[發明專利]具有可離開平面運動的移動質量塊的微機電裝置

在審

• 申請號: 201380062279.X
• 申請日: 2013-12-24
• 公開（公告）號: CN104955767A
• 公開（公告）日: 2015-09-30
• 發明（設計）人: 弗朗索瓦-格扎維埃·布瓦洛;雷米·拉歐比;紀堯姆·茹爾當
• 申請（專利權）人: 特羅尼克斯微系統公司
• 主分類號: B81B3/00
• 分類號: B81B3/00;G01P15/08;G01P15/12;G01P15/125
• 代理公司: 廣州華進聯合專利商標代理有限公司 44224
• 代理人: 鄧云鵬

技術領域

本發明涉及一種微機電系統，或稱為MEMS，尤其涉及一種力傳感器型的微機電結構，其中形成力傳感器的可變形元件和測量儀受到保護而免于因施于力傳感器上的強機械力造成的破損。

本發明特別應用于，例如，加速計、陀螺儀、和磁力計，或甚至是壓力傳感器，和更廣泛的任何具有可根據力產生位移的部分，以實現對多種性質的力進行測量的裝置。

背景技術

自從精密刻蝕和生長技術投入使用，特別是，在微電子中的應用的出現，制造微米級和納米級的電機或傳感器的可能成為現實。這種裝置由于其多種應用，在傳感器領域，也同樣在發射器、致動器、或被動器件中引起了人們的極大興趣。它們例如被用于汽車產業、航空、或手機，以替代更龐大的肉眼看見的裝置。

在微機電傳感器中，力傳感器，例如加速計、陀螺儀、或磁力計，通常包括移動質量塊，和用于測量該移動質量塊在力的影響下的位移的探測組件。

如圖1所示，力傳感器的移動質量塊1通常以一層半導體材料，特別是硅的形式出現，具有十或數十微米的厚度，并通過元件2維持在基底5上方，元件2可以是柔性的或圍繞旋轉軸可扭轉變形。變形元件2通常被稱為彈簧，最好是水平地位于移動質量塊1的側面的一端。彈簧2的兩端與貼附連接于基底上的固定錨定區域4相連。現在定義如圖1所示的三個軸x、y、z，x軸沿移動質量塊1的旋轉軸指向，y軸沿移動質量塊1在靜止狀態的平面指向并垂直于x軸，z軸垂直于移動質量塊1在靜止狀態所定義的平面，從基底5指向移動質量塊1。有利地，這種類型的設備形成在絕緣體上硅薄膜(silicon-on-insulator，SOI)型的基底上，電絕緣氧化層6將蝕刻有移動質量塊1的硅層與基底5分離。

移動質量塊的運動的探測器通常是電容式系統的形式，其中移動質量塊的位移使電容系統的兩個電極彼此遠離或接近對方，從而導致氣隙的變化，并從而導致系統的電容變化。文件US4736629示出了這類探測器的一個例子。作為一種變形，如圖1所示，存在使用一個或多個對移動質量塊1的位移的壓力和拉力敏感的壓阻式測量儀3。在兩種情況下，力傳感器的靈敏度是由移動質量塊允許的位移的幅度，和對移動質量塊的運動的探測器的配置決定的。使用機械諧振器作為應力測量儀也是可行的，諧振器的諧振頻率根據施于其上的應力變化。

有利地，壓阻式測量儀3以能盡可能多地增加施于測量儀3的壓力和拉力的方式放置。這樣的操作旨在增加力傳感器的檢測靈敏度。

事實上，測量儀3中壓縮/拉伸變形所產生的應力引起了測量儀3的與壓力成正比的阻力變化。通過對壓阻式測量儀3施加電壓，可以檢測相關的電阻變化，該變化由移動質量塊1的位移引起，與其變形成正比。由于施于移動質量塊1上的外力造成的移動質量塊1的位移，使用壓阻式測量儀能夠通過測量電阻變化得到力的值。電阻變化每單位的力越大，微機電力傳感器越敏感。

使用具有能在平面外位移的移動質量塊的壓阻式測量儀3的力傳感器，例如文件FR2954505和FR2941533中描述的，如圖1所示，自然地啟示了將壓阻式測量儀3與移動質量塊的上和/或下表面沿z軸對齊，可在錨點附近施加最大的按壓和拉伸而不會超過斷裂閾值。

然而，移動質量塊1也可能受沿x軸和/或y軸的平面的機械應力產生位移。這種位移可能會導致應力測量儀3的不可逆轉的變形，從而使力傳感器無法使用。為了克服這個缺點，如專利FR2941533提出的，最好通過將柔性變形元件結合于扭轉變形元件2，把移動質量塊1的位移限制在x軸和y軸定義的平面上，這兩種類型的可變形元件圍繞x軸變形。事實上，扭轉變形元件對沿x軸的位移具有良好抗力，而對沿y軸的位移抗力較弱。同時，柔性元件對沿y軸的位移具有良好的抗力，而對沿x軸的位移抗力較弱。因此，這兩種類型的可變形元件2對沿x軸和y軸的位移提供互補的抗性，能夠保護應力測量儀3。

然而，這樣的組合變形元件的缺點是不允許同時優化測量范圍和機械范圍。測量范圍指的是傳感器能夠檢測的所有力的值，機械范圍指的是移動質量塊靜止時的范圍之外的值，典型的例子是靜止在基底上。故而測量范圍包括在機械范圍內。理想情況下，機械范圍比測量范圍大幾十個百分點。

在結合柔性和扭轉變形元件的情況下，機械敏感度低，這樣機械范圍遠遠大于測量范圍，兩者之間的比率范圍通常是10。

為了更好地匹配兩個范圍，有兩種可能的解決方案。