MEMS设备和电子设备制造技术

本公开涉及MEMS设备和电子设备。具有跷跷板结构的MEMS设备包括可移动质量块，可移动质量块具有在平面中的面积、以及在垂直于该平面的方向上的厚度。可移动质量块绕平行于该平面延伸的旋转轴是可倾斜的，并且由被布置在旋转轴的相对侧的第一和第二半质量块形成。第一和第二半质量块分别具有第一和第二形心，该第一和第二形心被分别布置在距旋转轴的第一距离b1和第二距离b2处。第一贯穿开口被形成在第一半质量块中，并且连同第一半质量块一起具有在平面中的第一总周长p1。第二贯穿开口被形成在第二半质量块中，并且连同第二半质量块一起具有在平面中的第二总周长p2，其中第一周长p1和第二周长p2满足以下方程：p1×b1＝p2×b2。

【技术实现步骤摘要】
MEMS设备和电子设备
本公开涉及MEMS设备。特别地，本公开涉及MEMS(微机电系统)惯性传感器(诸如加速度计或陀螺仪)。
技术介绍
如已知的，上述类型的MEMS设备的使用在愈加宽广的
中日益增多，这是由于它们能够供给准确的信号、它们的成本低、以及它们的通用性高。特别地，上述类型的惯性传感器在消费者应用以及在汽车领域中逐渐被使用，例如用于室内导航和作为自主驾驶的辅助，即，上述类型的惯性传感器逐渐被用在如下应用中：其中重要的是具有高的精度，并且当环境和/或内部参数变化时，也提供尽可能稳定的输出。特别地，在这些应用中，期望设备的输出信号在温度方面稳定，这既关于在集成该设备的整个裸片之上以均匀的方式操作的外部效应，又关于在裸片内以不同的方式操作的内部效应。考虑到外部效应，许多MEMS设备具有用于补偿由于外部温度引起的信号变化的布置。关于内部效应，如下文所讨论的，该问题直到最近才被认识和处理。通常，在上述类型的MEMS设备内的非均匀的温度分布具有各种理由。第一个理由与在复杂装置中的电子设备的高集成密度有关；其他理由可能与偶然情况有关。例如，图1示出示例情况，其中印刷电路板1承载两个惯性类型的MEMS设备2、和处理设备(CPU)3或专用集成电路(ASIC)，该两个惯性类型的MEMS设备2中的一个被布置在印刷电路板1的上方，一个被布置在印刷电路板1的下方。在一些应用中，印刷电路板1可以在印刷电路板1的仅一侧上或两侧上，以未示出的方式，承载仅一个MEMS设备或多个MEMS设备或其他集成的设备，它们被布置在彼此旁边，还在片平面前面或后面延伸的平面中。在这种情况下，在印刷电路板1的所考虑的MEMS设备一侧上或在相对表面上的短距离处的小距离和大量的能量耗散设备，可能会产生在水平或垂直方向上(参考片平面)可变的温度轮廓。不均匀的温度分布的其他原因与操作考虑有关。实际上，在某些情况下，例如在打开设备时，快速的温度变化可能会导致裸片内的分布不均匀，如图2所示。此处，传感器5包含MEMS设备6，MEMS设备6由印刷电路板7承载，并且转而，MEMS设备6承载集成设备8(诸如ASIC(专用集成电路))。在这种情况下，至少在某些操作条件下，由于集成设备7在其操作期间发热，因此在垂直方向上存在非恒定的温度轮廓。在这种情况下，MEMS设备6可能会具有可变的温度轮廓，并且精确地说，从MEMS设备6的顶面上的高值减小到MEMS设备6的底面上的更低值。已经证明，在Z轴方向上可移动的传感器中的沿Z轴(平面外方向)的温度梯度，会导致表示沿Z轴移动的输出信号的偏移的静态偏差，然而表示沿其他轴(X轴和Y轴)移动的输出信号不受此现象的影响。图3和图4是具有“跷跷板”结构的惯性传感器的示意图，其中表示出这种情况。详细地，图3和图4示出了由可移动质量块11形成的MEMS加速度计10，可移动质量块11具有顶表面11A和底表面11B，并且悬挂在基板12之上。可移动质量块11大致由平台或板形成，该平台或板具有在静止时与笛卡尔参考系XYZ的平面XY平行的平面内的主延伸。可移动质量块11可以例如具有(在俯视图中)大体地矩形形状，并且由柱13承载，柱13从基板12延伸、平行于笛卡尔参考系XYZ的Z轴。柱13经由铰链和弹簧(未示出)被耦合至可移动质量块11，从而允许可移动质量块11绕旋转轴O进行旋转，旋转轴O平行于Y轴、延伸穿过可移动质量块11。特别地，在这些设备中，旋转轴O是偏心的并且与可移动质量块11的形心(未示出)间隔开，并且旋转轴O将可移动质量块11划分为被布置在相对于旋转轴O的相对侧的第一半质量块14A和第二半质量块14B。第一半质量块14A和第二半质量块14B具有不同的尺寸，并且因此对应的形心(未示出)位于距旋转轴O的不同的距离处。在示出的示例中，第一半质量块14A具有比第二半质量块14B更小的尺寸。第一电极16A和第二电极16B被布置在第一半质量块14A和第二半质量块14B的下方(面向可移动质量块11的底表面11B)。详细地，第一电极16A和第二电极16B分别面向第一半质量块14A和第二半质量块14B，并且分别与第一半质量块14A和第二半质量块14B形成第一电容性元件17A和第二电容性元件17B，第一电容性元件17A和第二电容性元件17B分别具有电容C1和C2。图3示出了没有(内部或外部)力作用在可移动质量块11上的理想情况。在这种情况下，如上所述，可移动质量块11处于静止位置，并且其主延伸平面平行于平面XY。在这种情况下，第一半质量块14A和第二半质量块14B被布置在距相应的电极16A、16B的相同距离处，并且电容性元件17A、17B具有电容C10＝C20。连接到电容性元件17A、17B的处理电路(未示出)能够将电容C1和C2之间的差值转换为电压输出信号。在没有加速度的情况下，该电路的输出为零。在图4中，热源21被布置在可移动质量块11上方，面向顶表面11A，并且冷源22被布置在可移动质量块11的下方，面向底表面11B。源21和源22在平行于Z轴的方向上生成在可移动质量块11内的温度梯度。在这种情况下，即使没有施加外部力，但是可移动质量块11转动(此处在顺时针方向上，箭头25)。因此，电容性元件17A、17B具有不同的电容(也就是，C2>C1)，并且输出信号变为非零。可移动质量块11随内部温度梯度的旋转是由辐射效应引起的。这些效应于1873年由WilliamCrookes发现并被利用在Crookes辐射计(也称为“光风车”)中，这些效应与气体分子以不同的方式作用在被以不同的温度加热的相对表面上所施加的作用有关。特别地，根据爱因斯坦辐射理论，辐射力取决于气体分子的平均自由程λ，所考虑的主体(MEMS设备10)被浸入该气体中；转而，平均自由程取决于气体密度和分子截面。而且，辐射力取决于温度梯度的值和方向，并且对于具有腔的板形结构，辐射力遵循定律：其中：F2p是作用在结构上的力；P0是标准压力(1巴)；Pc是腔中的压力；λ是在压力Pc处的气体分子的平均自由程；λ0是在压力P0处的气体分子的平均自由程；T0是标准温度(25℃)；L是腔的周长；以及是整个结构的温度轮廓。假设温度变化仅取决于空间，并且由于板形结构的小的厚度，得到：其中，Th是结构热面的温度，Th是结构冷面的温度，以及tp是结构的厚度。因此，方程(1)变为：作用在MEMS设备的可移动质量块(具有平坦形状)上的辐射力的问题至今尚未得到很好的处理。在J.Classen等人的论文“ADVANCEDSURFACEMICROMACHININGPROCESS–AFIRSTSTEPTOWARDS3DMEMS”,MEMS2017,LasVegas,NV,USA,January22-26,2017,IEEE,978-1-5090-5078-9/17以及C.Nagel等人的论文“RadiometriceffectsinMEMSAcc本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS设备，其特征在于，包括：/n可移动质量块，所述可移动质量块具有在平面中的面积、以及在垂直于所述平面的方向上的厚度，所述可移动质量块绕平行于所述平面延伸的旋转轴是可倾斜的，并且从而形成被布置在所述旋转轴的相对侧的第一质量块部分和第二质量块部分，所述第一质量块部分和所述第二质量块部分分别具有第一形心和第二形心，所述第一形心和所述第二形心分别被布置在距所述旋转轴的第一距离b1和第二距离b2处；/n在所述第一质量块部分中的多个第一贯穿开口，其中所述多个第一贯穿开口和所述第一质量块部分具有在所述平面中的第一总周长p1；以及/n在所述第二质量块部分中的多个第二贯穿开口，其中所述多个第二贯穿开口和所述第二质量块部分具有在所述平面中的第二总周长p2，/n其中所述第一总周长p1和所述第二总周长p2满足方程：/np1×b1＝p2×b2。/n

【技术特征摘要】
20190108 IT 1020190000001901.一种MEMS设备，其特征在于，包括：
可移动质量块，所述可移动质量块具有在平面中的面积、以及在垂直于所述平面的方向上的厚度，所述可移动质量块绕平行于所述平面延伸的旋转轴是可倾斜的，并且从而形成被布置在所述旋转轴的相对侧的第一质量块部分和第二质量块部分，所述第一质量块部分和所述第二质量块部分分别具有第一形心和第二形心，所述第一形心和所述第二形心分别被布置在距所述旋转轴的第一距离b1和第二距离b2处；
在所述第一质量块部分中的多个第一贯穿开口，其中所述多个第一贯穿开口和所述第一质量块部分具有在所述平面中的第一总周长p1；以及
在所述第二质量块部分中的多个第二贯穿开口，其中所述多个第二贯穿开口和所述第二质量块部分具有在所述平面中的第二总周长p2，
其中所述第一总周长p1和所述第二总周长p2满足方程：
p1×b1＝p2×b2。


2.根据权利要求1所述的MEMS设备，其特征在于，所述MEMS设备是加速度计或陀螺仪中的至少一个。


3.根据权利要求1所述的MEMS设备，其特征在于，所述可移动质量块形成Z轴加速度计的一部分。


4.根据权利要求1所述的MEMS设备，其特征在于，所述可移动质量块由单片半导体主体制成。


5.根据权利要求1所述的MEMS设备，其特征在于，所述可移动质量块具有均匀的厚度。


6.根据权利要求1所述的MEMS设备，其特征在于，所述多个第二贯穿开口的数量不同于所述多个第一贯穿开口的数量。


7.根据权利要求1所述的MEMS设备，其特征在于，所述多个第二贯穿开口的形状不同于所述多个第一贯穿开口的形状。


8.一种电子设备，其特征在于，包括：
MEMS设备，包括：
可移动质量块，所述可移动质量块具有在平面中的面积、以及在垂直于所述平面的方向上的厚度，所述可移动质量块绕平行于所述平面延伸的旋转轴是可倾斜的，并且从而形成被布置在所述旋转轴的相对侧的第一质量块部分和第二质量块部分，所述第一质量块部分和所述第二质量块部分分别具有第一形心和第二形心，所述第一形心和所述第二形心分别被布置在距所述旋转轴的第一距离b1和第二距离b2处；
在所述第一质量块部分中的多个第一贯穿开口，其中所述多个第一贯穿开口和所述第一质量块部分具有在所述平面中的第一总周长p1；以及
在所述第二质量块部分中的多个第二贯穿开口，其中所述多个第二贯穿开口和所述第二质量块部分具有在所述平面中的第二总周长p2，
其中所述第一总周长p1和所述第二总周长p2满足方程：p1×b1＝p2×b2；
专用集成电路，被耦合到所述MEMS设备；
处理单元，被耦合到所述专用集成电路；
接口，...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·里奇尼，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