微机械检测结构和MEMS传感器设备制造技术

提供了一种微机械检测结构(20)和MEMS传感器设备(40)。微机械检测结构(20)包括：半导体材料的衬底(2)；驱动质量体布置(4a‑4c)，耦合至驱动电极集合(7a‑7c)并且在驱动电极集合的电偏置之后在驱动移动中被驱动；第一锚固单元(5a‑5c,6a‑6c)，耦合至驱动质量体布置以用于在第一锚固部(5a‑5c)处将驱动质量体布置弹性地耦合至衬底(2)；被驱动质量体布置(10,30)，通过耦合单元(22a‑22b)弹性地耦合至驱动质量体布置并且被设计为由驱动移动所驱动；以及第二锚固单元(14,34)，耦合至被驱动质量体布置以用于在第二锚固部(17,37)处将被驱动质量体布置弹性地耦合至衬底(2)。在驱动移动之后，在第一和第二锚固部处施加于衬底(2)上的力和扭矩的合量基本上为零。

【技术实现步骤摘要】
微机械检测结构和MEMS传感器设备
本技术涉及一种用于MEMS(微机电系统)传感器设备的具有改进的驱动特征的微机械检测结构。特别地，以下讨论将参考该微机械检测结构在MEMS陀螺仪中的使用，但这不暗示对一般性的任何丧失。
技术介绍
如已知的，微机械加工技术使得能够在多层半导体材料内制造微机械结构，该多层半导体材料是在牺牲层上沉积(例如，多晶硅层)或生长(例如，外延层)的，牺牲层经由化学腐蚀被去除。利用这种技术制作的惯性传感器(例如，加速度计和陀螺仪)成功地被使用在例如汽车领域、惯性导航、或便携式设备的领域中。特别地，利用MEMS技术制作的半导体材料的集成陀螺仪是已知的，它们在后文中被称作MEMS陀螺仪。这些MEMS陀螺仪利用科里奥利(Coriolis)加速度而基于相对加速度的原理进行操作。当角速度被应用到在线性方向上被驱动的移动质量时，移动质量经受到表观力或科里奥利力，该表观力或科里奥利力确定了其在如下方向上的位移，该方向垂直于线性驱动方向以及该角速度围绕其而被应用的轴线。移动质量经由弹性元件而在衬底上方被支撑，这些弹性元件使得其在驱动方向上的驱动以及在表观力方向上的位移成为可能，该位移与该角速度直接成比例。移动质量的位移例如可以经由电容性转导系统被检测，该电容性转导系统确定移动电极(它们关于移动质量被固定)与固定电极(它们关于衬底被固定)之间的电容变化。图1是已知类型的MEMS陀螺仪的微机械检测结构的示意性表示，其由1标示并且在包括衬底2的半导体材料(例如，硅)的裸片中被制作。检测结构1拥有基本上平面的配置，该配置具有处于互相正交的第一水平轴线x和第二水平轴线y所定义的水平平面xy中的主要延伸，并且基本上平行于衬底2的平面，并且在平行于垂直轴线z的方向上关于前述主要延伸具有小的尺寸，垂直轴线z与第一和第二水平轴线x、y形成三条正交轴线的集合。检测结构1包括第一驱动质量体4a和第二驱动质量体4b，它们在水平平面xy中具有延伸(纯粹通过示例的方式，基本上为矩形)，并且通过弹性锚固元件6a、6b连接至关于衬底2被固定的相应的锚固部5a、5b。驱动质量体4a、4b被悬置在衬底2上方，在静止条件下平行于相同的衬底2。相应的驱动电极集合7a、7b被关联至每个驱动质量体4a、4b。每个驱动电极集合7a、7b包括：相应的多个移动电极8a、8b，它们关于相应的驱动质量体4a、4b被固定并且在外部延伸至驱动质量体4a、4b；以及相应的多个固定电极9a、9b，它们关于衬底2被固定并且与移动电极8a、8b成梳齿状。来自用于驱动MEMS陀螺仪的电子电路(这里未图示)的适合的电偏置信号通过电极的相互且交替的静电吸引来确定驱动质量体4a、4b在线性驱动方向上(在该示例中是沿着第二水平轴线y)的振荡驱动移动。特别地，如后文所描述的图2中的箭头所指示的，第一和第二驱动质量体4a、4b在驱动方向的相反意义上被驱动。弹性锚固元件6a、6b因此被配置为遵从于这一驱动移动。检测结构1进一步包括被驱动质量体10，其被布置在第一和第二驱动质量体4a、4b之间(在第一水平轴线x的方向上)，并且通过弹性连接元件11a、11b连接至驱动质量体4a、4b。被驱动质量体10也被悬置在衬底2的上方，在静止条件下与之平行。被驱动质量体10具有在水平平面xy中的主要延伸，例如具有矩形形状，并且在中心定义空置空间12，其中心O与整个结构的形心和对称中心相一致。耦合单元14被布置在空置空间12之内，被配置用于将被驱动质量体10弹性地耦合并锚定至衬底2。特别地，耦合单元14包括刚性元件15，刚性元件15在该示例中沿着第一水平轴线x具有直线延伸，被布置在空置空间12的中心处，通过弹性元件(未示出)弹性地连接至被驱动质量体10，并且通过相应的弹性连接元件16(它们在该示例中沿着第二水平轴线y具有线性延伸)进一步连接至中心锚固元件17。在使用中，并且如图2中示意性地示出的(其中为了清楚地说明再次示意性地示出了检测结构1)，耦合单元14被配置为响应于驱动质量体4a、4b在相反方向上的驱动移动(如箭头所表示)而使得被驱动质量体10能够在传感器平面xy(关于衬底2)绕垂直轴线z进行旋转。基本上，被驱动质量体10由驱动质量体4a、4b的移动拉动旋转，在该示例中是在逆时针方向上。响应于驱动移动并且在存在绕第一水平轴线x作用的角速度的情况下，驱动质量体4a、4b上生成沿着垂直轴线z定向的科里奥利力，其引起相同的驱动质量体4a、4b在传感器平面xy之外的相应旋转，在该示例中是绕第二水平轴线y。在驱动质量体4a、4b下方布置于衬底2上的适合电极(此处未图示)通过与相同的驱动质量体4a、4b的电容性耦合而使得能够检测到如下的量，该量指示绕第一水平轴线x(其因此构成用于MEMS陀螺仪的第一检测轴线)的角速度的值。以基本上类似的方式，再次地是响应于驱动移动并且在存在绕第二水平轴线y作用的角速度的情况下，被驱动质量体10上生成沿着垂直轴线z定向的科里奥利力，这引起其在传感器的平面xy之外的相应旋转，在该示例中是绕第一水平轴线x。再次地，在被驱动质量体10下方布置于衬底2上的适合电极(此处未示出)通过与相同的被驱动质量体10的电容性耦合而使得能够检测到如下的量，该量指示绕第二水平轴线y(其因此构成用于MEMS陀螺仪的第二检测轴线)作用的角速度的值。尽管从许多视角来看是有利的，但是先前所描述的检测结构1不是完全令人满意的。特别地，本申请人已经发现：检测结构之间在其电气测试期间(当它们耦合至相同的测试结构时)的不合意串扰；由于驱动移动在对应封装中引起的振动；MEMS传感器设备的零电平的振荡和不稳定性(所谓的ZRL—零率电平)；以及此外的对导致绕垂直轴线z的旋转加速度的不合意的外部应力和振动的非零敏感度。
技术实现思路
本解决方案的目的是提供一种具有改进的机械和电气特性的MEMS传感器设备(特别是MEMS陀螺仪)的检测结构。根据本解决方案，因此提供了一种如所附权利要求中限定的检测结构和MEMS传感器设备。根据本解决方案的第一方面，提供了一种微机械检测结构，微机械检测结构包括：包括半导体材料的衬底；驱动质量体，耦合至驱动电极集合并且被设计为在驱动电极集合的电偏置之后在驱动移动中被驱动；第一锚固单元，耦合至驱动质量体并且被配置为在第一锚固部处将驱动质量体弹性地耦合至衬底；被驱动质量体，通过耦合单元被弹性地耦合至驱动质量体，并且被设计为在驱动移动所引起的运动中被驱动；以及第二锚固单元，耦合至被驱动质量体并且被配置为在第二锚固部处将被驱动质量体弹性地耦合至衬底，驱动质量体和被驱动质量体、第一锚固单元和第二锚固单元、以及耦合单元、以及驱动移动被联合配置用于抵消在第一锚固部和第二锚固部处作用于衬底上的力和扭矩的合量。在一些实施例中，在驱动移动之后，在第一锚固部和第二锚固部处作用于衬底上的在第一方向或意义上的第一力和扭矩被设计为补偿在第一锚固部和第二锚固部处作用于衬底上的、在与第一方向或意义相反的第二方向或意义上的第二力和扭矩。在一些实施例中，具有在第一水平轴线和第二水平轴线所定义的水平平面中的平面延伸；其中驱动质量体包括第一驱动质量体和第二驱动质量体，第一驱动质量体和第二驱动质量体被设计为沿着第二水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机械检测结构(20)，其特征在于，包括：包括半导体材料的衬底(2)；驱动质量体(4a‑4c)，耦合至驱动电极集合(7a‑7c)并且被设计为在所述驱动电极集合的电偏置之后在驱动移动中被驱动；第一锚固单元(6a‑6c)，耦合至所述驱动质量体并且被配置为在第一锚固部(5a‑5c)处将所述驱动质量体弹性地耦合至所述衬底(2)；被驱动质量体(10,30)，通过耦合单元(22a‑22b；11a‑11b,31a‑31b)被弹性地耦合至所述驱动质量体(4a‑4c)，并且被设计为在所述驱动移动所引起的运动中被驱动；以及第二锚固单元(14,34)，耦合至所述被驱动质量体并且被配置为在第二锚固部(17,37)处将所述被驱动质量体弹性地耦合至所述衬底(2)，所述驱动质量体(4a‑4c)和所述被驱动质量体(10,30)、所述第一锚固单元(6a‑6c)和所述第二锚固单元(14,34)、以及所述耦合单元(22a‑22b；11a‑11b,31a‑31b)、以及所述驱动移动被联合配置用于抵消在所述第一锚固部(5a‑5c)和所述第二锚固部(17,37)处作用于所述衬底(2)上的力和扭矩的合量。

【技术特征摘要】
2016.03.09 IT 1020160000246961.一种微机械检测结构(20)，其特征在于，包括：包括半导体材料的衬底(2)；驱动质量体(4a-4c)，耦合至驱动电极集合(7a-7c)并且被设计为在所述驱动电极集合的电偏置之后在驱动移动中被驱动；第一锚固单元(6a-6c)，耦合至所述驱动质量体并且被配置为在第一锚固部(5a-5c)处将所述驱动质量体弹性地耦合至所述衬底(2)；被驱动质量体(10,30)，通过耦合单元(22a-22b；11a-11b,31a-31b)被弹性地耦合至所述驱动质量体(4a-4c)，并且被设计为在所述驱动移动所引起的运动中被驱动；以及第二锚固单元(14,34)，耦合至所述被驱动质量体并且被配置为在第二锚固部(17,37)处将所述被驱动质量体弹性地耦合至所述衬底(2)，所述驱动质量体(4a-4c)和所述被驱动质量体(10,30)、所述第一锚固单元(6a-6c)和所述第二锚固单元(14,34)、以及所述耦合单元(22a-22b；11a-11b,31a-31b)、以及所述驱动移动被联合配置用于抵消在所述第一锚固部(5a-5c)和所述第二锚固部(17,37)处作用于所述衬底(2)上的力和扭矩的合量。2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，其中在所述驱动移动之后，在所述第一锚固部(5a-5c)和所述第二锚固部(17,37)处作用于所述衬底(2)上的在第一方向或意义上的第一力和扭矩被设计为补偿在所述第一锚固部(5a-5c)和所述第二锚固部(17,37)处作用于所述衬底(2)上的、在与所述第一方向或意义相反的第二方向或意义上的第二力和扭矩。3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，具有在第一水平轴线(x)和第二水平轴线(y)所定义的水平平面(xy)中的平面延伸；其中所述驱动质量体包括第一驱动质量体(4a)和第二驱动质量体(4b)，所述第一驱动质量体(4a)和所述第二驱动质量体(4b)被设计为沿着所述第二水平轴线(y)在相反方向上被驱动，并且所述被驱动质量体包括第一被驱动质量体(10)，所述第一被驱动质量体(10)沿着所述第一水平轴线(x)被布置在所述第一驱动质量体(4a)与所述第二驱动质量体(4b)之间，并且在所述水平平面(xy)中的旋转移动中由所述驱动移动所驱动；并且其中所述耦合单元(22a-22b)包括将所述第一被驱动质量体(10)弹性地耦合至所述第一驱动质量体(4a)的第一耦合元件(22a)、以及将所述第一被驱动质量体(10)弹性地耦合至所述第二驱动质量体(4b)的第二耦合元件(22b)，所述第一耦合元件(22a)和所述第二耦合元件(22b)被约束至所述衬底(2)并且被配置为在所述衬底(2)上施加扭矩，所述扭矩与所述第二锚固单元(14)在所述被驱动质量体(10)的旋转之后在所述衬底(2)上所施加的相应扭矩相等且相反。4.根据权利要求3所述的结构，其特征在于，其中所述第一耦合元件(22a)和所述第二耦合元件(22b)每个都被配置以便定义刚性连接元件(24)，所述刚性连接元件(24)具有利用铰接耦合连接至所述被驱动质量体(10)的第一末端、以及利用铰接耦合连接至相应的第一驱动质量体(4a)或第二驱动质量体(4b)的第二末端。5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，其中所述刚性连接元件(24)在其处于所述被驱动...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·加特瑞，L·G·法罗尼，C·瓦尔扎希纳，
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