MEMS设备制造技术

一种MEMS设备，具有通过第一弹性元件弹性地承载悬挂质量块的支撑区域。调谐动态吸收器弹性耦合到悬挂质量块，并且被配置为使以动态吸收器的自然振荡频率作用于悬挂质量块上的正交力减幅。调谐动态吸收器由通过第二弹性元件耦合到悬挂质量块的阻尼质量块形成。在实施例中，悬挂质量块和阻尼质量块形成在例如半导体材料的同一结构层中，并且阻尼质量块被悬挂质量块围绕。

【技术实现步骤摘要】

本公开涉及具有由于由诸如正交分量之类的扰动力所致的的误差补偿的微机电 设备。
技术介绍
如已知的，MEMS(微机电系统）由于它们的小尺寸、与消费者应用兼容的成本、以 及它们与日倶增的可靠性而以日益广泛的方式被用在不同的应用中。特别是，利用这一技 术，制造了诸如微集成的陀螺仪和机电振荡器之类的惯性传感器。 这一类型的MEMS通常基于微机电结构，该微机电结构包括支撑体以及通过弹簧 或"曲部（flexure)"親合到支撑体的至少一个可移动质量块（mobilemass)。弹簧被配置 用于使得可移动质量块能够根据一个或多个自由度相对于支撑体振荡。可移动质量块电容 耦合到支撑体上的多个固定电极，从而形成电容可变的电容器。可移动质量块相对于支撑 体上的固定电极的移动（例如在外力的作用下）修改电容器的电容；从而，检测可移动质量 块相对于支撑体的位移以及外力是可能的。代之，当供应适合的偏置电压（例如通过驱动 电极的分立集）时，可移动质量块可经受使其移动的静电力。 为了获得微机电振荡器，通常利用MEMS结构的频率响应，其是二阶低通类型的， 并且具有共振频率。 特别是，MEMS陀螺仪具有复杂的机电结构，其通常包括相对于支撑体可移动的至 少两个质量块，该至少两个质量块彼此耦合以便于具有若干自由度（这依赖于系统的架 构）。在大多数情况下，每个可移动质量块具有一个或两个自由度。可移动质量块电容通过 固定的和可移动的感测和驱动电极而耦合到支撑体。 在具有两个可移动质量块的实现方式中，第一可移动质量块专用于驱动并且保持 以共振频率、受控振荡振幅振荡。第二可移动质量块通过振荡（平移或旋转）运动来驱动， 并且在微结构关于陀螺仪轴以角速度旋转的情况下，第二可移动质量块受到与角速度本身 成比例的科里奥利力（Coriolisforce)。在实践中，第二（被驱动的）可移动质量块充当 加速度计，其使得能够检测科里奥利力和检测角速度。在另一实现方式中，单个悬挂质量块 耦合到支撑体，以相对于支撑体可移动，其中具有两个独立的自由度，并且精确地具有一个 驱动自由度和一个感测自由度。感测自由度可以包括可移动质量块在平面中的移动（"平 面中移动"）或与平面垂直的移动（"平面外移动"）。驱动设备使悬挂质量块保持根据两 个自由度之一的受控振荡。响应于支撑体关于感测轴的旋转（由于科里奥利力），悬挂质量 炔基于另一自由度移动。 如已经提到的，为了使得MEMS陀螺仪能够正常操作，施加使悬挂质量块保持以共 振频率振荡的驱动力。然后，读数设备检测悬挂质量块的位移。这些位移表示科里奥利力 和角速度，并且可以使用与第二（被驱动的）质量块和固定电极之间的电容变化相关的电 读数信号来检测。 然而，MEMS陀螺仪具有复杂的结构，并经常具有在悬挂质量块和支撑体之间的非 理想机电相互作用。因此，有用信号分量与寄生（spurious)分量混合，寄生分量对角速度 的测量没有贡献。寄生分量可以依赖于各种起因。例如，制造缺陷和过程扩展（process spread)可能是不可避免的噪声源，其影响是不可预见的。 常见的缺陷依赖于如下事实，驱动质量块的振荡方向不完全匹配设计阶段中期望 的自由度。这一缺陷通常是由于悬挂质量块和支撑体之间的弹性连接中的缺陷，并且造成 沿着角速度的检测自由度指向的力的开始（onset)。这一力转而生成误差（称为"正交误 差"），这是由于未知振幅、以与载体相同的频率、并且具有90°相移的信号分量。 在一些情况下，正交分量如此大，以致它们不可以简单地忽略，而不引入显著误 差。通常，在制造过程结束时，使用校准因子以便将误差降低在可接受的边限内。然而，在许 多情况下，问题并未完全解决，因为正交振荡的振幅可以在设备的寿命期间变化。特别是， 支撑体可能经受由于机械应力或温度变化所致的变形。转而，支撑体的变形可能会造成质 量块的移动并且因此正交分量的不可预见的变化，正交分量不再有效地被补偿。
技术实现思路
本公开的一个或多个实施例可以降低如上面提到的MEMS设备中正交振荡的发生 率。 根据本公开的一个实施例，提供微机电设备。在实践中，设备使用动态吸收器，动 态吸收器能够补偿其可以对悬挂质量块造成不期望位移的诸如惯性系统的正交分量之类 的不期望力。为了这一目的，动态吸收器包括调谐阻尼质量块，调谐阻尼质量块固定到悬挂 质量块或悬挂质量块系统，并且被配置为具有调谐到待补偿的不期望力的自然频率。以这 种方式，阻尼质量块降低悬挂质量块的动态响应并且使其稳定。 微机电设备的一个实施例使用两个质量块，其中一个相对于支撑体可移动并且弹 性连接到支撑体。这一可移动质量块耦合到基板，以便于具有分别专用于驱动和移动感测 (此处在平面外，作为科里奥利力的结果）的两个自由度。另一质量块作为动态吸收器。 根据本公开的一个实施例，提供了一种MEMS设备，其特征在于包括：基板；第一 弹性元件；以及可移动质量块系统，该可移动质量块系统包括：悬挂质量块，所述悬挂质量 块通过所述第一弹性元件弹性耦合到所述基板并且受到沿振动方向的扰动力；和动态吸收 器，所述动态吸收器弹性耦合到所述悬挂质量块并且被配置为减少所述悬挂质量块由于所 述扰动力所致的移动。 可选地，在实施例中，该MEMS设备，其特征在于所述扰动力是在所述振动方向上 以所述动态吸收器的自然振荡频率作用于所述悬挂质量块上的正交力。 可选地，在实施例中，该MEMS设备，其特征在于所述动态吸收器包括通过第二弹 性元件耦合到所述悬挂质量块的阻尼质量块，所述第一弹性元件和所述第二弹性元件被配 置为使得所述悬挂质量块和所述阻尼质量块能够在所述振动方向上移动。 可选地，在实施例中，该MEMS设备，其特征在于所述阻尼质量块被所述悬挂质量 块围绕。 可选地，在实施例中，该MEMS设备，其特征在于所述阻尼质量块和所述悬挂质量 块形成在半导体材料的结构层中。 可选地，在实施例中，该MEMS设备，其特征在于所述结构层悬挂在所述基板之上， 其中所述基板是半导体材料的。 可选地，在实施例中，该MEMS设备，其特征在于所述MEMS设备形成惯性传感器。 可选地，在实施例中，该MEMS设备，其特征在于包括第三弹性元件和通过所述第 三弹性元件耦合到所述悬挂质量块的驱动结构，所述驱动结构被配置为生成在与所述振动 方向不同的驱动方向上以所述自然振荡频率的驱动移动。 可选地，在实施例中，该MEMS设备，其特征在于所述惯性传感器是陀螺仪。 可选地，在实施例中，该MEMS设备，其特征在于：所述陀螺仪是双轴陀螺仪，所述 悬挂质量块包括关于第一驱动轴和第二驱动轴对称地布置的第一对感测质量块和第二对 感测质量块；所述感测质量块关于中心轴来布置并且弹性耦合到中心锚固区域；所述第一 驱动轴和所述第二驱动轴彼此垂直，第一对的所述感测质量块相对于所述第二驱动轴对称 并且与所述第一驱动轴平行地被致动，第二对的所述感测质量块相对于所述第一驱动轴对 称并且与所述第二驱动轴平行地被致动；并且每个感测质量块围绕并且弹性耦合到相应的 阻尼质量块。 可选地，在实施例中，该MEMS设备，其特征在于包括：第四弹性元件和第五弹性元 件；弹性耦合到所述基板的第一驱动框架和第二驱动框架，所述第一驱动框架和所述第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS设备，其特征在于包括：基板；第一弹性元件；以及可移动质量块系统，所述可移动质量块系统包括：悬挂质量块，所述悬挂质量块通过所述第一弹性元件弹性耦合到所述基板并且受到沿振动方向的扰动力；和动态吸收器，所述动态吸收器弹性耦合到所述悬挂质量块并且被配置为减少所述悬挂质量块由于所述扰动力所致的移动。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：L·G·法罗尼，C·瓦尔扎希纳，R·卡尔米纳蒂，A·托齐奥，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：新型
国别省市：意大利;IT