用于mems设备的悬浮无源元件的利记博彩app
【专利摘要】一种以减少或消除应变从基板至结构，或者应变至电极和主体的传递以使得变换器为耐应变的传递方式，来机械锚定悬浮电极的MEMS结构的技术将MEMS设备从应变源解耦。该技术包括使用嵌入至传导结构材料中的电绝缘材料以用于机械地耦合和电绝缘。一种装置包括MEMS设备，该MEMS设备包括第一电极和第二电极以及从MEMS设备的基板悬浮的主体。主体和第一电极形成第一静电变换器。主体和第二电极形成第二静电变换器。所述装置包括机械地耦合至主体并与主体电隔离的悬浮无源元件。
【专利说明】用于MEMS设备的悬淳无源元件
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微电子机械系统（MEMS)。
【背景技术】
[0002] 通常，微电子机械系统（MEMS)为非常小的机械设备。典型MEMS设备包括可以被用 于不同应用中的传感器和驱动器，例如，谐振器（例如，振荡器）、温度传感器、压力传感器、 或惯性传感器（例如，加速度或角速度传感器）。机械设备通常具有某些形式的机械运动的 能量并且使用类似于微电子产业中使用的那些制造技术（如使用光刻、沉积、和刻蚀过程） 以微尺度被形成。
[0003] 通常，MEMS变换器在不同形式之间转换能量，例如，静电和机械形式。MEMS变换器 可以被用作将运动转换成电能的传感器（加速计、压力传感器等）和将电信号转换成运动 的驱动器（梳驱动、微镜设备、谐振器）。使用电容变换器的MEMS设备容易制造并且产生低 噪音和低工号传感器和/或驱动器。
[0004] 电容感应是基于检测电容器电容的改变的。如果在电容器两端施加已知电压（例 如MEMS设备电容器两端施加固定的DC电势差），响应于电容器的一个板相对于电容器的 另一个板的运动，由于电容变化引起的电流改变将呈现。类似地，电容驱动是基于MEMS电 容变换器的两个板之间的静电力变化的。例如，DC工作点可以通过将DC偏置电压施加至 电容器两端并施加引起该电容器的板上力的改变的AC电压而被建立。MEMS设备的变换器 是基于生成静电力的变换间隙两端的电压的，或相反地，变换基于由于在变换器输出端生 成电荷变化的位移而引起的间隙变化。变换间隙可以根据环境因素（例如，温度、应变和老 化）而变化，因而关于时间改变电容。这些相同环境因素还可以影响与MEMS设备相关联的 弹簧系数（即，弹簧刚度），其典型地被塑造为质量-弹簧-阻尼器系统。通常，电极电容的 改变通过静电牵引（pulling)影响等效弹簧刚度，该等效弹簧刚度影响MEMS设备的谐振频 率。以需要高精度应用（例如，具有需要在+/_百万分之（ppm) 10的谐振频率规格的谐振 器）为目标的MEMS设备由于环境因素对谐振频率的影响可不以实现目标规格。
[0005] MEMS设备可以被配置为在定时设备中使用的谐振器。该谐振器可以具有各种物理 形状，例如，梁或板。MEMS设备可以具有通过锚附着至基板从该基板悬浮的部分（例如，悬 浮质量（mass)、体、或谐振器）。示例性悬浮质量可以为以下特征但不限于此：梁、板、悬臂、 或音叉。在特定实施方式中，MEMS设备包括两侧有一个或多个驱动电极和一个或多个感应 电极的谐振特征（例如，悬浮质量）。
[0006] 参考图1，传统MEMS设备（例如，MEMS设备100)包括经由锚104耦合至基板102 的谐振器105。在运行期间，电极110静电驱动谐振器105动态地偏转，当通过减小谐振器 105和电极110之间的间隙而在谐振器105和电极110之间存在压差时，这增加了谐振器 105和电极110之间的电容。由于电极110和谐振器105具有相同的高度和厚度，并且位于 相同平面上，当被驱动时，谐振器105在电极110和第二电极111之间的距离上横向变形， 艮P，平行于基板的平面。电极110基本与基板102平行。随着谐振器105和电极111之间的 电容响应于由电极110驱动的偏转而变化时，电极111检测谐振器105的谐振频率。MEMS 设备100通常被称为"面内"或"横向"模式谐振器，因为谐振器105被驱动以以下模式谐 振：谐振器105横向移动（在方向109上）并与电极110保持垂直对齐。
[0007] 参考图2,在示例性MEMS应用中，在振荡器配置中MEMS设备100被耦合至放大器 210。感应电极220基于来自MEMS设备100的震动谐振器的能量传递来提供信号，因而将 机械能转换成电能。通常，在电路不同点处引入的偏置信号确定了电路的工作点并且可以 被预定，增加至AC信号的固定DC电压或电流。MEMS设备100的谐振器接收DC偏置电压， Vmass，该偏置电压通过精密电压参考或偏压发生器206的电压调节器来生成。然而，在其它 实施方式中，偏置信号可以在电极或振荡电路的其它节点处被引入。大反馈电阻器（RF)在 工作的线性区域中偏置放大器210,因而使得放大器210工作为高增益反向放大器。MEMS 谐振器通过将放大器210的输出反馈至MEMS设备100的驱动电极来支持MEMS设备100的 振动。放大器210从感应电极202接收小信号电压并在驱动电极204上生成使得MEMS设 备100的谐振器继续振荡的电压。结合电容C 1和C2的MEMS设备100形成π型网络带通 滤波器，该滤波器在MEMS设备100的谐振频率处提供从驱动电极204至感应电极的180度 相移和电压增益。
[0008] 根据某些MEMS应用（例如，低功率时钟源），可能需要低功率、高Q(即，品质因 数）、稳态、和精确的振荡器。然而，功率、精度和稳定性规格可能难以使用图1的传统MEMS 设备来实现。因此。例如降低或消除影响MEMS设备输出频率的精度和稳定性的因素的MEMS 设备的改进的MEMS设备都是需要的。
【发明内容】
[0009] -种技术通过形成具有悬浮电极的MEMS结构来将微电子机械系统（MEMS)设备从 应变源解耦，所述悬浮电极以一模式机械地锚定，该模式降低或消除从基板至所述结构中 的应变传递或将应变传递至电极和主体以使得变换器为耐应变的。所述技术包括使用嵌入 至导电结构材料中的电气绝缘材料以用于机械地耦合和电隔离。
[0010] 在本发明的至少一个实施方式中，一种装置包括MEMS设备，该MEMS设备包括第一 电极和第二电极，以及第一电极和第二电极及从MEMS设备的基板悬浮的主体。主体和第一 电极形成第一静电变换器。主体和第二电极形成第二静电变换器。所述装置包括机械地耦 合至主体并与主体电隔离的悬浮无源元件。悬浮无源元件可以为悬浮电阻器，该悬浮电阻 器包括附着至电绝缘材料部分的蛇纹结构材料。所述装置可以包括电路，该电路包括悬浮 电阻器并被配置成检测MEMS设备的温度变化。所述装置可以包括电路，该电路包括悬浮电 阻器并被配置成调节MEMS设备的温度。悬浮无源元件可以电耦合至主体的中心梁。悬浮 无源元件可以为机械地耦合至主体并与该主体电隔离的悬浮感应器。悬浮感应器可以包括 附着至电绝缘材料部分的平面螺旋结构材料部分。
[0011] 在本发明的至少一个实施方式中，制造一种装置的方法，包括形成MEMS设备，该 MEMS设备包括第一电极和第二电极及从MEMS设备的基板悬浮的主体。主体和第一电极形 成第一静电变换器。主体和第二电极形成第二静电变换器。该制造方法包括形成机械地耦 合至主体并与主体电隔离的悬浮无源元件。悬浮无源元件可以为悬浮电阻器，该悬浮电阻 器包括附着至电绝缘材料部分的蛇形结构材料部分。形成MEMS设备可以包括形成嵌入至 结构层的电绝缘体材料。形成悬浮无源元件可以包括释放结构层。该方法可以包括形成电 路部分，该电路部分被配置成使用悬浮无源元件检测MEMS设备的温度变化。所述方法包括 形成电路部分，该电路部分被配置成使用悬浮无源元件调节MEMS设备的温度。悬浮无源元 件可以为悬浮感应器，该感应器机械地耦合至主体并与该主体电隔离。悬浮无源元件可以 机械地耦合至主体的中心梁。悬浮无源元件可以由具有低电阻率的结构材料形成。悬浮感 应器可以包括附着至电绝缘材料部分的平面螺旋结构材料部分。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 通过参考附图本发明可以更好的被理解，并且其多个目的、特征、和优点被呈现给 本领域技术人员。
[0013] 图1不出包括面内谐振器的传统MEMS设备；
[0014] 图2示出被配置为振荡器的MEMS设备的电路图；
[0015] 图3示出根据本发明的至少一种实施方式在释放结构层来形成悬浮部分之前 MEMS结构的示例性横截面图；
[0016] 图4A示出塑造典型MEMS变换器的图示；
[0017] 图4B示出根据本发明至少一种实施方式的塑造具有悬浮电极和悬浮谐振器的 MEMS变换器；
[0018] 图4C示出根据本发明至少一种实施方式塑造具有悬浮电极和在耦合的电极配置 中的悬浮谐振器的MEMS变换器；
[0019] 图5示出根据本发明至少一种实施方式的具有悬浮电极和在耦合的电极配置中 的悬浮谐振器的MEMS变换器的平面图；
[0020] 图6A-6D不出根据本发明至少一种实施方式的具有悬浮电极和在f禹合的电极配 置中的悬浮谐振器的图5的MEMS变换器的各种特征；
[0021] 图6E示出在根据本发明至少一种实施方式的具有悬浮电极和在耦合的电极配置 中的悬浮谐振器的图5的MEMS变换器应力消除后的静态偏转；
[0022] 图7A示出不具有悬浮电极的动态振型的高频MEMS变换器；
[0023] 图7B示出不具有图7A的悬浮电极的高频MEMS变换器的平面图；
[0024] 图8A和8B示出根据本发明至少一种实施方式的具有悬浮电极的高频MEMS变换 器的平面图；
[0025] 图9示出根据本发明至少一种实施方式的被耦合的电极设备；
[0026] 图IOA和IOB示出根据本发明至少一种实施方式的悬浮电阻器设备；
[0027] 图IOC示出根据本发明至少一种实施方式的具有侧电极的电阻器设备和MEMS变 换器；
[0028] 图11示出根据本发明至少一种实施方式的包括被配置成集成加热器的悬浮无源 元件的电路；
[0029] 图12示出根据本发明至少一种实施方式的包括悬浮无源元件和温度感应电路的 电路；
[0030] 图13示出根据本发明至少一种实施方式的悬浮螺旋感应器。
[0031] 不同附图中相同参考符号的使用表示类似或相同项。 【具体实施方式】
【权利要求】
1. 一种装置，该装置包括： 微电子机械系统MEMS设备，该MEMS设备包括： 第一电极和第二电极；及 从所述MEMS设备的基板悬浮的主体，该主体和所述第一电极形成第一静电变换器，并 且所述主体和所述第二电极形成第二静电变换器；以及 悬浮无源元件，机械地耦合至所述主体并与所述主体电隔离。
2. 根据权利要求1所述的装置，其中所述悬浮无源元件为悬浮电阻器，该悬浮电阻器 包括附着至电绝缘材料部分的蛇形结构材料部分。
3. 根据权利要求1所述的装置，其中所述装置还包括： 包括所述悬浮电阻器的电路，该电路被配置成检测所述MEMS设备的温度变化。
4. 根据权利要求2所述的装置，该装置还包括： 包括悬浮电阻器的电路，该电路被配置成调节所述MEMS设备的温度。
5. 根据权利要求1所述的装置，其中所述悬浮无源元件被机械地耦合至所述主体的中 心梁。
6. 根据权利要求1所述的装置，其中所述悬浮无源元件为悬浮感应器，该悬浮感应器 机械地耦合至所述主体并与所述主体电隔离。
7. 根据权利要求6所述的装置，其中所述悬浮感应器包括附着至电绝缘材料部分的平 面螺旋结构材料部分。
8. 根据权利要求1所述的装置，该装置还包括： 温度补偿结构，电气地且机械地耦合至所述主体，其中所述温度补偿结构包括： 从所述基板悬浮的第一梁，该第一梁由具有第一杨氏模量温度系数的第一材料形成； 从所述基板悬浮的第二梁，该第二梁由具有第二杨氏模量温度系数的第二材料形成； 从所述基板悬浮的路由弹簧，该路由弹簧被耦合至所述第一梁和所述第二梁，所述路 由弹簧由所述第二材料形成并本质上具有的柔度比所述第一梁的柔度或所述第二梁的柔 度大。
9. 一种制造装置的方法，该方法包括： 形成微电子机械系统MEMS设备，该微电子机械系统设备包括： 第一电极和第二电极；及 从所述MEMS设备的基板悬浮的主体，该主体和所述第一电极形成第一静电变换器，并 且所述主体和所述第二电极形成第二静电变换器；以及 形成悬浮无源元件，该悬浮无源元件机械地耦合至所述主体并与所述主体电隔离。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中所述悬浮无源元件为悬浮电阻器，该悬浮电阻器 包括附着至电绝缘材料部分的蛇形结构材料部分。
11. 根据权利要求9所述的方法， 其中形成所述MEMS设备包括使用所述基板形成结构层；以及 其中形成所述悬浮无源元件包括形成嵌入至所述结构层中的电绝缘体材料。
12. 根据权利要求11所述的制造装置的方法，其中形成所述悬浮无源元件包括释放所 述结构层。
13. 根据权利要求9所述的方法，该方法还包括： 形成电路部分，该电路部分被配置成使用所述悬浮无源元件检测所述MEMS设备的温 度变化。
14. 根据权利要求9所述的方法，该方法还包括： 形成电路部分，该电路部分被配置成使用所述悬浮无源元件调节所述MEMS设备的温 度。
15. 根据权利要求9所述的方法，其中所述悬浮无源元件为悬浮感应器，该悬浮感应器 被机械地耦合至所述主体并与所述主体电隔离。
16. 根据权利要求9所述的方法，其中所述悬浮无源元件被机械地耦合至所述主体的 中心梁。
17. 根据权利要求9所述的方法，其中所述悬浮无源元件由具有低电阻率的结构元件 形成。
18. 根据权利要求9所述的方法，其中所述悬浮感应器包括附着至电绝缘材料部分的 平面螺旋结构材料部分。
19. 根据权利要求9所述的方法，其中形成所述MEMS设备还包括： 形成温度补偿结构，该温度补偿结构电气地且机械地耦合至所述主体，其中所述温度 补偿结构包括： 从所述基板悬浮的第一梁，该第一梁由具有第一杨氏模量温度系数的第一材料形成； 从所述基板悬浮的第二梁，该第二梁由具有第二杨氏模量温度系数的第二材料形成； 从所述基板悬浮的路由弹簧，该路由弹簧被耦合至所述第一梁和所述第二梁，所述路 由弹簧由所述第二材料形成并本质上具有的柔度比所述第一梁的柔度或所述第二梁的柔 度大。
【文档编号】B81B7/02GK104229721SQ201410247128
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年6月5日 优先权日:2013年6月5日
【发明者】艾曼纽尔·P·奎芙, 丹尼尔·N·小库瑞 申请人:硅谷实验室公司