降低了对封装应力的敏感性的半导体器件的制作方法

专利名称：降低了对封装应力的敏感性的半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及半导体器件。更具体地，本发明涉及一种降低了对由例如封装应 力引起的变形的敏感性的微机电系统(MEMS)半导体器件。
背景技术：
微机电系统(MEMS)传感器广泛地用于各种应用，诸如汽车、惯性制导系统、家用 电器、用于多种设备的保护系统、以及许多其他的工业、科学和工程系统。这些MEMS传感器 用于感测物理条件，诸如加速度、压力或温度，并且提供表示所感测的物理条件的电信号。 电容性感测的MEMS设计由于其相对低的成本，对于高加速度环境中和微型化器件中的操 作而言是非常理想的。图1示出了现有技术的MEMS电容性加速度计20的顶视图，其适于感测X方向M 上的加速度(即，平行于器件的主平面表面的加速度)。加速度计20包括悬置在下面的基 板观之上的可移动元件沈，其有时被称为检测质块(proof mass)或者摆梭(shuttle)。悬 置锚30在基板28上形成，并且顺从性(compliant)部件32将可移动元件沈与悬置锚30 互连。固定指对34通过固定指锚36附连到基板28，并且从可移动元件沈延伸的感测指 38被安置为与固定指34相邻。因此在感测指38的每一侧和相应的固定指34之间形成了 感测间隙40。在该类型的结构中，当可移动元件沈响应于X方向M上的加速度而移动时， 移动的感测指38和固定指34之间的电容42和44改变。MEMS加速度计20配备有将这些 电容改变转换为表示X方向M上的加速度的信号的电子电路(未示出)。许多MEMS传感器应用需要较小的尺寸和低成本的封装以满足激进的成本目标。 此外，MEMS传感器应用正在倡导较低的温漂系数(TCO)规范。TCO是描述热应力对诸如 MEMS传感器的半导体器件的性能的影响有多大的量度。高的TCO相应地指示高的热引起的 应力，或者对该应力非常敏感的MEMS器件。MEMS传感器应用的封装常常使用具有不相似的 热膨胀系数的材料。因此，在制造或操作期间常常显现不合需要地高的TC0。此外，在末端 应用中将封装的半导体器件焊料连接到印刷电路板上会导致应力。这些应力可以导致下面 的基板观的变形，其在这里被称为封装应力。例如，基板观的变形可以导致悬置锚30和 固定指锚36的移位(由箭头46表示)。封装应力引起的移位46导致感测电容42和44的 改变，因此不利地影响了电容加速度计20的输出。对于电容性加速度计20的典型架构，换能器(transducer)输出可以由电容42和 电容44之间的差来近似。如果移位46使电容42和44的改变的幅值和方向均相同，则在 该架构中换能器输出将不受影响。因此，如果可移动元件沈的移位基本上等同于在感测方 向(即X方向24)上固定指34的平均移位，则MEMS传感器20的输出可以不受影响。然而，基板观可能经历因封装应力引起的某种非线性移位。非线性移位的一个分 量可以是在X方向M上的跨基板观的表面的非线性移位变化(或者不均勻的伸展)。该 非线性移位变化在图1中由虚直线48表示。非线性移位的另一个分量可以是在X方向M 上的基板28的非线性面内变形(或者弯曲)。该跨基板28的表面的面内“弯曲”在图1中由虚曲线50表示。面内弯曲50表示如下的情形，其中电容性加速度计20的顶缘和底缘在 X方向M上移位相似的量，但是电容性加速度计20的中心区域移位不同的量。非线性移位 变化48和面内弯曲50导致了可移动元件沈的移位基本上不等同于在感测方向(即X方 向24)上固定指34的平均移位。通过利用弹性体(有时被称为“穹顶涂层(dome coat) ”)来涂覆换能器管芯可以 降低封装应力。然而，这些涂层使制造工艺复杂并且导致了不合需要地较大的MEMS传感 器。此外，随着MEMS传感器的尺寸的减小，不能易于使用应力隔离穹顶涂层。因此，需要一种低成本的单管芯换能器，其能够沿一个或多个轴进行感测，不易受 热引起的封装应力梯度的影响，并且不需要使用穹顶涂层或者设计用于减少封装应力的其 他特征。


在结合附图考虑时，通过参照详细描述和权利要求，可以得到对本发明的更加完 整的理解，其中在整个附图中相同的附图标记表示相似的项，并且图1示出了现有技术的电容性加速度计的顶视图；图2示出了根据本发明实施例的微机电系统(MEMS)传感器的顶视图；图3示出了图2的MEMS传感器的侧视图；图4示出了根据本发明另一实施例MEMS传感器的顶视图；以及图5示出了根据本发明另一实施例的MEMS传感器的顶视图。
具体实施例方式在一个方面，差分电容性换能器包括元件的对称布置以及由固定指锚的位置定义 的锚区域的建立。用于可移动元件或者检测质块的悬置锚位于该锚区域中。这些特征通过 有效地消除移位的非线性分量，降低了封装应力对换能器输出的影响。因此，该差分电容性 换能器不易受由例如热引起的封装应力梯度所导致的变形的影响，并且利用常规的制造工 艺可以容易地将其实现为低成本的、紧凑的、单管芯换能器。参照图2至3，图2示出了根据本发明实施例的微机电系统(MEMS)传感器52的 顶视图，而图3示出了 MEMS传感器52的侧视图。传感器52可以是例如加速度计或者其他 MEMS感测器件。出于后面讨论的目的，MEMS传感器52在下文中被称为电容性换能器52。 电容性换能器52是适于检测X方向56上的加速度的单轴加速度计。电容性换能器52提 供有意义的电容输出，而其结构极大地降低了封装应力对换能器输出的影响。电容性换能器52包括以隔开的关系在基板62的表面60上方的可移动元件58。 多个开口 64延伸通过可移动元件58。在基板62的表面60上形成多个悬置锚66、68、70和 72。多个顺从性部件74(也被称为弹簧或挠曲部(flexure))将可移动元件58与悬置锚66、 68,70和72互连。顺从性部件74使得可移动元件58能够响应于加速度在X方向56上移 动。在一个实施例中，顺从性部件74呈现相等同的弹簧常数k，其指示顺从性部件74的刚 度。也就是说，对于每个顺从性部件74，所需用于使任何顺从性部件74折曲(flex)的力基 本上是相同。电容性换能器52进一步包括被布置为彼此基本上平行对准的固定指76。固 定指76经由固定指锚78附连到基板62的表面60。
为了清楚地区分图中的电容性换能器52的各种元件，可移动元件58由指向右上 方的影线表示。悬置锚66、68、70、72和固定指锚78由实心块阴影表示，而固定指76由点 画图案表示。可以利用许多已知的和即将出现的MEMS制造工艺来制造MEMS电容性换能器52， 所述制造工艺包括例如淀积、光刻、刻蚀等。在一个示例中，可以在基板62上淀积牺牲层 (未示出)。随后可以将诸如多晶硅的有源层作为毯式覆盖层(blanket layer)淀积在牺 牲层上。随后可以将多晶硅有源层构图和刻蚀以形成电容性换能器52的结构。在构图之 后，使用已知工艺对牺牲层进行刻蚀以将可移动元件58和顺从性部件74从下面的基板62 释放。因此，尽管电容性加速度计的元件可以通过各种形式被描述为“固定到”、“互连到”、 “耦合到”或者“附连到”电容性换能器52的其他元件，但是应当容易地认识到，这些术语指 的是在通过MEMS制造的构图和刻蚀工艺形成MEMS电容性换能器52的特定元件期间出现 的这些特定元件的物理连接。还应当注意，可移动元件58和顺从性部件74可以通过通孔 (出于简化说明的目的而未示出)来制造，这些通孔提供了可以用于从下面的基板62释放 可移动元件58和顺从性部件74的刻蚀材料的通路。电容性换能器52呈现出X对称轴80，其基本上平行于X方向56。此外，电容性换 能器52呈现出Y对称轴82，其基本上平行于Y方向101并因此基本上与X对称轴80正交。 X对称轴80和Y对称轴82也平行于电容性换能器52的主平面表面。对称轴是几何图形中 的线，其将该图形分为两个部分，使得一个部分在沿对称轴折叠时与另一部分重合。因此， 电容性换能器52在X和Y对称轴80和82的任一侧上呈现出其部件的等同的尺寸和布置。电容性换能器52的对称配置要求Y对称轴82的相对两侧上的多个开口 64的数 量和尺寸等同。此外，多个开口 64基本上平行于Y对称轴82并且在X对称轴80的任一侧 上延伸相等的距离。在一个实施例中，悬置锚66和70驻留在延伸通过可移动元件58的开口 64中的 一个开口中，并且悬置锚68和72驻留在延伸通过可移动元件58的开口 64中的另一个开 口中。悬置锚66和68从X对称轴80偏移距离84。同样地，悬置锚70和72在X对称轴 80的相对的一侧上偏移距离84。距离84小于可移动元件58的感测区域88的宽度86的 一半。术语“感测区域”指的是可移动元件58的这样部分，在该部分处，响应于可移动元件 58的移动，使用固定指76和可移动元件58之间的电容改变来确定差分电容。因此，距离 84大于零(g卩，大于Y = O)但是小于宽度86的一半(8卩，小于￥ = 1/2)。此外，悬置锚66和70从Y对称轴82偏移距离90。同样地，悬置锚68和72在Y 对称轴82的相对的一侧上偏移距离90。距离90小于可移动元件58的感测区域88的长 度92的一半。因此，距离90大于零(g卩，大于X = O)但是小于长度92的一半(S卩，小于 X = L/2)。因此，悬置锚66、68、70和72位于感测区域88的中心和感测区域88的外周之 间的中间且对称的位置处。在一个实施例中，固定指76的对94驻留在所述多个开口 64中的其他开口中。Y 对称轴82的一侧上的固定指76的对94与Y对称轴82的相对的一侧上的相应的固定指的 对94对称地布置。然而，如同多个开口 64—样，每个固定指76与Y对称轴82平行对准， 并且每个固定指76在X对称轴80的任一侧上延伸相等的距离。因此在固定指76的每一 侧和多个开口 64中其所处的一个开口的最近的内周壁之间形成了感测间隙96(参见图3)。出于简化说明的目的，图示了固定指76的总共六个对94。然而，在可替选实施例中，电容性 换能器52可以包括比固定指76的六个对94更多或更少的对。多个固定指锚78可以耦合到每个固定指76，以将固定指76附连到下面的基板 62。在该示例性实施例中，使用四个固定指锚78将每个固定指76附连到基板62。四个固 定指锚78沿每个固定指76均勻分布。此外，四个固定指锚78相对于X对称轴80对称布 置。尽管四个固定指锚78被示出为将每个固定指76附连到下面的基板62，但是在可替选 实施例中，可以利用比四个固定指锚78更少或更多的固定指锚。继续参照图2和3，固定指锚78的部分100在X方向56上基本上彼此对准。固定 指锚78的部分100在与X方向56正交的Y方向101上从X对称轴80偏移。同样地，固定 指锚78的另一部分102在X方向56上基本上彼此对准，并且在Y方向101上从X对称轴 80偏移。换言之，固定指锚78的部分100和固定指锚78的部分102被放置在X对称轴80 的相对两侧上。固定指锚78的部分100和102在Y方向101上从X对称轴80的移位定义 了锚区域103，其中部分100和102的位置是在其中安置所有悬置锚66、68、70和72的上边 界和下边界(在Y方向101上)。应当理解，利用固定指锚78的在Y方向101上从X对称 轴80偏移最远的部分来定义锚区域103，而与将每个固定指76附连到基板62的固定指锚 78的总数量无关。顺从性部件74将可移动元件58悬置在基板62之上的基本与基板62平行的中性 位置中。顺从性部件74用于将可移动元件58保持在该中性位置，直至由于一些其他手段， 有选择地施加力或加速度引起其变位。可移动元件58的移动使顺从性部件74变形，将势 能存储在其中。一旦力或加速度被移除，则所存储的势能趋向于使可移动元件58返回其中 性位置。作为示例，当MEMS电容性换能器52经历加速度时，换能器52的可移动元件58在 X方向56上移动。当可移动元件58响应于X方向56上的加速度而移动时，感测间隙96中 的电容104和106改变。电子电路(未示出)对所有电容104进行总计，并且对于所有电 容106进行总计。电容104和106之间的差产生了差分电容，其随后被转换为表示X方向 56上的加速度的信号。感测区域88中的元件的对称配置，悬置锚66、68、70和72从X和Y对称轴80和 82移位，以及将悬置锚66、68、70和72安置在由固定指锚78的部分100和102的位置定义 的锚区域103中，产生了如下情形，其中非线性移位48 (图1)和面内弯曲50(图1)基本上 被消除。因此，极大地降低了封装应力对换能器输出的影响。此外，多个开口 64以及固定 指76在该多个开口 64中的放置提供了 MEMS电容性换能器52的有意义的电容输出。图4示出了根据本发明另一实施例的MEMS传感器108的顶视图。MEMS传感器108 是适于检测X方向110和与X方向110正交的Y方向112上的加速度的双轴加速度计。出 于后面讨论的目的，MEMS传感器108在下文中被称为双轴电容性换能器108。如同电容性 换能器52 (图2、一样，双轴电容性换能器108提供有意义的电容输出，而其结构极大地降 低了封装应力对加速度计输出的影响。尽管这里描述了双轴加速度计的配置，但是应当理 解，在三轴加速度计封装中可以另外利用双轴配置的换能器108来感测X方向110和Y方 向112上的加速度。双轴电容性换能器108包括以隔开的关系在基板118的表面116上方的可移动元 件114。多个开口 120延伸通过可移动元件114。在基板118的表面116上形成多个悬置9锚122、124、126和128。多个顺从性部件130将可移动元件114与悬置锚122,124,126和 128互连。顺从性部件130使得可移动元件114能够响应于加速度在X方向110和Y方向 112上移动。在一个实施例中，顺从性部件130呈现相等同的弹簧常数k。电容性换能器108进一步包括被布置为彼此基本上平行对准的一组固定指132。 另一组固定指Π4被布置为彼此基本上平行对准，但是与固定指132正交。固定指132和 134经由固定指锚136附连到基板118的表面116。为了清楚地区分图4中的电容性换能器108的各种元件，可移动元件114由指向 右上方的影线表示。悬置锚122、124、1沈和1 和固定指锚136由实心块阴影表示，而固 定指132和134由点画图案表示。双轴电容性换能器108呈现出X对称轴138，其基本上平行于X方向110。此夕卜， 双轴电容性换能器108呈现出Y对称轴140，其基本上平行于Y方向112，并且基本上与X 对称轴138正交。因此，双轴电容性换能器108在X和Y对称轴138和140任一侧上呈现 出其部件的等同的尺寸和布置，并且电容性换能器108的对称配置要求X对称轴138的相 对两侧上和Y对称轴140的相对两侧上的多个开口 120的等同的数量和尺寸。在一个实施例中，每个悬置锚122、124、1 和1 都驻留在延伸通过可移动元件 114的开口 120中的不同的开口中。悬置锚122和IM从X对称轴138偏移距离142。同样 地，悬置锚1 和1 在X对称轴138的相对的一侧上偏移距离142。距离142小于可移动 元件114的感测区域146的宽度144的一半。因此，距离142大于零(g卩，大于Y = O)但 是小于宽度144的一半(S卩，小于Y = W/2)。此外，悬置锚122和1 从Y对称轴140偏移 距离148。同样地，悬置锚IM和1 在Y对称轴140的相对的一侧上偏移距离148。距离 148小于可移动元件114的感测区域146的长度150的一半。因此，距离148大于零(即， X = O)但是小于长度150的一半(即，X = L/2)。因此，悬置锚122、124、126和1 位于 感测区域146的中心和感测区域146的外周之间的中间且对称的位置。在一个实施例中，固定指132的对152驻留在开口 120中并且具有与Y对称轴140 平行对准的纵轴。驻留在Y对称轴140的一侧上的固定指132的对152与Y对称轴140的 相对的一侧上的固定指132的相应的对152对称布置。此外，固定指132的对152与X对 称轴138的相对的一侧上的固定指132的相应的对152对称布置。因此，在固定指132的 每一侧和多个开口 120中的其所处的一个开口的最近的内周壁之间形成了感测间隙154。固定指134的对158也驻留在不同的开口 120中，但是具有与X对称轴138平行 对准的纵轴。驻留在X对称轴138的一侧上的固定指134的对158与X对称轴138的相对 的一侧上的固定指134的相应的对巧4对称布置。此外，固定指134的对158与Y对称轴 140的相对的一侧上的固定指134的相应的对158对称布置。因此，在固定指134的每一侧 和多个开口 120中其所处的一个开口的最近的内周壁之间形成了感测间隙160。在一个实施例中，两个固定指锚136耦合到固定指132和134中的每一个以将固 定指132和134附连到下面的基板118。继续参照图4，附连X方向110上对准的固定指 132的每个对152的两个固定指锚136定义了锚区域162。此外，附连X方向110上对准的 固定指132的每个对152的两个固定指锚136定义了另一锚区域164。锚区域162和164 在X对称轴138的相对两侧上在Y方向112上偏移。附连Y方向112上对准的固定指134 的每个对158的两个固定指锚136定义了锚区域166，并且附连Y方向112上对准的固定指134的每个对158的两个固定指锚136定义了锚区域168。锚区域166和168在Y对称轴 的相对两侧上在X方向110上偏移。锚区域166和168与锚区域162交叠以形成交叠区域 169。同样地，锚区域166和168与锚区域164交叠以形成另外的交叠区域169。在一个实 施例中，每个悬置锚122、124、1 和1 位于每个交叠区域169中。当双轴换能器108经历X方向110和Y方向112上的加速度时，顺从性部件130 使得可移动元件114能够在这些方向上移动。当可移动元件114响应于X方向110上的加 速度而移动时，感测间隙154中电容改变。电子电路(未示出)确定差分电容，其随后被转 换为表示双轴换能器108在X方向110上的加速度的信号。当可移动元件114响应于Y方 向112上的加速度而移动时，感测间隙160中电容改变。电子电路确定差分电容，其随后被 转换为表示双轴换能器108在Y方向112上的加速度的信号。感测区域146中的元件的对称配置，悬置锚122、124、126和1 从X和Y对称轴 138和140的移位，以及将悬置锚122、124、1 和1 安置在由固定指锚136的布置定义的 交叠锚区域169中，产生了如下情形，其中非线性移位48 (图1)和面内弯曲50(图1)基本 上被消除。因此，极大地降低了双轴电容性换能器108中的封装应力对换能器输出的影响。 此外，多个开口 120以及多个开口 120中固定指132和134的放置提供了 MEMS双轴电容性 换能器108的有意义的电容输出。如上文结合电容性换能器52 (图2)提到的，应当理解，在可替选实施例中，可以采 用比两个固定指锚136更多或更少的固定指锚。此外，在可替选实施例中，双轴电容性换能 器108可以包括比这里示出的固定指132的对152和固定指134的对158的数量更多或更 少的对。图5示出了根据本发明另一实施例的MEMS传感器180的顶视图。MEMS传感器180 是适于检测X方向182上的加速度的单轴加速度计。因此，MEMS传感器180在下文中被称 为电容性换能器180。如同电容性换能器52(图幻和108(图幻一样，电容性换能器180 提供有意义的电容输出，而其结构极大地降低了封装应力对加速度计输出的影响。电容性换能器180包括以隔开的关系在基板188的表面186上方的可移动元件 184。多个开口 190延伸通过可移动元件184，并且在基板188的表面186上形成多个悬置 锚192、194、196。一对顺从性部件198将可移动元件184与悬置锚192互连，并且一对顺从 性部件200将可移动元件184与每个悬置锚194和196互连。顺从性部件198和200使得 可移动元件184能够响应于电容性换能器180检测的加速度在X方向182上移动。电容性 换能器180进一步包括被布置为彼此基本上平行对准的固定指202。固定指202经由固定 指锚204附连到基板188的表面186。为了清楚地区分图5中的电容性换能器180的各种元件，可移动元件184由指向 右上方的影线表示。悬置锚192、194、196和固定指锚204由实心块阴影表示，而固定指202 由点画图案表示。电容性换能器180呈现出X对称轴206，其基本上平行于X方向182。此外，电容 性换能器180呈现出Y对称轴208，其基本上平行于Y方向203并且与X对称轴206正交。 因此，电容性换能器180在X和Y对称轴206和208的任一侧上呈现出其部件的等同的尺 寸和布置。电容性换能器180的对称配置要求Y对称轴208的相对两侧上的多个开口 190的11等同的数量和尺寸。此外，多个开口 190基本上平行于Y对称轴208并且在X对称轴206 的任一侧延上伸相等的距离。多个开口 190中的一个是相对于可移动元件184的感测区域214的中心212对称 设置的中心开口 210。在该示例性实施例中，悬置锚192驻留在中心212处的可移动元件 184的中心开口 210中。顺从性部件198基本上是固着在悬置锚的相对两侧的直梁。因此， 顺从性部件198的各自得纵轴形成了在Y对称轴208处通过可移动元件188的公共轴。然 而，在可替选实施例中，顺从性部件198可以被形成为更复杂的形状。相反地，悬置锚194和196驻留在可移动元件184的感测区域214外部。就是说， 在该实施例中，相对于可移动元件184在外部设置悬置锚194和196。悬置锚194从Y对称 轴208偏移距离218。同样地，悬置锚196从Y对称轴208偏移距离218。距离218大于或 者基本上等于感测区域214的长度220的一半。固定指202的对222驻留在除了中心开口 210以外的多个开口 190中。Y对称轴 198的一侧上的固定指202的对222与Y对称轴198的相对的一侧上的固定指202的相应 的对222对称布置。每个固定指202与Y对称轴208平行对准，并且每个固定指202在X 对称轴206任一侧上延伸相等的距离。因此，在固定指202的每一侧和多个开口 190中的 其所处的一个开口的最近的内周壁之间形成了感测间隙224。固定指202可以响应于加速 度、力等而移动。然而，它们的“移动”较之可移动元件184响应于同一加速度、力等的移动 是可忽略的。在该实施例中，每个固定指锚204用于将一个固定指202附连到基板188。这些 固定指锚204位于X对称轴206上(S卩，在Y = 0处)。因此，X对称轴206上的固定指锚 204的位置定义了以X对称轴206为中心的锚区域226。因此，悬置锚192、194和196位于 锚区域226中并且在X方向182上基本上对准在X对称轴206上(S卩，在Y = 0处)。在一个实施例中，顺从性部件198可以呈现出相等同的弹簧常数k1;其指示顺从性 部件198的刚度。此外，顺从性部件200呈现出相等同的弹簧常数1 ，其指示顺从性部件 200的刚度。然而，顺从性部件200的弹簧常数1 小于顺从性部件198的弹簧常数h。因 此，顺从性部件198比顺从性部件200更具有刚性。在一个实施例中，顺从性部件198的刚 性可以几乎是顺从性部件200的刚性的四倍。当电容性换能器180经历X方向182上的加速度时，顺从性部件198和200使得 可移动元件184能够在X方向182上移动。当可移动元件184响应于X方向182上的加速 度而移动时，感测间隙224中电容改变。如前文所述，电子电路(未示出)处理这些电容以 产生差分电容，其随后被转换为表示电容性换能器180在X方向182上的加速度的信号。感测区域214中的元件的对称配置产生了如下情形，其中在电容性换能器180设 计中非线性移位变化48(图1)基本上被消除。此外，将悬置锚192、194和196放置在以X 对称轴206为中心的锚区域226中产生了如下情形，其中在电容性换能器180设计中面内 弯曲50(图1)基本上被消除。因此，感测区域214中的元件的对称配置和悬置锚192、194 和196放置在以X对称轴206为中心的锚区域2 中的组合产生了如下情形，其中非线性移 位变化48(图1)和面内弯曲50(图1)基本上被消除。因此，极大地降低了封装应力对加 速度计输出的影响。此外，多个开口 190以及固定指202放置在多个开口 190中提供了电 容传感器180的有意义的电容输出。而且，出于制造的角度，较之上文描述的其他实施例，可以更容易地建立电互连。通常，以上描述的技术要求将悬置锚安置在由最外侧的固定指锚的位置定义的锚 区域中(在Y方向上移位的)。这些位置定义了单轴换能器配置的(Y方向上的)其中将安 置悬置锚的边界，以及双轴换能器配置的(X和Y方向上的)在其中将安置悬置锚的边界。 在单轴配置中，随着锚区域变窄(即，Y方向上的宽度变小)，x对称轴的相对两侧上的悬置 锚将一起移动得更近，直至它们在X对称轴上合并，如图5中所示。因此，本领域技术人员 将认识到，这里描述的特征可以被合并以实现所述电容传感器的各种其他的实施例来降低 其对封装应力的敏感性。例如，图2的固定指锚76以及悬置锚66、68、70和72中的一些可 以移动到Y方向上的中心线，如图5中所示，同时保持它们在X方向上的各自的位置。这里描述的每个实施例包括具有差分电容性换能器的形式的MEMS传感器。这些 实施例包括元件的对称布置以及由固定指锚的位置定义的锚区域的建立。用于可移动元件 的悬置锚位于该锚区域中。这些特征通过有效地消除移位的非线性分量，降低了封装应力 对换能器输出的影响。因此，该差分电容性换能器不易受热引起的封装应力梯度的影响，并 且可以利用常规的制造工艺容易地将其实现为低成本的、紧凑的、单管芯换能器。而且，这 些MEMS传感器不需要使用穹顶涂层或者其他设计用于降低封装应力的特征。尽管已经详细说明和描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域技术人员而言 明显的是，可以在其中进行各种修改而不偏离本发明的精神或者所附权利要求的范围。例 如，MEMS传感器可以适于包括数目不同于所示情形的锚和/或数目不同于所示情形的弹簧 部件。此外，可移动元件可以采用不同于所示出的情形的各种其他的形状和尺寸。1权利要求
1.一种微机电系统MEMS传感器，包括 基板；可移动元件，其以隔开的关系位于所述基板的表面上方，所述可移动元件具有延伸通 过所述可移动元件的多个开口；悬置锚，其形成在所述基板的所述表面上；顺从性部件，其将所述可移动元件与所述悬置锚互连，所述顺从性部件使得所述可移 动元件能够在第一方向上移动；固定指，其被布置为基本上平行对准，所述固定指的对驻留在所述多个开口中的一部 分开口中，所述固定指适于检测所述可移动元件在所述第一方向上的所述移动；以及固定指锚，其形成在所述基板的所述表面上，所述固定指锚中的至少一个耦合到所述 固定指中的每一个固定指以将所述固定指附连到所述基板，所述固定指锚在与所述第一方 向正交的第二方向上的位置定义锚区域，并且所述悬置锚位于所述锚区域中。
2.根据权利要求1所述的MEMS传感器，进一步包括多个悬置锚，其形成在所述基板的所述表面上，并且位于所述锚区域中，前述悬置锚是 所述多个悬置锚中的一个；以及多个顺从性部件，其将所述可移动元件与所述多个悬置锚互连，前述顺从性部件是所 述多个顺从性部件中的一个，所述多个顺从性部件中的每一个呈现出等同的弹簧常数。
3.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中，所述悬置锚是第一悬置锚，并且所述 MEMS传感器进一步包括多个悬置锚，其形成在所述基板的所述表面上，并且位于所述锚区域中，所述多个悬置 锚包括所述第一悬置锚，所述多个悬置锚进一步包括第二、第三和第四悬置锚；以及多个顺从性部件，其将所述可移动元件与所述多个悬置锚互连，前述顺从性部件是所 述多个顺从性部件中的一个，其中所述第一和第三悬置锚从第一对称轴偏移第一距离，并且所述第二和第四悬置锚在所 述第一对称轴的相对的一侧上偏移所述第一距离；以及所述第一和第二悬置锚从第二对称轴偏移第二距离，并且所述第三和第四悬置锚在所 述第二对称轴的相对的一侧上偏移所述第二距离，所述第一和第二对称轴相互正交。
4.根据权利要求3所述的MEMS传感器，其中，所述可移动元件呈现出宽度和长度，所述 第一距离小于所述可移动元件的所述宽度的一半，并且所述第二距离小于所述可移动元件 的所述长度的一半。
5.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中，所述固定指锚包括所述固定指锚的第一部分，其在所述第一方向上基本上彼此对准；以及 所述固定指锚的第二部分，其在所述第一方向上基本上彼此对准，所述第二部分相对 于所述固定指的所述第一部分移位，并且所述第一和第二部分定义所述锚区域。
6.根据权利要求1所述的MEMS传感器，进一步包括多个悬置锚，其形成在所述基板的所述表面上，前述悬置锚是所述多个悬置锚中的一 个；以及多个顺从性部件，其将所述可移动元件与所述多个悬置锚互连，前述顺从性部件是所 述多个顺从性部件中的一个，并且所述多个顺从性部件在与所述第一方向正交的第二方向上是顺从性的，以使得所述可移动元件能够在所述第二方向上移动。
7.根据权利要求6所述的MEMS传感器，其中，所述固定指是第一固定指，所述固定指锚 是第一固定指锚，所述锚区域是第一锚区域，并且所述MEMS传感器进一步包括第二固定指，其被布置为基本上平行对准，所述第二固定指被布置为与所述第一固定 指正交，所述第二固定指的对驻留在所述可移动元件的第二部分所述多个开口中，所述第 二固定指适于检测所述可移动元件在所述第二方向上的所述移动；以及第二固定指锚，其形成在所述基板的所述表面上，所述第二固定指锚中的至少一个耦 合到所述第二固定指中的每一个以将所述第二固定指固定到所述基板，所述第二固定指锚 在所述第一方向上的第二位置定义第二锚区域，所述第一和第二锚区域交叠以形成交叠锚 区域，所述多个悬置锚中的一个位于所述交叠锚区域中。
8.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中，所述多个开口中的第一开口是相对于所 述可移动元件的感测区域的中心对称设置的中心开口，并且所述悬置锚驻留在所述中心处 的所述中心开口中。
9.根据权利要求8所述的MEMS传感器，其中，所述顺从性部件是第一顺从性部件，并且 所述MEMS传感器进一步包括第二顺从性部件，所述第一和第二顺从性部件固定在所述悬 置锚的相对两侧，使得所述第一和第二顺从性部件的各自的纵轴形成通过所述可移动元件 的公共轴。
10.根据权利要求8所述的MEMS传感器，其中，所述悬置锚是第一悬置锚，所述顺从性 部件是第一顺从性部件，并且所述MEMS传感器进一步包括第二悬置锚，其形成在所述基板的所述表面上，并且驻留在所述可移动元件的感测区 域外部；第二顺从性部件，其将所述可移动元件与所述第二悬置锚互连；第三悬置锚，其形成在所述基板的所述表面上，并且驻留在所述可移动元件的所述感 测区域外部；以及第三顺从性部件，其将所述可移动元件与所述第三悬置锚互连，所述第二和第三悬置 锚位于所述锚区域中。
11.根据权利要求10所述的MEMS传感器，其中，所述可移动元件呈现出平行于所述第 一方向的对称轴，所述第一、第二和第三悬置锚和所述固定指锚基本上被对准在所述对称 轴上。
12.根据权利要求10所述的MEMS传感器，其中所述第一顺从性部件呈现出第一弹簧常数；以及所述第二和第三顺从性部件中的每一个呈现出小于所述第一弹簧常数的第二弹簧常数。
13.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中，所述可移动元件呈现出与所述第二方向 正交的对称轴，并且所述固定指被布置为其纵轴与所述对称轴平行对准。
14.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中，所述固定指锚中的多个固定指锚耦合到 所述固定指中的每一个以将所述固定指附连到所述基板，所述固定指锚中的所述多个固定 指锚沿所述固定指中的所述每个固定指均勻分布并且相对于平行于所述第一方向的对称 轴对称安置。
15.一种微机电系统MEMS传感器，包括 基板；可移动元件，其以隔开的关系位于所述基板的表面上方，所述可移动元件具有延伸通 过所述可移动元件的多个开口；多个悬置锚，其形成在所述基板的所述表面上；多个顺从性部件，其将所述可移动元件与所述多个悬置锚互连，所述顺从性部件使得 所述可移动元件能够在第一方向上移动；固定指，其被布置为基本上平行对准，所述固定指的对驻留在所述多个开口的一部分 中，所述固定指适于检测所述可移动元件在所述第一方向上的所述移动；以及固定指锚，其形成在所述基板的所述表面上，所述固定指锚中的至少一个耦合到所述 固定指中的每一个以将所述固定指附连到所述基板，所述固定指锚包括在所述第一方向上 基本上彼此对准的所述固定指锚的第一部分，以及在所述第一方向上基本上彼此对准的所 述固定指锚的第二部分，所述第二部分相对于所述固定指的所述第一部分移位，所述固定 指的所述第一和第二部分定义锚区域，并且所述多个悬置锚位于所述锚区域中。
16.根据权利要求15所述的MEMS传感器，其中，所述多个悬置锚包括第一、第二、第三 和第四悬置锚，其中所述第一和第三悬置锚从第一对称轴偏移第一距离，并且所述第二和第四悬置锚在所 述第一对称轴的相对的一侧上偏移所述第一距离；以及所述第一和第二悬置锚从第二对称轴偏移第二距离，并且所述第三和第四悬置锚在所 述第二对称轴的相对的一侧上偏移所述第二距离，所述第一和第二对称轴相互正交。
17.根据权利要求15所述的MEMS传感器，其中所述多个顺从性部件在与所述第一方向正交的第二方向上是顺从性的以使得所述可 移动元件能够在所述第二方向上移动；所述固定指是第一固定指，所述固定指锚是第一固定指锚，所述锚区域是第一锚区域;以及所述MEMS传感器进一步包括第二固定指，其被布置为基本上平行对准，所述第二固定指被布置为与所述第一固定 指正交，所述第二固定指的对驻留在所述可移动元件的第二部分所述多个开口中，所述第 二固定指适于检测所述可移动元件在所述第二方向上的所述移动；以及第二固定指锚，其形成在所述基板的所述表面上，所述第二固定指锚中的至少一个耦 合到所述第二固定指中的每一个以将所述第二固定指固定到所述基板，所述第二固定指锚 在所述第一方向上的第二位置定义第二锚区域，所述第一和第二锚区域交叠以形成交叠锚 区域，所述多个悬置锚位于所述交叠锚区域中。
18.一种微机电系统MEMS传感器，包括 基板；可移动元件，其以隔开的关系位于所述基板的表面上方，所述可移动元件具有延伸通 过所述可移动元件的多个开口，所述多个开口包括相对于所述可移动元件的感测区域的中 心对称安置的中心开口，并且所述可移动元件呈现出平行于第一方向的对称轴；多个悬置锚，其形成在所述基板的所述表面上，所述多个悬置锚包括驻留在所述中心处的所述中心开口中的第一悬置锚；多个顺从性部件，其将所述可移动元件与所述多个悬置锚互连，所述多个顺从性部件 使得所述可移动元件能够在第一方向上移动；固定指，其被布置为基本上平行对准，所述固定指的对驻留在一部分所述多个开口中， 所述固定指适于检测所述可移动元件在所述第一方向上的所述移动；以及固定指锚，其形成在所述基板的所述表面上的所述对称轴处，所述固定指锚中的至少 一个耦合到所述固定指中的每一个以将所述固定指附连到所述基板，所述固定指锚在与所 述第一方向正交的第二方向上的位置定义锚区域，并且所述多个悬置锚位于所述锚区域 中。
19.根据权利要求18所述的MEMS传感器，其中，所述多个悬置锚包括第二和第三悬置 锚，其形成在所述基板的所述表面上，并且驻留在所述可移动元件的感测区域外部。
20.根据权利要求19所述的MEMS传感器，其中，所述多个顺从性部件包括成对的所述顺从性部件，所述成对的所述顺从性部件中的每个固定在所述第一悬置锚 的相对的侧处，使得所述每个顺从性部件的纵轴形成通过所述可移动元件的公共轴，所述 每个顺从性部件呈现出第一弹簧常数；以及所述多个顺从性部件中的其他顺从性部件将所述可移动元件与所述第二和第三悬置 锚中的相应的悬置锚互连，所述第二和第三悬置锚，所述多个顺从性部件中的所述其他顺 从性部件中的每一个呈现出小于所述第一弹簧常数的第二弹簧常数。
全文摘要
一种微机电系统(MEMS)传感器(52)包括基板(62)，与基板(62)隔开的可移动元件(58)，在基板(62)上形成的悬置锚(66、68、70、72)，以及将可移动元件(58)与悬置锚互连的顺从性部件(74)。该MEMS传感器(52)进一步包括固定指(76)和将固定指(76)附连到基板(62)的固定指锚(78)。可移动元件(58)包括开口(64)。所述悬置锚中的至少一个驻留在多个开口(64)中的至少一个开口中，并且固定指(76)的对(94)驻留在多个开口(64)中的其他开口中。该MEMS传感器(52)是对称形成的，并且固定指锚(78)的位置定义了其中安置悬置锚(66、68、70、72)的锚区域(103)。
文档编号B81B1/00GK102046513SQ200980120339
公开日2011年5月4日 申请日期2009年3月16日 优先权日2008年5月30日
发明者A·A··盖斯伯格, A·C··迈克奈尔, D·N··库瑞, G·G··李 申请人:飞思卡尔半导体公司