抗静摩擦的MEMS器件及其操作方法技术

本发明专利技术涉及抗静摩擦的MEMS器件及其操作方法。MEMS器件（20）包括通过有弹簧常数（104）的弹簧构件(34)悬挂在衬底（22）之上的可移动元件（20）。弹簧软化电压（58）在上电模式期间（100）被施加于面对可移动元件（20）的电极（24、26）以减小弹簧构件(34)的刚度，并且从而增加可移动元件（32）对输入刺激（46）的灵敏度。一旦检测到静摩擦条件（112），弹簧软化电压（58）被有效地移除以从静摩擦条件（112）恢复可移动元件（32）。较高的机械弹簧常数（104）在未上电模式（96）期间产生有较大恢复力（122）的硬弹簧（34）以从静摩擦条件（112）恢复。反馈电压（56）可以被施加于面对可移动元件（32）的反馈电极（28、30）以提供电阻尼。

【技术实现步骤摘要】
抗静摩擦的MEMS器件及其操作方法
本专利技术通常涉及微机电系统（MEMS）器件。更具体地说，本专利技术涉及对静摩擦有增强抵抗力的MEMS器件。
技术介绍
微加工和其它微制作技术及工艺方面的进步使得能够制作各种微电子和微机电系统（MEMS）器件。MEMS的常见的应用是传感器器件的设计和制作。微机电系统（MEMS）传感器器件被广泛应用于例如汽车、惯性制导系统、家用电器、各种器件的保护系统、以及许多其它的工业、科学、以及工程系统。这种MEMS器件被用于感测物理状态，例如加速度、角速率、压力、温度等等，并且提供表示感测的物理状态的电信号。附图说明结合附图并参阅详细说明书以及权利要求，对本专利技术可有比较完整的理解。其中在附图中类似的参考符号表示相似的元件，以及：图1根据一个实施例，示出微机电系统（MEMS）器件的侧视图；图2示出图1的MEMS器件的顶视图；图3示出可能包括图2的MEMS器件的半导体封装的侧视图；图4示出图1的MEMS器件的方框图；图5示出与MEMS器件的操作模式不同的弹簧刚度的变化的图表；图6示出经历正常操作的MEMS器件的方框图；图7示出经历静摩擦条件的MEMS器件的方框图；图8示出在静摩擦条件之后经历恢复事件的MEMS器件的方框图。具体实施方式悬挂式可移动微结构，例如板和梁，通常用于各种微机电系统（MEMS）器件的制作中。悬挂式微结构通常有带有高刚度的大表面积。然而，这种用于悬挂式微结构的悬挂弹簧可能具有相对低的刚度，这取决于应用。此外，微结构通常被制作成远离其支撑衬底几微米。这些特性的结合使得MEMS器件容易受到力的影响，该力可以使悬挂式可移动微结构垂直地朝向支撑衬底偏转和/或横向地朝向周围结构或横挡块偏转。如果偏转力足够强，可移动元件可以接触并暂时或永久地附着于底层衬底或横向结构，这就导致错误输出信号和/或器件故障。可移动结构的意外粘附被称为静摩擦。静摩擦既可以在MEMS器件制作期间发生，也可以在正常使用期间发生。在正常使用期间，如果悬挂式可移动微结构通过外力，例如机械冲击被置于暂时或永久地接触其衬底，将会发生静摩擦。机械或物理冲击是例如由碰撞、下降、反弹等等引起的突然加速或减速。此外，或可替代地，机械冲击将导致MEMS器件内的各种元件的破损或断裂，这就永久地降低MEMS器件的长期可靠性。因此，机械冲击将对MEMS器件结构的可靠性造成严重的问题。微电子器件行业逐渐朝向将多个传感器集成到单一的器件封装以降低成本和形成因素。在一个这样多传感器器件封装中，单一的MEMS半导体管芯可能包括加速计和角速率传感器。角速率传感器，也被称为陀螺仪，需要在真空中操作以为低压操作和高信号响应实现高品质因数Q。相反，加速计需要在阻尼模式，即在非真空环境中操作，以避免欠阻尼反应，其中器件的可移动元件可以经受多个振荡以响应于单一的干扰。有不同压力要求的两种类型的器件对于将其集成到单一的器件封装造成重大问题。例如，在包括角速率传感器和加速计的多传感器封装中，所需的实现角速率传感器的高Q值的真空环境可能导致加速计在欠阻尼模式下操作。由于振动或机械冲击，加速计的欠阻尼操作模式可能加强可移动元件中的振荡响应，从而增加静摩擦故障的可能性。实施例详细描述对未上电阶段和上电阶段的静摩擦有增强抵抗力的微机电系统（MEMS）器件。特别是，实施例详细描述带有可移动元件的MEMS器件，该元件通过弹簧构件悬挂在衬底之上，其中弹簧构件被设计带有比MEMS器件的灵敏度规范要求的标称弹簧常数高的机械弹簧常数。实施例还详细描述操作MEMS器件的方法，其中相对高偏压在上电阶段期间被施加于感测电极以通过弹簧软化作用增加可移动元件的灵敏度。由于可移动元件在上电阶段的欠阻尼响应，闭合回路反馈控制可以被利用以大大消除共振峰。当检测到静摩擦条件时，高偏压可以被移除以使可移动元件从静摩擦条件恢复。较高的机械弹簧常数在未上电阶段产生带有较大恢复力的较硬的弹簧以使得从静摩擦恢复。此外，由于弹簧相对硬，可移动元件有较高的自然频率，这使得它不太容易受到来自环境振动的干扰，否则将导致可移动元件的共振。因此，MEMS器件的可移动元件可以有效地在真空或低压环境中操作，其中在该环境中，欠阻尼响应将可能导致另一器件无效地操作。参照图1-图2，图1根据一个实施例，示出微机电系统（MEMS）器件20的侧视图以及图2示出MEMS器件20的顶视图。MEMS器件20可是被建造成铰链或“跷跷板”型传感器的非对称电容性加速计。因此，为了下面讨论的目的，MEMS器件20在下文中被称为电容性加速计20。为了清晰和便于描述，本专利技术描述一种非对称的跷跷板型传感器。然而，本专利技术所描述的用于对静摩擦有增强抵抗力的特征不需要被限定于跷跷板型传感器，但也可能适用于横向位移传感器，其中在该横向位移传感器中，静摩擦可能在可移动元件和面对可移动元件横向位移的固定的元件之间发生。因此，很明显，替代实施例可以包括带有对静摩擦需要增强抵抗力的可移动元件的大量MEMS器件设计。电容性加速计20包括衬底22，带有至少一个电极，以形成于衬底22上的两个感测电极24和26的形式。电容性加速计20包括以形成于衬底22上的力反馈电极28和30的形式的附加电极。可移动元件32，通常被称为“试验块”，通过在本专利技术中被称为弹簧构件34的扭力悬挂元件被灵活地悬挂在衬底22上方。可移动元件32绕着在图2中用双向箭头36表示的旋转轴旋转。应了解，一些弯曲部分、铰链和其它旋转机制可被利用以使可移动元件32绕着旋转轴36进行枢轴运动。感测电极24与感测电极26电隔离开。同样，力反馈电极28与力反馈电极30电隔离开。感测电极24和26以及反馈电极28和30位于可移动元件32下方。因此，在电极通常是不可见的图2的顶视图中，电极24、26、28和30由虚线表示以说明它们相对于可移动元件32和旋转轴36的位置。在可移动元件32上产生绕着旋转轴36的运动的力矩或倾向需要为电容性加速计20创建以执行其感测功能。可移动元件32的延伸于旋转轴36和可移动元件的末端40之间的部分38以比可移动元件32的延伸于旋转轴36和可移动元件的相对末端44之间的部分42大的质量形成。部分38的较大质量可以通过从可移动元件32的几何中心偏移旋转轴而创建。在替代实施例中，相对于部分42的部分38的较大质量可当旋转轴36通过例如形成穿过部分42延伸的开口、给部分38添加材料和/或它们的某种组合而定中心时被创建。由于旋转轴36的两侧上质量的不平衡，旋转力矩由用箭头46表示的输入加速度AlN产生，以使移动元件32绕着枢轴36旋转。随着可移动元件32的旋转，其相对于感测电极24和26以及力反馈电极28和30的位置改变。旋转变化导致可移动元件32和每个感测电极24和26之间的电容发生变化。在图1中，标记为C1的电容器48和标记为C2的电容器50分别表示这些电容。应了解，电容器48和50是这个电容的象征，而不是加速计20的物理组件。因此，参考符号48和50在下文中指电容信号。感测功能因此通过检测形成于相应的感测电极24和26与可移动元件32之间的电容信号48和电容信号50之间的差分电容信号来实现。因此，感测电极24和26检测感测信号，即电容信号48和50，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机电系统MEMS器件，包括：衬底;以间隔开的关系被放置在所述衬底的表面之上的可移动元件；将所述可移动元件和所述衬底互连的至少一个弹簧构件，所述至少一个弹簧构件使得所述可移动元件能够移动，以及所述至少一个弹簧构件呈现第一刚度;面对所述可移动元件的至少一个电极;以及与所述至少一个电极互通的电压源，所述电压源被配置为将弹簧软化电压施加于所述至少一个电极以将所述弹簧构件的刚度从所述第一刚度转换到第二刚度，所述第二刚度小于所述第一刚度。

【技术特征摘要】
2013.02.06 US 13/760,4651.一种微机电系统MEMS器件，包括：衬底；以间隔开的关系被放置在所述衬底的表面之上的可移动元件；将所述可移动元件和所述衬底互连的至少一个弹簧构件，所述至少一个弹簧构件使得所述可移动元件能够移动，以及所述至少一个弹簧构件呈现第一刚度；面对所述可移动元件的至少一个电极；面对所述可移动元件的至少一个力反馈电极；与所述至少一个电极互通的电压源，所述电压源被配置为将弹簧软化电压施加于所述至少一个电极以将所述弹簧构件的刚度从所述第一刚度转换到第二刚度，所述第二刚度小于所述第一刚度；与所述至少一个电极电互通的感测电路，用于响应于施加在所述可移动元件上的输入刺激而生成电输出信号；插入在所述感测电路和所述至少一个力反馈电极之间的静电力反馈电路，用于基于所述电输出信号控制施加于所述至少一个力反馈电极的反馈电压；与所述至少一个电极电互通的检测电路，所述检测电路被配置为响应于来自所述至少一个电极的输出信号而检测所述可移动元件的静摩擦条件；以及与所述至少一个电极、所述至少一个力反馈电极以及所述可移动元件互通的多路转换器电路，所述多路转换器电路被配置为将所述至少一个电极、所述至少一个力反馈电极以及所述可移动元件中的每一个设置到相等的电压电势，以便响应于所述静摩擦条件而有效地移除所述弹簧软化电压。2.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中当所述弹簧软化电压被施加于所述至少一个电极时，所述可移动元件被配置为响应于输入刺激而移动。3.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中：所述可移动元件适于相对于放置在所述可移动元件的第一末端和第二末端之间的旋转轴运动，所述可移动元件的第一部分形成在所述旋转轴和所述第一末端之间，所述可移动元件的第二部分形成在所述旋转轴和所述第二末端之间，所述第一部分的第一质量大于所述第二部分的第二质量；以及所述至少一个电极包括面对所述可移动元件的所述第一部分的第一电极和面对所述可移动元件的所述第二部分的第二电极，以及所述弹簧软化电压被施加于所述第一电极和第二电极中的每一个上。4.一种操作微机电系统MEMS器件的方法，所述微机电系统器件包括以间隔开的关系被放置在衬底的表面之上的可移动元件、将所述可移动元件和所述衬底互连的至少一个弹簧构件、面对所述可移动元件的至少一个电极，其中所述至少一个弹簧构件使得所述可移动元件能够移动，所述至少一个弹簧构件呈现第一刚度，所述方法包括：将弹簧软化电压施加于所述至少一个电极以将所述弹簧构件的刚度从所述第一刚度转换到第二刚度，所述第二刚度小于所述第一刚度；根据从所述至少一个电极提供的输出信号检测所述可移动元件的静摩擦条件，所述静摩擦条件表示所述可移动元件已移动...

【专利技术属性】
技术研发人员：林义真，A·C·迈克奈尔，M·E·施拉曼，
申请(专利权)人：飞思卡尔半导体公司，
类型：发明
国别省市：美国;US