[發(fā)明專利]抗靜摩擦的MEMS器件及其操作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410033777.8
• 申請日: 2014-01-24
• 公開（公告）號: CN103964367B
• 公開（公告）日: 2017-01-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林義真;A·C·邁克奈爾;M·E·施拉曼
• 申請（專利權(quán)）人: 飛思卡爾半導(dǎo)體公司
• 主分類號: B81B7/02
• 分類號: B81B7/02
• 代理公司: 中國國際貿(mào)易促進委員會專利商標事務(wù)所11038
• 代理人: 郭思宇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明通常涉及微機電系統(tǒng)（MEMS）器件。更具體地說，本發(fā)明涉及對靜摩擦有增強抵抗力的MEMS器件。

背景技術(shù)

微加工和其它微制作技術(shù)及工藝方面的進步使得能夠制作各種微電子和微機電系統(tǒng)（MEMS）器件。MEMS的常見的應(yīng)用是傳感器器件的設(shè)計和制作。微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器器件被廣泛應(yīng)用于例如汽車、慣性制導(dǎo)系統(tǒng)、家用電器、各種器件的保護系統(tǒng)、以及許多其它的工業(yè)、科學(xué)、以及工程系統(tǒng)。這種MEMS器件被用于感測物理狀態(tài)，例如加速度、角速率、壓力、溫度等等，并且提供表示感測的物理狀態(tài)的電信號。

附圖說明

結(jié)合附圖并參閱詳細說明書以及權(quán)利要求，對本發(fā)明可有比較完整的理解。其中在附圖中類似的參考符號表示相似的元件，以及：

圖1根據(jù)一個實施例，示出微機電系統(tǒng)（MEMS）器件的側(cè)視圖；

圖2示出圖1的MEMS器件的頂視圖；

圖3示出可能包括圖2的MEMS器件的半導(dǎo)體封裝的側(cè)視圖；

圖4示出圖1的MEMS器件的方框圖；

圖5示出與MEMS器件的操作模式不同的彈簧剛度的變化的圖表；

圖6示出經(jīng)歷正常操作的MEMS器件的方框圖；

圖7示出經(jīng)歷靜摩擦條件的MEMS器件的方框圖；

圖8示出在靜摩擦條件之后經(jīng)歷恢復(fù)事件的MEMS器件的方框圖。

具體實施方式

懸掛式可移動微結(jié)構(gòu)，例如板和梁，通常用于各種微機電系統(tǒng)（MEMS）器件的制作中。懸掛式微結(jié)構(gòu)通常有帶有高剛度的大表面積。然而，這種用于懸掛式微結(jié)構(gòu)的懸掛彈簧可能具有相對低的剛度，這取決于應(yīng)用。此外，微結(jié)構(gòu)通常被制作成遠離其支撐襯底幾微米。這些特性的結(jié)合使得MEMS器件容易受到力的影響，該力可以使懸掛式可移動微結(jié)構(gòu)垂直地朝向支撐襯底偏轉(zhuǎn)和/或橫向地朝向周圍結(jié)構(gòu)或橫擋塊偏轉(zhuǎn)。如果偏轉(zhuǎn)力足夠強，可移動元件可以接觸并暫時或永久地附著于底層襯底或橫向結(jié)構(gòu)，這就導(dǎo)致錯誤輸出信號和/或器件故障。可移動結(jié)構(gòu)的意外粘附被稱為靜摩擦。

靜摩擦既可以在MEMS器件制作期間發(fā)生，也可以在正常使用期間發(fā)生。在正常使用期間，如果懸掛式可移動微結(jié)構(gòu)通過外力，例如機械沖擊被置于暫時或永久地接觸其襯底，將會發(fā)生靜摩擦。機械或物理沖擊是例如由碰撞、下降、反彈等等引起的突然加速或減速。此外，或可替代地，機械沖擊將導(dǎo)致MEMS器件內(nèi)的各種元件的破損或斷裂，這就永久地降低MEMS器件的長期可靠性。因此，機械沖擊將對MEMS器件結(jié)構(gòu)的可靠性造成嚴重的問題。

微電子器件行業(yè)逐漸朝向?qū)⒍鄠€傳感器集成到單一的器件封裝以降低成本和形成因素。在一個這樣多傳感器器件封裝中，單一的MEMS半導(dǎo)體管芯可能包括加速計和角速率傳感器。角速率傳感器，也被稱為陀螺儀，需要在真空中操作以為低壓操作和高信號響應(yīng)實現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)Q。相反，加速計需要在阻尼模式，即在非真空環(huán)境中操作，以避免欠阻尼反應(yīng)，其中器件的可移動元件可以經(jīng)受多個振蕩以響應(yīng)于單一的干擾。

有不同壓力要求的兩種類型的器件對于將其集成到單一的器件封裝造成重大問題。例如，在包括角速率傳感器和加速計的多傳感器封裝中，所需的實現(xiàn)角速率傳感器的高Q值的真空環(huán)境可能導(dǎo)致加速計在欠阻尼模式下操作。由于振動或機械沖擊，加速計的欠阻尼操作模式可能加強可移動元件中的振蕩響應(yīng)，從而增加靜摩擦故障的可能性。

實施例詳細描述對未上電階段和上電階段的靜摩擦有增強抵抗力的微機電系統(tǒng)（MEMS）器件。特別是，實施例詳細描述帶有可移動元件的MEMS器件，該元件通過彈簧構(gòu)件懸掛在襯底之上，其中彈簧構(gòu)件被設(shè)計帶有比MEMS器件的靈敏度規(guī)范要求的標稱彈簧常數(shù)高的機械彈簧常數(shù)。實施例還詳細描述操作MEMS器件的方法，其中相對高偏壓在上電階段期間被施加于感測電極以通過彈簧軟化作用增加可移動元件的靈敏度。由于可移動元件在上電階段的欠阻尼響應(yīng)，閉合回路反饋控制可以被利用以大大消除共振峰。當檢測到靜摩擦條件時，高偏壓可以被移除以使可移動元件從靜摩擦條件恢復(fù)。較高的機械彈簧常數(shù)在未上電階段產(chǎn)生帶有較大恢復(fù)力的較硬的彈簧以使得從靜摩擦恢復(fù)。此外，由于彈簧相對硬，可移動元件有較高的自然頻率，這使得它不太容易受到來自環(huán)境振動的干擾，否則將導(dǎo)致可移動元件的共振。因此，MEMS器件的可移動元件可以有效地在真空或低壓環(huán)境中操作，其中在該環(huán)境中，欠阻尼響應(yīng)將可能導(dǎo)致另一器件無效地操作。