单片体mems设备的利记博彩app

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【专利摘要】一种以减少或消除应变从基板至结构的传递方式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，悬浮电极以一方式机械锚定，该方式减少或消除应变从基板至结构的传递，或应变至电极和主体的传递以使得变换器为耐应变。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。
【专利说明】单片体MEMS设备

【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不可以实现目标规格。
[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， ，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q和C 2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] 一种技术通过形成具有悬浮电极的MEMS结构来将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设备包括从基 板悬浮的主体。MEMS设备包括从基板悬浮的第一电极。该第一电极和主体形成第一静电变 换器。MEMS设备包括从基板悬浮的第二电极。该第二电极和主体形成第二静电变换器。第 一电极和第二电极机械地耦合至主体。主体、第一电极、和第二电极可以为使用基板形成的 结构层中形成的共面结构。MEMS设备可以包括将第一电极、第二电极和主体机械地耦合至 基板的锚。所述锚可以包括彼此机械地耦合并彼此电隔离的第一锚部分、第二锚部分和第 三锚部分。所述锚可以包括用于限定第一电极、第二电极和主体部分的电绝缘体部分。所 述锚可以包括形成第一电极、第二电极和主体部分的电导体部分。所述装置可以包括机械 地耦合至主体并与主体电隔离的悬浮的无源元件。MEMS设备可以包括电气地和机械地耦合 至主体的温度补偿结构。温度补偿结构可以包括从基板悬浮的第一梁，该第一梁由具有第 一杨氏模量温度系数的第一材料形成。温度补偿结构可以包括从基板悬浮的第二梁。该第 二梁可以由具有第二杨氏模量温度系数的第二材料形成。温度补偿结构从基板悬浮的路由 弹簧。该路由弹簧可以被耦合至第一梁和第二梁。路由弹簧可以由第二材料形成并且具有 的柔量本质上比第一梁的柔量或第二梁的柔量大。 toon] 在本发明的至少一个实施方式中，制造一种装置的方法，包括形成包括从基板悬 浮的主体的MEMS设备。该MEMS设备包括从基板悬浮的第一电极。该第一电极和主体形成 第一静电变换器。MEMS设备包括从基板悬浮的第二电极。该第二电极和主体形成第二静电 变换器。第一电极和第二电极机械地耦合至主体。该制造方法可以包括形成机械地耦合至 主体并与主体电隔离的悬浮的无源元件。形成MEMS设备还可以包括形成电气地或机械地 耦合至主体的温度补偿结构。该温度补偿结构可以包括从基板悬浮的第一梁。该第一梁可 以由具有第一杨氏模量温度系数的第一材料形成。温度补偿结构可以包括从基板悬浮的第 二梁。该第二梁可以由具有第二杨氏模量温度系数的第二材料形成。温度补偿结构可以包 括从基板悬浮的路由弹簧。该路由弹簧可以由第二材料形成并且具有的柔量本质上比第一 梁的柔量或第二梁的柔量大。

【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挠度；
[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示出不具有悬浮电极的高频MEMS变换器的平面试图；
[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10A和10B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10C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] 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】
[0029] 回顾图1，MEMS设备100可以被塑造为具有谐振频率^的弹簧系统，其 中k为表示弹簧刚度的常量，m为谐振器的质量，以及&为谐振器频率。通常，品质因数ρ 表征相对于中心频率谐振器的带宽。品质因数可以被表示为9 = 2π?>/γ，其中，γ为阻 尼系数（例如，由于质量（mass)周围腔中的流体而导致的）。较高β指示能量损耗相对于 谐振器的存储能量的较低比率，即，振荡较慢地消失。具有较高Q的振荡器以较高振幅但围 绕较小带宽上频率的小范围频率来谐振。为了实现高精度、低功率谐振器，可以期望高质量 以使得设备能够具有高刚度。如果Q的其它相关参数保持不变，则增加质量m增加了谐振 器的品质因数。为了保持特定谐振频率，m的增加需要k的相应增加。对于特定MEMS应用 的其它设计目标可以包括低频工作（例如，f〇< 1MHz)和对于MEMS振荡器的外壳的冲击不 敏感性。高刚度降低了对谐振器电压的敏感性并降低了工作的非线性。然而，影响变换器 线性度和机械刚度的设备特征可以通过环境变化而被改变，环境变化可以影响响应于老化 和温度变化的频率的初始精度和频率稳定性。
[0030] 图1典型的MEMS由可自由移动的直立（standing)主体和一个或多个电极制成， 所有电极可以具处于不同的电位。电极和主体的集合形成电子机械变换器。由电极和质量 形成的静电变换器受到如温度变化和机械刚度的环境因素的影响，环境因素影响静电变换 器性能并转而影响整个MEMS的关键性能，如初始精度。典型MEMS设备使用用于电极和可 移动质量的两个单独主体。通常，这些主体彼此分别锚定并因此，在两个之间（具有宽度d) 形成的变换器间隙可能受到源自结构层的残余应力、结构层（例如，SiGe)和基板（例如， Si)之间热膨胀系数的不匹配、和/或来自封装应力（这些通常将随温度并可能随时间变化 (例如，压力松弛）的应变的影响。
[0031] 变换器性能的这种变化影响电子机械行为并且可以以由于谐振器应用中的应变 或惯性传感器应用中的加速度偏移和敏感性而引起的频率变化来显示其自身以及可以限 制MEMS系统的性能或公差。例如，在典型MEMS谐振器应用中，MEMS振荡器可以被校准仪 在室温和超温是符合+/-百万分之（ppm) 10、20、或50。如果变换器对应变是敏感的，则由 于焊料回流或温度变化导致的封装应变变化将修改变换器的静电力，这影响设备的谐振频 率。由于应变变化引起的频率变化可能导致MEMS谐振器不能符合目标规格。
[0032] 理想地，为了降低应变对MEMS设备的影响，电极锚和谐振器锚可以尽可能地彼此 接近放置。如这里所指的，锚是将第一结构的部分机械地耦合（例如，锚定、固定、锁扣、接 合、连接、或附着）至第二结构的部分的结构。机械地耦合的第一结构的部分和第二结构的 部分具有受限运动。在传统MEMS设备中，将电极锚和谐振器锚定位在基板上的相同位置通 常不是可行的。因此，MEMS设备的电极锚和谐振器锚被极为贴近地（例如，由目标制造过 程的设计约束条件（例如，设计规则）所允许的最近距离）放置以降低对MEMS设备的应变 影响的MEMS设备的敏感性。MEMS设备的变换器经常是基于变换间隙两端的压差（即。质 量和电极之间的电压差，的。例如，示例性MEMS设备的变换间隙由谐振器的电容梳指 (capacitive fingers)和相应的电极的电容手指之间的距离来定义，所述距离可以是相等 的。那些距离可以根据应变变化，引起MEMS设备的电容变换的改变并因而引起谐振频率的 改变。
[0033] -种技术通过形成具有悬浮电极的MEMS结构来将MEMS设备的变换器从应变源解 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（例如，通过使用一个或多个中心锚结构），或将应变传递至电极和主体二者以使得变换 器为耐应变的。所述技术包括使用嵌入至导电结构材料（例如，SiGe)中的电气绝缘材料 (例如，Si0 2)以用于机械地耦合和电隔离。如这里所指的，结构层是一层特殊材料，该特殊 材料后来被模式化并至少部分地被释放以形成至少一自由机械移动或向基板表面在至少 一个方向中偏转的部分。如这里所指的，结构或结构层部分的释放使得结构或结构层部分 解放具有自由机械移动或关于基板在至少一个方向平面中偏转的部分。释放层是一层材 料，当移动时，该材料释放至少一部分结构或一部分结构层。释放通常朝着制造结束时发生 以保持释放结构的完整性。
[0034] 嵌入的电绝缘材料还可以被用于MEMS设备的温度补偿，这在2007年3月9日 提交的、2009 年 9 月 29 日公布的、名称为 "Method for Temperature Compensation in MEMS Resonators with Isolated Regions of Distinct Material" 的美国专利 No. 7, 639, 104(发明人名称为Emmanuel P.Quevy等）中被描述，其通过引用被合并于此。 嵌入的电绝缘材料可以被用于结构层的电绝缘特定区域。当保持连续（即，单片式）机械主 体的同时，嵌入的电绝缘体可以被用于通过结构层路由不同信号。尽管所述技术使用二氧 化硅被描述，但是其他电绝缘材料可以被使用，用于形成电绝缘材料结构（例如，嵌入的二 氧化硅缝（slit))的技术在美国专利No. 7, 639, 104和在2007年3月9日提交的、2009年 4月 7 日公布的、名称为 "IC-Compatible MEMS Structure" 的美国专利No. 7,514,760(发 明人名称为Emmanuel P.Quevy)中被描述，其通过引用被合并于此。
[0035] -个或多个嵌入的电绝缘体缝可以被用于路由信号并同时执行电的、热的和机械 功能。在MEMS设备的至少一个实施方式中，嵌入的绝缘体材料被用于形成单片式的MEMS设 备，该单片式的MEMS设备包括自参照的变换器间隙，S卩，电极和可移动主体机械地耦合以 一起移动，从而降低环境应变的影响。在使用嵌入的绝缘体材料形成的MEMS设备的至少一 个实施方式中，电极为可移动主体的部分并有助于振型。在使用嵌入的绝缘体材料形成的 MEMS设备的至少一中实施方式中，电极为可移动主体并且有助于主体与电极的相对位移。 因此，那些MEMS设备可以拥有具备较高性能（例如随面积的较高信噪比）的更紧凑设计。 此外，嵌入的电绝缘体材料缝技术允许相同结构层中各自信号的路由。
[0036] 参考图3,实现高Q工作的示例性MEMS设备使用形成从基板悬浮的主体和电极 结构的技术来制造。可以被用于生成MEMS设备的制造技术在2007年3月9日提交的、 名称为 "IC-Compatible MEMS Structure"、发明人名称为 Emmanuel P.Quevy 的美国专利 Νο·7, 514, 760 和在 2011 年3 月 30 日提交的、名称为"Technique for Forming a MEMS Device"、发明人名称为Emmanuel P. Quevy等的美国专利申请No. 13/075, 800和在2011 年 3 月 30 日提交的、名称为 "Technique for Forming a MEMS Device Using Island Structures"、发明人名称为Emmanuel P. Quevy等的美国专利申请No. 13/075, 806中被描 述，这些专利通过引用被合并于此。例如，结构层302包括结构部分304和306,结构部分 304和306电隔离但是使用绝缘氧化物308彼此机械地耦合。当结构材料释放时，结构部分 304和306从基板312悬浮。结构部分使用电触点结构314、316、和318电耦合至电区域。 信号可以使用嵌入的绝缘体部分被路由，同时保持连续（即，单片式）机械主体，如以下进 一步论述的。
[0037] 参考图4A，典型的静电变换器包括锚定至基板420的可移动质量402和锚定至 基板420的可移动电极。静电变换器具有变换器间隙d、谐振器电极电压、谐振器电极 电容CM，并具有如下的效率：：Γ = ?，生，其中= -，并且^^| ◎ K+ dx dt dfx 办 i.v..。 4 由于应变等引起的频率变化导致爲@ = /meeft * - /i(d)F2的谐振频率，其中频率精度的 应变依赖性（根据残余应力和热应力）为= f 由于应变引起的频率偏移为： d〇 4 {δε)?；· 频率控制应用可以通过降低或消除由于应变引起的频率变化 / 2 ι-β?α0).ν ' 和/或降低或消除设备变换器传递的应变来试图降低或消除频率偏移。
[0038] 参考图4Β，悬浮电极（由耦合至弹簧阻尼器系统的板422代表）和悬浮主体（由耦 合至弹簧阻尼器系统的质量424代表）配置引起变换器间隙d，该间隙d仅取决于电极和主 体之间的拓扑失配。悬浮电极和主体被电隔离并且通过机械悬浮408中的电绝缘材料406 机械地耦合。拓扑失配（例如，电极和主体由于应变失配）可以通过设计剪裁（tailor)或 去掉（null)。参考图4C，在耦合的电极谐振模式中，每个电极为谐振主体并被机械地耦合 至其它电极以实现目标谐振振型。电极被电隔离并使用机械悬浮412中的电绝缘材料410 进行机械地耦合。
[0039] 图5示出具有悬浮电极和悬浮主体（即，谐振器或质量）低频谐振器的示例性实 施方式。低频谐振器通常对于由于应变引起的频率偏移是敏感的，这是由于他们的低刚度。 MEMS设备500包括梳驱动变换器，该梳驱动变换器在某些应用中被使用以根据位移改善电 容的线性度。MEMS设备500的电极和谐振器包括电导梳结构，该电导梳结构包括互锁但不 接触的电极齿（teeth)行（rows)、主体齿行。主体和电极面内纵向移动。然而，于此描述的 技术可以适用于包括平行板变换器和/或其中主体和/或电极面外移动的那些的MEMS设 备的实施方式。
[0040] 仍旧参考图5,在MEMS设备500中，悬浮梁510和513包括延伸通过主体502的 中心锚504的信号路由。主体502包括折叠（fold)梁弹簧。可替代地，由不同材料制成的 悬浮梁可以被物理地和机械的平行配置，代替示出的具有机械地串联单物理地并联的悬浮 梁的折叠弹簧。在可替代的情形中，无需信号路由部分。主体中心中的中心锚504的位置 降低了机械应力至振动结构的传递。中心锚504为单片式结构，包括多个机械地耦合部分。 然而，中心锚504被分割成多个电隔离部分（例如，包括触点503、505、507、509和511以 分开第一电极、主体、和第二电极的电区域，下面参考图6A-6C进一步描述）。回顾图5,每 个MEMS设备500的主体的区域的相对大质量对于给定频率增加了折叠梁的刚度，与对于相 同目标频率具有较小质量的MEMS设备相比因而减少由于应变引起的频率变化。MEMS设备 500的主体502还包括嵌入的电绝缘体材料缝522,来匹配悬浮梁的静挠度以便一旦残余应 力在整个结构中被解除对齐个体变换器表面，下面进一步论述。应该注意到，在图5中，电 绝缘材料使用画阴影线来阴影化，而电导材料使用点阴影化。例如电极齿和主体齿之间的 未阴影化的间隙可以包含空气或其它流体。
[0041] 参考图5和6A至6E，阐述MEMS设备500的各种特征。参考图6A，主体502的电 导部分经由中心锚504的触点503耦合至第一电区域。主体502通过在中心锚504和主体 502末端之间延伸的悬浮梁512和513从基板悬浮。图6A中MEMS设备500的阴影线区域 表示耦合至第一电区域的MEMS设备500的那些部分，MEMS设备500的其它部分（电导和 电绝缘）使用点表示，并且例如电极齿和主体齿之间的为阴影化的间隙可以包含空气或其 它流体。回顾图5,悬浮梁512和513的传导部分通过嵌入至悬浮梁512和513中的电绝缘 材料（由图5招工阴影表示）被圈定为第一电区域部分。悬浮梁512和513的其它部分通 过嵌入的电绝缘材料与第一电区域电隔离。主体502包括传导指结构，该传导指结构与电 极的传导指结构指叉以形成梳驱动变换器。
[0042] 参考图6B，MEMS设备500的第一电极经由中心锚504的触点505和507被耦合至 第二电区域。第一电极的部分通过在中心锚机构和主体末端之间延伸的悬浮梁512从基板 悬浮。图6B中MEMS设备500的阴影线部分表示MEMS设备500的耦合至第二电区域的那 些部分，MEMS设备500的其它部分（电导和电绝缘）使用点表示，并且例如电极齿和主体 齿之间的未阴影化的间隙可以包含空气或其它流体。回顾图5,悬浮梁512包括通过嵌入至 悬浮梁512中的电绝缘材料515限定为第二电区域的传导部分。然而，悬浮梁512的其它 部分通过嵌入的电绝缘材料与第二电区域电隔离。第一电极包括传导指结构，该传导指结 构与主体502的传导指结构指叉以形成梳驱动变换器。
[0043] 参考图6C，MEMS设备500的第二电极经由中心锚504的触点509和511被耦合至 第三电区域。第二电极的部分通过在中心锚机构和主体末端502之间延伸的悬浮梁513从 基板悬浮。图6C中MEMS设备500的阴影线部分表示MEMS设备500的耦合至第三电区域 的那些部分，MEMS设备500的其它部分（电导和电绝缘）使用点表示，并且例如电极齿和 主体齿之间的未阴影化的间隙可以包含空气或其它流体。回顾图5,悬浮梁513包括通过嵌 入至悬浮梁513中的电绝缘材料515限定为第三电区域的传导部分。然而，悬浮梁513的 其它部分通过嵌入的电绝缘材料与第三电区域电隔离。第二电极包括传导指结构，该传导 指结构与主体502的传导指结构指叉以形成梳驱动变换器。
[0044] 仍旧参考图5, MEMS设备500包括折叠梁结构。如上所述，MEMS设备500包括悬 浮梁512和513中的电绝缘材料部分（由图5中阴影线表示），以允许单独信号至主体和电 极的路由。那些电绝缘材料部分可以影响悬浮梁的应变梯度。如果悬浮梁和主体之间的应 变梯度不匹配，则那些电绝缘材料部分可能引起悬浮梁关于主体不同地卷曲，导致梳驱动 变换器的变换器间隙处电极和主体的不对准，因而降低变换器的效率。参考图5和图6E， 为了补偿由于MEMS设备500的悬浮臂中电绝缘体材料引起的应变梯度关于主体的变化，主 体502包括嵌入的电绝缘体材料缝522。那些电绝缘体材料缝具有将主体应变梯度与悬浮 梁应变梯度匹配的几何图形。由于MEMS设备500的该设计特征，包括电极的MEMS设备500 的部分的静挠度在面外方向与主体的静挠度匹配，如图6E的静挠度图所示。
[0045] 参考图7A和7B，MEMS设备700为包括具有多个锚的悬浮质量但不具有悬浮电极 的示例性高频谐振器。图7A的位移轮廓示出基本形状结构的目标振型。每个电极712、714、 716和718通过多个锚单独锚定至基板，所述锚包括对应于电区域的触点。板变换器702通 过包括中心锚720和板每个角处的锚722的5点锚定技术而被单独锚定至基板。每个角锚 包括解耦弹簧724和至相应区域的电连接。
[0046] 图8A和8B示出包括使用电绝缘材料部分806彼此机械地耦合的悬浮主体和悬浮 电极的示例性高频MEMS设备800。板谐振器802通过中心锚被锚定至基板，中心锚也包括 至第一电区域的电触点。四个角锚使用电绝缘材料部分机械地耦合至板谐振器802,但是 通过电绝缘材料部分与板谐振器802电隔离。每个角锚将电区域电耦合至被机械地耦合至 该锚的电极中的一个（例如，电极816)。每个角锚还包括电绝缘材料部分808,该电绝缘材 料部分808将该电区域与机械地耦合至该锚的另一电极电（例如，电极818)隔离。因而， MEMS设备800的设计减小或消除由于应变引起的频率变化。
[0047] 上述技术可以被应用至其他类型的MEMS设备。电极可以被悬浮在基板之上并关 于悬浮谐振器梁机械引用以减小由于应变引起的频率变化。参考图9,弯曲设备包括悬浮电 极梁902和悬浮电极梁906之间的悬浮主体梁904。与可以被塑造为具有固定电极的图4B 的系统的MEMS设备500、700和800不同，MEMS设备900包括一起振动（即，一起形成振动 模式）的主体和电极。在MEMS设备900中，悬浮电极梁902和906为结合悬浮主体梁904 的类音叉结构，同时形成谐振器和变换器。这种梁结构可以在陀螺仪和低频定时结构中使 用。悬浮主体梁904和悬浮电极梁902和906通过电绝缘材料部分908电隔离和机械地耦 合。任何基板应变引起电极一起移动。因此电极是自引用的并且MEMS设备900是应变不敏 感的。每个梁与不同电区域相关联，但是彼此机械地耦合。电绝缘材料部分908机械地耦 合悬浮主体梁904与悬浮电极梁902和906。路由信号918传送通过电绝缘材料部分908 并将悬浮主体梁904耦合至锚910和912,锚910和912通过解耦弹簧914和916从悬浮 主体梁904机械解耦以减小应变从基板传递至悬浮主体梁904并包括至相应电区域的电触 点。与传统MEMS结构不同，MEMS设备900的电极梁和主体梁一起振动并且与传统MEMS设 备相比设备900具有降低的应变敏感度，因为由于应变引起的任何运动将使得电极梁和主 体梁以相似方式移动。尽管机械地耦合和电绝缘的电极和主体结构针对弯曲设备被阐述， 但是于此描述的技术可以适于大部分声模设备（bulk acoustic mode device),其中电绝 缘材料结构可以被设计为振型（mode shape)。
[0048] 回顾图5和6D，在至少一种实施方式中，MEMS设备500包括多个温度补偿结构，该 多个温度补偿结构的部分在图6D中被阴影线绘制。单个温度补偿结构包括根据温度（即， 不同杨氏模量温度系数）具有不同刚度变化的独立梁。在温度补偿结构的至少一种实施方 式中，形成梁508的第一材料具有与形成梁506的第二材料不同的杨氏模量温度系数。第 一材料的杨氏模量温度系数仅仅需要在MEMS设备的工作范围上与第二材料的不同。在典 型工作范围（例如，约40°C至约85°C或约-55°C至约125°C )上具有与第一材料不同的杨 氏模量温度系数任何材料可以被用作第二材料。在温度补偿结构的至少一种实施方式中， 第二材料具有负的杨氏模量温度系数，而第一材料具有正的杨氏模量温度系数。在温度补 偿结构的至少一种实施方式中，梁弹簧508由结构材料形成，该结构材料可以为半导体，诸 如但不限于硅（Si)、锗（Ge)、及SiGe合金，并且梁弹簧506由电绝缘材料形成，该电绝缘材 料可以为Si0 2并且在图5和6D中通过画影线来表示。应该注意二氧化硅具有随温度增加 变得更硬的不寻常性质。在温度补偿结构的其他实施方式中，梁弹簧506由其他材料形成， 所述其他材料可以具有正的或负的杨氏模量温度系数。
[0049] 温度补偿结构可以包括路由弹簧510,该路由弹簧510控制温度补偿结构的电行 为。也就是说，路由弹簧510为由结构材料形成的蛇形结构并且用于将主体电耦合至中心 锚的电区域。路由弹簧510具有比梁弹簧506和梁弹簧510高许多的柔度。因此路由弹簧 510本质上不受机械行为影响但是控制温度补偿结构的电行为。梁弹簧506和梁弹簧508 具有比路由弹簧510高的刚度并且因而控制温度补偿结构的机械行为。应该注意梁弹簧可 以串联或并联机械地耦合以形成支持可移动主体的弹簧，并且梁弹簧和路由弹簧可以具有 其他几何结构。温度补偿结构被有选择地放置在MEMS设备500的特定区域并且梁弹簧506 和508设定尺寸以修改依赖于MEMS设备其他性能（例如，谐振器振型）的MEMS设备500 的温度响应（例如谐振器频率的温度系数）。
[0050] 与使用由任一侧上的硅锗环绕或由硅锗条环绕的二氧化硅条的其它温度补偿技 术相比，这种方法可以简化设计。双梁技术还可以本质上减少两种材料之间的接合量。硅 锗-二氧化硅接合可能引入不期望的影响，诸如局部属性变化及机械弱点和应力集中的生 成。具有分离弹簧部分有利于将结构弱点和应力集中特征移动至较不关键位置。用于温度 补偿的分离两方式可以降低热弹性能量损耗并因而降低硅锗-二氧化硅接合处的阻尼，从 而增加谐振器的品质因数，品质因数是短期稳定性的度量。分离梁技术还可以通过允许独 立选择二氧化硅和硅锗梁尺寸来改善设计的灵活性，因而，扩大设计空间有利于实现在任 何特定频率处的温度补偿。与使用其它材料环绕氧化物条的温度补偿技术不同，双梁技术 可以很容易地用于补偿使用细长弯曲梁的MEMS设备（例如，惯性传感器）中温度变化的影 响。此外，双梁技术对于某些制造容差具有较低的敏感性，例如，二氧化硅至硅锗的形态对 准。
[0051] 参考图10A和10B，嵌入在MEMS结构层中的电绝缘体材料被用于形成机械地耦合 至谐振器中心梁的悬浮电阻器1002。嵌入的电绝缘体痕迹1006和1007电隔离且机械地耦 合结构材料痕迹的蛇形部分以形成悬浮电阻器1002和1003。悬浮电阻器1002和1003分 别通过触点1008和1010以及触点1012和1014机械锚定至基板。触点1008和1010及触 点1012和1014分别用作悬浮电阻器1002和1003的电端子。
[0052] 悬浮电阻器1002和/或1003可以被配置以保持不变否则通过调节主体1020中 的功耗来调节MEMS设备1000的温度。电阻器从基板悬浮改善了热绝缘并且与嵌入至基板 中的加热器相比使用相对小的热质量。需要较小热质量来通过保持低的加热电流进行晶圆 级校准实用。悬浮电阻器允许具有相对小的热质量的谐振器的片（chip)上、晶圆级校准。
[0053] 在MEMS设备1000的另一实施方式中，悬浮电阻器1002和/或1003热耦合至MEMS 设备1000并被配置成表征MEMS设备1000的温度响应。例如，悬浮电阻器1002和1003可 以被用作桥温度传感器的温度传感器元件（二即，热敏电阻器）。主体1020的温度变化将 通过由结构材料（例如，SiGe)的电阻的温度系数（TCR)表征的量引起悬浮电阻器1002和 1003的电阻的相应变化。该温度变化可以基于电阻器两端的压降、预定义温度时的预定义 电阻值和结构材料的TCR来确定。当用作温度传感器时，悬浮电阻器技术允许感应元件接 近具有其感应的和/或补偿的温度的元件（例如，MEMS谐振器1000)的布置。经由电绝缘 材料部分将电阻器机械地耦合至设备的中心梁，这降低了关于温度测量的应变的影响。这 种布置降低了热梯度和关联的温度测量误差，这获得了与其它传感器相比在温度上更加准 确的传感器并且测量其关注的温度，即，需要补偿温度偏移的设备位置处的温度。
[0054] MEMS设备1000为可以被配置成使用扭振模式或弯曲模式生成目标频率的示例性 晶格（lattice)变换器。MEMS设备1000包括由基板悬浮的晶格梁形成的主体1020。主体 1020通过锚1016和1018锚定至基板，锚1016和1018通过解耦弹簧耦合至主体1020。锚 1016和1018还提供至主体1020的电触点。主体1020的晶格梁形成实质上正方形晶格口， 该正方形晶格口围绕但不接触锚定至基板的相应电极。每个实质上正方形晶格口沿着口的 周长和实质上正方形电极1002的周长形成变换器间隙。应该注意晶格口周长和电极周长 具有增加变换器面积的不同周长。然而，晶格口周长和电极周长具有其他几何结构。如所 述的MEMS设备1000在中心锚1016和1018的每一侧上包括十八个变换器，但是变换器的 数量仅仅是示例性的并且可以根据应用改变。
[0055] 虽然在包括晶格变换器的实施方式中阐述了悬浮无源元件技术，但是悬浮无源元 件技术可以被结合至具有任何类型变换器和/或具有机械地耦合的电极和主体的MEMS设 备（例如，MEMS设备500)中。例如，图10C示出包括梁1038和1040及侧电极1030、1032、 1034和1036的实施方式中的悬浮无源电阻器。此外，虽然上述技术阐述了使用嵌入至MEMS 结构层的绝缘材料来形成静电变换器和悬浮电阻器，但是技术可以被用于其他类型的可以 被用于滤波器、开关、或其它应用的无源元件。例如，通过使用具有低电阻率的结构材料，所 述技术可以被用于形成具有高品质因数（即，低涡电流）的悬浮电感器（例如，平面螺旋电 感器）或用于形成电子机械开关，该电子开关自由应变以改善可制造性、较低开关电压、和 改善的可靠性（例如降低静摩擦风险）。
[0056] 于此陈述本发明的说明书被阐述，并且不意欲限制随附权利要求书陈述的本发明 的范围。例如，尽管本发明已经以实施方式被描述，在实施方式中特定的MEMS结构（例如， 梳驱动、平行板、和晶格变换器）和材料（例如，SiGe和Si0 2)被使用，本领域技术人员经理 解此处的技术可以与其他类型的MEMS结构和材料一起使用。在不背离随附权利要求书所 陈述的本发明的范围和主旨的情况下，可以根据于此陈述的说明对于此公开的实施方式进 行变型和修改。
【权利要求】
1. 一种装置，该装置包括： 微电子机械系统MEMS设备，该微电子机械系统设备包括： 从基板悬浮的主体； 从所述基板悬浮的第一电极，该第一电极和所述主体形成第一静电变换器；以及 从所述基板悬浮的第二电极，该第二电极和所述主体形成第二静电变换器，所述第一 电极和第二电极机械地耦合至所述主体。
2. 根据权利要求1所述的装置，其中所述主体、所述第一电极和所述第二电极为形成 在结构层中的共面结构，所述结构层使用所述基板形成。
3. 根据权利要求1所述的装置，其中所述MEMS设备还包括： 锚，将所述第一电极、所述第二电极和所述主体机械地耦合至所述基板。
4. 根据权利要求3所述的装置，该装置还包括： 悬浮部分，将所述主体电气地且机械地耦合至所述锚。
5. 根据权利要求4所述的装置，其中所述悬浮部分包括折叠弹簧，该折叠弹簧包括机 械地串联且物理地并联耦合的悬浮梁。
6. 根据权利要求3所述的装置，其中所述锚包括： 彼此机械地耦合并彼此电隔离的第一锚、第二锚、和第三锚。
7. 根据权利要求3所述的装置，其中所述锚包括： 电绝缘体部分，限定所述第一电极的部分、所述第二电极的部分、和所述主体的部分； 以及 电导部分，形成所述第一电极的部分、所述第二电极的部分、和所述主体的部分。
8. 根据权利要求3所述的装置，其中所述锚实质上被布置在所述主体的中心。
9. 根据权利要求1所述的装置，其中所述MEMS设备还包括： 多个锚，将所述主体机械地耦合至所述基板，所述多个锚的每个锚包括解耦弹簧，该解 耦弹簧将所述主体从相应的锚机械解耦。
10. 根据权利要求9所述的装置，其中所述MEMS设备还包括： 耦合结构，将所述第一电极和所述第二电极的至少一者机械地耦合至所述主体。
11. 根据权利要求1所述的装置，该装置还包括： 悬浮部分，机械地耦合至所述锚和所述主体， 其中所述主体包括第一材料和嵌入至所述第一材料的第二材料的缝，该第二材料的缝 补偿所述悬浮部分的静挠度。
12. 根据权利要求1所述的装置，其中所述主体包括围绕所述第一电极和所述第二电 极的框架。
13. 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。
14. 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： 从基板悬浮的主体； 从所述基板悬浮的第一电极，该第一电极和所述主体形成第一静电变换器；以及 从所述基板悬浮的第二电极，该第二电极和所述主体形成第二静电变换器，所述第一 电极和第二电极机械地耦合至所述主体。
15. 根据权利要求14所述的制造装置的方法，其中形成所述MEMS设备还包括： 形成锚，该锚将所述第一电极、所述第二电极和所述主体机械地耦合至所述基板。
16. 根据权利要求15所述的制造装置的方法，其中形成所述锚包括： 形成电绝缘体部分，该电绝缘体部分限定所述第一电极的部分、所述第二电极的部分、 和所述主体的部分；以及 形成电导部分，该电导部分形成所述第一电极的部分、所述第二电极的部分、和所述主 体的部分。
17. 根据权利要求14所述的制造装置的方法，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】H03H9/02GK104242868SQ201410247050
【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