝置，該裝置還包括： 懸浮部分，機械地耦合至所述錨和所述主體， 其中所述主體包括第一材料和嵌入至所述第一材料的第二材料的縫，該第二材料的縫 補償所述懸浮部分的靜撓度。
12. 根據權利要求1所述的裝置，其中所述主體包括圍繞所述第一電極和所述第二電 極的框架。
13. 根據權利要求1所述的裝置，該裝置還包括： 溫度補償結構，電氣地且機械地耦合至所述主體，其中所述溫度補償結構包括： 從所述基板懸浮的第一梁，該第一梁由具有第一楊氏模量溫度系數的第一材料形成； 從所述基板懸浮的第二梁，該第二梁由具有第二楊氏模量溫度系數的第二材料形成； 從所述基板懸浮的路由彈簧，該路由彈簧被耦合至所述第一梁和所述第二梁，所述路 由彈簧由所述第二材料形成并本質上具有的柔度比所述第一梁的柔度或所述第二梁的柔 度大。
14. 一種制造裝置的方法，該方法包括： 形成微電子機械系統（MEMS)設備，該微電子機械系統設備包括： 從基板懸浮的主體； 從所述基板懸浮的第一電極，該第一電極和所述主體形成第一靜電變換器；以及 從所述基板懸浮的第二電極，該第二電極和所述主體形成第二靜電變換器，所述第一 電極和第二電極機械地耦合至所述主體。
15. 根據權利要求14所述的制造裝置的方法，其中形成所述MEMS設備還包括： 形成錨，該錨將所述第一電極、所述第二電極和所述主體機械地耦合至所述基板。
16. 根據權利要求15所述的制造裝置的方法，其中形成所述錨包括： 形成電絕緣體部分，該電絕緣體部分限定所述第一電極的部分、所述第二電極的部分、 和所述主體的部分；以及 形成電導部分，該電導部分形成所述第一電極的部分、所述第二電極的部分、和所述主 體的部分。
17. 根據權利要求14所述的制造裝置的方法，其中形成所述MEMS設備還包括： 形成溫度補償結構，該溫度補償結構電氣地且機械地耦合至所述主體，其中所述溫度 補償結構包括： 從所述基板懸浮的第一梁，該第一梁由具有第一楊氏模量溫度系數的第一材料形成； 從所述基板懸浮的第二梁，該第二梁由具有第二楊氏模量溫度系數的第二材料形成； 從所述基板懸浮的路由彈簧，該路由彈簧被耦合至所述第一梁和所述第二梁，所述路 由彈簧由所述第二材料形成并本質上具有的柔度比所述第一梁的柔度或所述第二梁的柔 度大。
【文檔編號】H03H9/02GK104242868SQ201410247050
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年6月5日 優先權日:2013年6月5日
【發明者】艾曼紐爾·P·奎芙, 丹尼爾·N·小庫瑞 申請人:硅谷實驗室公司