具有线性驱动/拾取的MEMS垂直梳状结构

摘要

本发明涉及具有线性驱动/拾取的MEMS垂直梳状结构。一种MEMS传感器，包括基板和具有第一多个梳状物的至少一个检验质量块。该检验质量块经由一个或多个悬挂梁耦合到基板以使得检验质量块和第一多个梳状物能移动。该MEMS传感器还包括具有第二多个梳状物的至少一个锚。该锚耦合到基板以使锚和第二多个梳状物相对于基板被固定在适当位置。第一多个梳状物与第二多个梳状物交错。每个梳状物都包括通过一个或多个非导电层彼此电隔离的多个导电层。每个导电层都单独耦合到各自电势以使得梳状物之间的电容随着能移动梳状物在面外方向上的位移近似线性变化。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年11月23日提交的US临时申请No.61/416,485的优先权 的益处，在此通过参考将其公开内容并入本文。

技术领域

本发明涉及具有线性驱动/拾取的MEMS垂直梳状结构。

背景技术

微机电系统(MEMS)传感器诸如MEMS加速计由一种质量块(mass)诸 如硅构成，其与某些形式的拾取器(pickoff)和反馈机构一起通过弹性弯曲件悬 挂。质量块/悬挂系统响应于加速度向面内或者面外偏转。测量该偏转的拾取机 构通常使用电容拾取器。通常使用梳状结构测量面内偏转。通常使用被定位在 检验质量块下方和/或上方的电容感测板测量面外移动。典型的面内拾取器超出 这种面外传感器的优势在于面内梳状拾取器与偏转成近似线性(且因此与加速 度成近似线性)。但是相反，电容板拾取器与1/偏转成比例且因此是非线性的。

发明内容

在一个实施例中，提供了一种微机电系统(MEMS)传感器。MEMS传感 器包括基板；和具有第一多个梳状物的至少一个检验质量块。该检验质量块经 由一个或多个悬挂梁耦合到基板以使得检验质量块和第一多个梳状物能移动。 MEMS传感器还包括具有第二多个梳状物的至少一个锚。锚耦合到基板以使得 锚和第二多个梳状物相对于基板被固定在适当位置。第一多个梳状物与第二多 个梳状物交错。第一多个梳状物中和第二多个梳状物中的每一个梳状物都包括 通过一个或多个非导电层彼此电隔离的多个导电层。每个导电层各自耦合到相 应电势以使得第一多个梳状物和第二多个梳状物之间的电容随着能移动梳状物 在面外方向上的移动近似线性变化。

附图说明

可以理解，附图仅描述了示范性实施例且因此不被认为在范围上是限制性 的，将利用其他具体内容和细节通过使用附图描述示范性实施例，附图中：

图1是示范性微机电系统(MEMS)传感器的一个实施例的局部顶视图。

图2是示范性多层梳状物的一个实施例的截面图。

图3是描述示范性偏置配置的示范性多层梳状物的一个实施例的截面图。

图4是电子系统的一个实施例的框图。

图5是描述产生近似线性垂直梳状MEMS传感器的方法的一个实施例的流 程图。

根据一般实践，各所述特征未按比例画出而是画出以强调与示范实施例相 关的具体特征。

具体实施方式

在以下的具体描述中，参考形成本具体描述一部分的附图，且其中借助于 说明示出了具体的说明性实施例。但是应当理解，可利用其他实施例且可进行 逻辑、机械和电性的改变。而且，不认为附图和说明书中提出的方法限制其中 可以执行单个步骤的顺序。因此不认为以下的具体描述是限制性的。

图1是示范性微机电系统(MEMS)传感器100诸如MEMS陀螺仪或者 MEMS加速计的一个实施例的局部顶视图。特别是，图1包括MEMS传感器 100中的一个检验质量块102的顶视图用于解释目的。但是，将理解，MEMS 传感器100可以包括多于一个检验质量块。通过耦合到基板的多个悬挂梁110 悬挂检验质量块102。悬挂梁110允许检验质量块102自静止位置(resting  position)移动或者偏转。检验质量块102也包括多个能移动梳状物或者延伸部 104-1...104-N。能移动梳状物104-1...104-N与固定锚106的固定梳状物 108-1...108-N叉合或者交错。随着检验质量块102移动，能移动梳状物 104-1...104-N相对于固定梳状物108-1...108-N的相对位置发生改变。

MEMS传感器100被配置成用于近似线性的面外拾取器。参考图1，和如 本文所使用的，检验质量块102沿着x轴或者y轴的位移称作面内移动，而检 验质量块102沿着z轴的位移称作面外移动。因此，测量由于能移动梳状物104 沿着z轴的移动导致的电容变化称作面外拾取。如本文所使用的，术语“面外” 和“垂直”可交换使用。常规MEMS传感器通常使用下部和/或上部电容感测板测 量面外移动。但是，上部/下部电容板拾取器与1/偏转成比例且因此具有非线性 响应。非线性使得常规的面外传感器比线性传感器对振动、冲击、加速度等更 敏感。非线性也使得常规面外传感器与线性传感器相比更难以校准。

与用于测量面外移动的常规MEMS传感器相反，MEMS传感器100利用多 层梳状物提供面外拾取，其与沿着z轴的偏转成近似线性。例如，图2描述了 示范性多层梳状物204和208沿着线A-A’的一个实施例的截面图。梳状物204 是能移动的梳状物且梳状物208-1和208-2是固定梳状物。每个梳状物204和 208都包括通过非导电层216彼此分开的多个导电层214。在该示范性实施例中， 每个梳状物208和204都具有三个导电层214。特别是，在每个梳状物208和 204中的中心导电层214-2大于其他导电层214-1和214-2。但是，可以理解， 在其他实施例中可使用其他配置和/或数目的导电层214。

该实施例中每个固定梳状物208和每个能移动梳状物204都由硅块形成。 特别是，将外延硅沉积在硅晶片上。此时非均质生长外延硅以产生导电层214 和非导电层216。例如，在该实施例中，以五层的方式生长该结构被自其蚀刻的 外延膜。当生长了将形成第一导电层的区域时，以高水平施加掺杂剂到该区域， 这增加了该区域的导电特性。换句话说，高或者重掺杂该区域。如本文所使用 的，高或者重掺杂的区域意味着掺杂剂原子与硅原子的比例足够高使得该区域 整体导电。例如，在一些实施例中，掺杂剂原子和硅原子的比例为大约每十万 原子一个或更大。在一些实施例中，所使用的掺杂剂是硼。但是，将理解，其 他实施例中可使用其他掺杂剂诸如磷或者砷。

为了施加掺杂剂，在外延反应器中与硅源同时开启掺杂剂源。一旦已经将 导电区域生长到所需厚度，就关闭掺杂剂源同时保持硅源打开以生长非导电区 域。例如，在一些实施例中，第一导电区域214-1生长至多层外延硅总厚度的大 约5-10％的厚度。在一个示范性实施例中，第一导电区域生长至大约2μm。第 一非导电区域也能例如生长至总厚度的大约5-10％。特别是，在一些实施例中， 非导电区于生长至1-2μm。非导电区域不具有掺杂剂或者被轻掺杂。轻掺杂指 的是掺杂剂原子和硅原子的比率处于足够低的水平以使得该区域全部不导电。 例如，在一些实施例中，掺杂剂原子和硅原子的比例为大约每一亿原子一个或 更少。

一旦非导电区域达到所需厚度，接着再次开启掺杂剂源。掺杂剂源保持开 启直到下一导电区域已经达到所需厚度。例如，内部导电区域214-2比其他导电 区域厚且将其生长至多层外延硅总厚度的大约60-80％。在一些实施例中，内部 导电区域214-2生长至大约14-20μm。随后以相似模式顺序关闭掺杂剂源和再次 开启以分别生长剩余的非导电和导电区域。将理解，借助于实例提供上述讨论 的厚度和在其他实施例中可使用其他厚度。此外，在其他实施例中，使用其他 工艺形成导电和非导电层。例如，可以将绝缘氧化物施加到硅梳状物并且接着 用金属、多晶硅或者其他导电层涂覆。

将结构诸如检验质量块、悬挂弹簧和梳状物蚀刻成多层外延硅。蚀刻该结 构使得一些结构与另一些结构物理地以及电地断开连接。例如，能移动梳状物 204既不物理地也不电地连接到固定梳状物208。每个梳状物204和208中的每 个所得到的导电层214接着例如诸如经由通孔单独耦合到电势或者电压源(例 如正电压、负电压或者地)。如本文所使用的，单独施加电势至导电层意味着施 加到各个层的电势不受施加到另一层的电势影响或者确定。特别是，单独施加 电压以产生导致对能移动梳状物204在垂直或者面外方向上的偏转的近似线性 的结构。

例如，如图3中所示，可将在固定梳状物308和能移动梳状物304中每个 中的外部导电层314-3保持为接地，同时将每个固定梳状物308的内导电层314-2 和外导电层314-1偏置至一电压。也将能移动梳状物304的内导电层314-2保持 为接地。应当注意，尽管施加到固定梳状物308的导电层314-1和314-2的偏置 描述为正电压，但是应当理解，该偏置可以是正的、负的或者是随时间在负值 和正值之间变化的。随时间变化的偏置会引起能移动梳状物204沿着驱动轴进 出页面摆动。

此外，通过将电势单独施加到如图3中所示的每个导电层，产生垂直电场 配置，其对于能移动梳状物304的垂直位移提供近似线性响应。通过虚线圈出 的区域305和307描述电场配置。由于上部导电层314-3全部接地，因此在导电 层314-3的区域中存在很少或者不存在弥散场。相似地，由于底部导电层314-1 完全相似地偏置，因此在导电层314-1的区域中存在很少或者不存在弥散场。因 此，主要通过中心掺杂层314-2的交叠限定电容。只要在梳状物之间的间隙309 与梳状物高度311相比较小，电容就随着能移动梳状物304的垂直位移近似线 性地变化。多层梳状物和垂直电场配置能够实施于任何具有垂直位移的电容-拾 取元件，例如但不限于加速计。

图4是电子系统400的一个实施例的框图，电子系统400包括惯性测量单 元(IMU)406，其具有被配置成产生对于如上所述的面外位移的近似线性响应 的MEMS传感器410。例如，在该实施例中，MEMS传感器410作为加速计实 施。尽管在该示例中仅示出一个MEMS传感器410，应当理解在其他实施例中 能使用多于一个MEMS传感器。MEMS传感器410包括与多个能移动梳状物交 错的多个固定梳状物。固定梳状物和能移动梳状物中的每一个都包括多个导电 层，如上所述。将电压单独施加到每个导电层以产生对于面外或者垂直位移具 有近似线性响应的垂直电场配置。

电子系统400包括耦合到一个或多个存储装置404和IMU 406的一个或多 个处理装置402。IMU 406将移动测量提供给一个或多个处理装置402。移动测 量可包括线性加速度和/或角度加速度的测量。一个或多个处理装置402处理用 于预定应用的移动测量。例如，在一些实施例中，电子系统400作为惯性导航 系统实施。这种实施例中，一个或多个存储装置404包括指令，当通过一个或 多个处理装置402执行时该指令导致一个或多个处理装置402执行导航功能诸 如基于移动测量提供惯性导航方案。电子系统400也可包括输入和/或输出端口 408，用于与其他装置发送和接收信号。例如，电子系统400从全球导航卫星系 统(GNSS)接收导航数据，该数据通过一个或多个处理装置402与来自IMU 406 的移动测量组合，以计算组合的导航方案。电子系统400可集成到其他系统中， 例如但不限于航空器、车辆、移动电话、导弹、视频游戏控制器或者其他需要 惯性数据的设备。

一个或多个处理装置402可包括中央处理单元(CPU)、微控制器、微处理 器(例如数字信号处理器(DSP))、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电 路(ASIC)和其他处理装置。一个或多个存储装置704可包括有形介质诸如磁 或者光介质。例如，有形介质可包括常规硬盘、高密度磁盘(例如只读或者可 重写的)、易失性或者非易失性介质，诸如随机存取存储器(RAM)(其包括但 不限于同步动态随机存取存储器(SARAM)、双数据率(DDR)RAM、RAMBUS 动态RAM(RDRAM)、静态RAM(SRAM)等)、只读存储器(ROM)、电可 擦除可编程ROM(EEPROM)和闪存等。

图5是描述产生近似线性垂直梳状物MEMS传感器的方法500的一个实施 例的流程图。方法500可以用诸如上面参考图1-3所述的多层梳状物结构执行。 在框502中，将第一电势施加到多个固定梳状物的每一个中的和多个能移动梳 状物的每一个中的至少一个导电层。固定梳状物和能移动梳状物交错，如上所 述。在每个梳状物中的导电层通过一个或多个非导电层彼此分离。例如，如上 所述，通过交替生长外延硅的掺杂和未掺杂区域形成导电和非导电层。

在框504中，将第二电势施加到固定梳状物的每一个中的和能移动梳状物 的每一个中的至少一个其它导电层。选择该第一和第二电势并施加其以产生其 中固定和能移动梳状物的电容变化随着能移动梳状物的面外位移近似线性变化 的垂直电场配置。例如，在一些实施例中第一电势接地并将第一电势施加到固 定和能移动梳状物的每一个中的第一外部导电。如图2中所示，当处于静止位 置时第一外部导电层(例如层214-3)近似共面。也将接地电势施加到能移动梳 状物的每个中的内部导电层。

该实施例中的第二电势是随时间变化的电压，将其施加到每个固定梳状物 的内部导电层。此外，在该实施例中，也将随时间变化的电压施加到固定和能 移动梳状物中每一个中的第二外部导电层(例如214-1)。但是，在其他实施例 中，可以将独立的静态正和负电压施加到第二外部导电层。分别施加电势至固 定和能移动梳状物的每一个中的不同层产生了其中梳状物电容随着能移动梳状 物的面外位移近似线性变化的电场配置。

尽管本文中已经示出了并描述了具体实施例，但是本领域技术人员将理解， 被计算用于实现相同目的的任意设置，可取代所示特定实施例。因此，很显然 意图在于本发明仅由权利要求及其等价物限定。