具有運動限制器的微機電器件的制作方法
【專利摘要】一種微機電器件，包括第一結構層和可移動塊，該可移動塊被懸掛以進行相對于第一結構層的主離面運動。在可移動塊中蝕刻有懸臂式運動限制器結構，并且在第一結構層上布置有與懸臂式運動限制器結構相對的第一止擋元件。利用元件間距的優化使用來實現改進的機械魯棒性。
【專利說明】
具有運動限制器的微機電器件
技術領域
[0001]本發明涉及微機電器件，尤其涉及在獨立權利要求的前序中所限定的微機電器件。
【背景技術】
[0002]可以將微機電系統或MEMS(Micro-Electro_Mechanical System)定義為其中至少一些元件具有機械功能的微型化機械和機電系統。MEMS器件可以適用于快速且準確地檢測物理特性的非常小的變化。
[0003]通常，在MEMS器件中使用運動限制器以控制器件內的可移動結構可以位移的最大距離。運動限制器的另一目的是以可控方式消耗能量以防由于突然的大加速度事件導致可移動結構與器件內的錨固結構碰撞。這樣的事件例如在器件意外跌落至生產線的地板上時可能發生。在元件測試期間設計限制也有風險。
[0004]在碰撞時，運動限制器的主要目的是通過防止結構的例如尖角或窄梁的易碎點接觸其它表面來保護器件免受損壞。然而，如果運動限制器自身不夠魯棒，則它也可能損壞。例如，可以通過增大接觸表面之間的接觸面積來增強運動限制器的魯棒性。然而，這增大了接觸表面之間的粘滯(stict1n)的風險。另一常規方法是增加碰撞的柔性使得移動塊的動能被轉變成運動限制器結構內的勢能。
[0005]有效的運動限制在以下結構中特別復雜:在所述結構中，可移動塊被設計成經受另外的結構層之上或之間的離面線性或旋轉運動。在沒有顯著增大配置的尺寸或復雜性的情況下，難以創建真正魯棒的結構。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是提供一種用于微機電器件的緊湊型魯棒運動限制器配置，該微機電器件包括被設計成向其結構層的面外移動的可移動塊。利用根據獨立權利要求的特征部分的微機電器件來實現本發明的目的。
[0007]權利要求限定了一種微機電器件，該微機電器件包括:第一結構層；以及可移動塊，可移動塊懸掛以進行相對于第一結構層的主離面運動。在可移動塊中蝕刻有懸臂式運動限制器結構，并且在第一結構層上布置有第一止擋元件，第一止擋元件與懸臂式運動限制器結構相對。
[0008]從屬權利要求中公開了本發明的有益實施方式。解決方案利用元件間距的優化使用提供了改進的機械魯棒性。
[0009]利用下面的實施方式來更加詳細地論述本發明的另外的益處。
【附圖說明】
[0010]下面將參照附圖結合優選實施方式來更詳細地描述本發明，在附圖中:
[0011]圖1示出了應用離面運動的微機電結構；
[0012]圖1A和圖1B圖不微機電器件的不例性結構；
[0013]圖2圖示微機電器件中適用的示例性運動限制器結構；
[0014]圖3圖示另一示例性運動限制器結構；
[0015]圖4圖示又一示例性運動限制器結構；
[0016]圖5A圖示包括運動限制器的示例性微機電器件的側視圖；
[0017]圖5B圖示包括運動限制器的示例性微機電器件的頂視圖；
[0018]圖6圖示運動限制器結構和第一止擋元件的定位的示例；
[0019]圖7圖示第二止擋元件的定位的示例；
[0020]圖8圖示示例性兩級段運動限制配置。
【具體實施方式】
[0021]下面的實施方式是示例性的。雖然說明書可能涉及“一(an)”、“一個(one)”或“一些(some)”實施方式，但這不一定意指每個這樣的引用針對的是相同的實施方式或者特征僅適用于單個實施方式。不同實施方式的單個特征可以被組合以提供另外的實施方式。
[0022]在下面，將利用可以在其中實現本發明的各個實施方式的器件架構的簡單示例來描述本發明的特征。僅詳細描述與圖示實施方式有關的元件。本文中可以不具體描述本領域技術人員通常知道的微機電器件的各種實現方式。
[0023]圖1A和圖1B圖示根據本發明的微機電器件的示例性結構。在這里，微機電器件指的是由平面的、固體的或圖案化的層構成的分層結構。因此在這里，術語面內和離面分別指的是與結構層的平面對準或與結構層的平面非對準的方向。
[0024]微機電器件100包括至少一個結構層和懸掛于至少一個結構層的可移動塊。圖1B示出了包括第一結構層102、第二結構層104以及第三結構層106的配置。第一結構層102可以是例如襯底或處理晶圓(handle wafer)。第二結構層104可以例如是微機電器件晶粒(die)的覆蓋帽晶圓(covering cap wafer)。注意，這里所使用的結構劃分(例如處理晶圓、帽晶圓(cap wafer)等)僅是概念上的。對于本領域技術人員而言清楚的是，結構層可以從例如絕緣體上娃(silicon-on-1nsulator)襯底被單獨或組合地圖案化。
[0025]可以將第三結構層106用作可移動塊120。可移動塊120可以被懸掛在第一結構層102上使得可移動塊120可以經受相對于至少第一結構層102的離面運動。在圖1A和圖1B的配置中，離面運動是圍繞第一結構層102與第二結構層104之間的面內旋轉軸110的旋轉運動。然而，本發明并非僅限于旋轉運動。本發明的特征還可以適用于關于底層和覆蓋層的離面線性運動。
[0026]圖1A和圖1B圖示當沒有偏置電荷或外部加速力施加給元件時處于中間位置的該元件。在操作時，可移動塊120可以例如響應于外部z方向加速度而圍繞面內旋轉軸110按照上下式或蹺蹺板式的旋轉運動來移動。可移動塊120可以從旋轉軸向相反方向在平面上延伸。在所述旋轉運動中，可移動塊120可以圍繞旋轉軸轉動使得可移動塊的一端移動離開懸掛結構層而可移動塊的另一端靠近懸掛結構層。可以利用布置至底層或覆蓋層的電極108來誘導和/或檢測可移動塊的運動。圖1A和圖1B圖示具有一個可移動塊的示例性配置的實施方式。然而，本發明相應地適用于具有一個或更多個可移動塊的配置，而且適用于其中運動包括振蕩旋轉運動或線性離面運動的配置。
[0027]有益地，微機電器件的運動限制器中的至少一個是柔性運動限制器，該柔性運動限制器響應于在接觸時施加給它的機械力而有助于某形式的彈性位移。圖2圖示在圖1A和圖1B的微機電器件中適用的示例性運動限制器結構200。圖2的微機電器件包括至少一個運動限制器結構，其中，在可移動塊120中通過局部地移除可移動塊的許多材料來蝕刻出至少一個運動限制器結構。因此，運動限制器結構的元件部分至少部分地與可移動塊分開，但是在處在中間位置與可移動塊共用同一空間體積。如圖2所示，通過蝕刻線的適當選擇，可以在可移動塊內提供維持與可移動塊的機械連接的懸臂式運動限制器結構。
[0028]圖2的懸臂式運動限制器結構包括簡單的細長元件202。本上下文中的細長意指元件的面上長度至少是該元件的最大面上寬度的兩倍。細長元件的一端固定至可移動塊120而另一端不受約束。固定端可以錨固至支持體或者經由如稍后將論述的中間結構耦接至支持體，在可移動塊中蝕刻的開口 206在可移動塊的平面內延伸，但未在平面內貫穿可移動塊的平面，而是形成至可移動塊的內側壁。圖2中的細長元件202在可移動塊的兩個內側壁之間延伸，并且細長元件202的一端204機械地耦接至可移動塊120。在微機電器件中，細長元件隨著可移動塊而移動，并且細長元件的外側端被定位成當需要控制可移動塊的運動時該外側端變成與另一元件相接觸。因此，可以認為細長梁的外側端形成了碰撞元件208。當與碰撞元件發生接觸時，細長元件將力移轉至可移動塊中的支持體，可移動塊中的支持體被相反地強加力矩(moment)和剪應力。在碰撞時，碰撞元件適于經受圍繞面內旋轉軸的彈性旋轉運動，該面內旋轉軸與細長元件親接至可移動塊的點重合。
[0029]圖3圖示替選運動限制器結構300。圖3的運動限制器結構也包括在可移動塊的兩個內側壁之間延伸的細長元件302。細長元件302的一端304機械地耦接至可移動塊。細長元件302的外側端包括碰撞元件308。在圖3的配置中，碰撞元件308是具有與細長元件302不同的面內寬度的形成部分。應當理解的是，當可移動塊層的厚度為常數時，細長元件的彈簧常數或彈簧剛度非常依賴于細長元件的面上長度寬度。圖3圖示可以通過調節細長元件的面上尺寸來調節細長元件的彈簧應變率并且從而調節細長元件的彈性。另外，在微機電器件的壽命期間，結構層之間的尺寸或相互定位可以例如因為溫度變化而改變。如圖3中所示，為了允許對該定位的公差，可以將碰撞元件的最大面內寬度調節成比細長元件的剩余部分的寬度要大(例如，3倍或更多倍)。
[0030]圖4圖示又一替選運動限制器結構400。圖4的運動限制器結構也包括在可移動塊的兩個內側壁之間延伸的細長元件402。細長元件402的一端機械地耦接至可移動塊。細長元件402包括碰撞元件408、扭力元件410以及親接梁412。在這里，碰撞元件408也表示運動限制器結構中的適于在需要限制可移動塊的運動時提供接觸點的部分。在圖4的配置中，碰撞元件408是具有與耦接梁412不同的面內寬度的形成部分。碰撞元件是運動限制器結構400中的要被定位成與第一結構層中的設計接觸點相對的部分。圖4圖示了矩形碰撞元件，但是碰撞元件可以具有任何形狀。碰撞元件408可以位于可移動塊中的任何點處，但是有益地是運動限制器結構的側面中的一個與可移動塊的側面重合。
[0031 ]在碰撞時，碰撞元件408適于經受圍繞面內旋轉軸的彈性旋轉運動。由耦接梁412將運動傳遞至根據該運動而扭轉的面內扭力元件410。當被扭轉時，扭力元件410存儲運動的機械能并且朝相反方向施加漸增的力；與扭力元件被扭轉的量成比例。扭力元件410耦接至可移動塊，因此提供用于碰撞元件的旋轉運動的面內扭力彈簧。
[0032]通過可移動塊內的兩個耦接點416、418的軸414限定第一方向，碰撞元件的面內旋轉軸的方向。如圖4所示，在簡單并且因此有益的實施方式中，可以將扭力元件實現為沿第一方向在可移動塊中的兩個耦接點416、418之間延伸的扭力桿、線性細長元件，。可以在扭力元件中應用其它相應彈簧形式，如彎曲型彈簧。扭力元件因施加在其端部和其端部之間的與耦接梁連接的點處的扭矩而經受圍繞面內旋轉軸的扭轉。有益地，第一方向與可移動塊的側面或端面對準。在可移動塊適于旋轉運動的情況下，有益地，第一方向對準為平行或垂直于可移動塊的旋轉軸。
[0033]在這里，耦接梁412指作為針對機械力的杠桿臂的元件，該機械力因碰撞元件的離面碰撞而產生。雖然耦接梁412可以是線性桿，但是可以在范圍內應用與碰撞元件408和扭力元件410軸向耦接的其他結構形式。有益地，與扭力元件410的接觸點404在耦接點416、418之間，更具體地，接觸點404在扭力元件410的中間。
[0034]所公開的配置提供了平衡的且有效的扭轉力來限制離面運動。利用扭力彈簧，可以通過扭力元件410的彈簧剛度和耦接梁412的杠桿臂長度來優化離面方向上的彈性。另一方面，在其他方向上，結構非常剛硬，因此是穩定的。此外，已經檢測到在MEMS器件尺寸下，扭力彈簧允許緊湊型彈簧設計甚至具有非常合理的彈簧寬度。
[0035]微機電器件還包括第一結構層上的與運動限制器結構的碰撞元件相對的至少一個第一止擋元件。圖5A示出了示例性微機電器件的側視圖，圖5B為示例性微機電器件的頂視圖，該示例性微機電器件包括圖2至圖4的運動限制器結構中的任一個。像圖1B中那樣，圖5A示出了包括第一結構層502、第二結構層504以及可移動塊520的微機電器件，其中，可移動塊520適于圍繞面內旋轉軸510的主旋轉。在示例中，第一結構層502是襯底，第二結構層504是帽晶圓，并且可移動塊520是第一結構層502與第二結構層504之間的結構晶圓中的元件。
[0036]基本上，可以將第一止擋元件設置在運動限制器結構下面的第一結構層502的區域，或者設置在運動限制器結構上的第二結構層的區域。然而，有益地，第一止擋元件包括至少一個突出物530，突出物530從其結構層局部升起，因此與結構層的表面相比朝可移動塊520延伸較遠。至少，第一止擋元件可以包括在一個結構表面上的一個突出物，但是在該示例中，可移動塊在兩個結構層之間移動，并且第一止擋元件包括兩個突出物:第一結構層502上的一個突出物530和第二結構層504上的另一突出物532。圖5B圖示第二結構層上的突出物532、542的位置。
[0037]可以將運動限制器結構的碰撞元件和第一止擋元件的相對定位解釋為碰撞元件在第一結構層上的投影和第一止擋元件在第一結構層上的投影至少部分重合。圖6圖示圖4的運動限制器結構400的定位的示例以及圖5A和圖5B中的結構層上的第一止擋元件530、532。圖6以頂視圖示出了運動限制器結構的投影、第一止擋元件的底部部分530以及第一止擋元件的頂部部分532。可以看出，第一止擋元件的部件530、532可以彼此重合，并且它們與運動限制器結構400的碰撞元件408也重合。有益地，元件是軸對稱的并且元件的對稱軸與運動限制器結構的耦接梁對準。有益地，第一止擋元件的至少一個部分延伸超過可移動塊在第一結構層上的投影。這使得布置對小的對準誤差較不敏感。
[0038]因為扭力元件提供的彈性，可以將包括運動限制器結構和至少一個止擋元件的元件對看作為柔性限制器。微機電器件可以在其結構的不同部分中包括這樣的柔性限制器中的一個或者更多個。可以利用細長元件的剛度來容易地調節柔性限制器的彈性。例如，在圖4的運動限制器結構中，可以利用扭力元件的扭力彈簧和由耦接梁提供的杠桿臂長度來進行調節。調節可以適于提供撓曲強度以克服接觸時運動限制器結構與第一止擋元件之間的可能的粘附。
[0039]返回至圖5A和圖5B，微機電器件還可以包括一個或者更多個剛性限制器。剛性限制器的作用是提供較強的運動限制級段，該較強的運動限制級段比由柔性限制器提供的運動限制級段更晚變成被激活。在簡單配置中，剛性限制器可能需要一個第二止擋元件。第二止擋元件可以包括至少一個突出物540，突出物540從其結構層局部升起，因此與結構層的表面相比朝可移動塊延伸較遠。至少，第二止擋元件可以包括在一個結構表面上的一個突出物，但是在該示例中，第二止擋元件同樣包括兩個突出物:第一結構層502上的一個突出物540和第二結構層504上的另一突出物542。為了實現正確的接觸順序，柔性限制器的運動限制器結構和第一止擋元件530之間的間隙適于在第二止擋元件540與可移動塊520之間的間隙閉合之前閉合。
[0040]第二止擋元件可以在可移動塊的投影內延伸，或第二止擋元件的至少一部分可以延伸超過可移動塊的投影。圖7圖示圖5A的結構層上的第二止擋元件的定位的示例。圖7以頂視圖示出了第二止擋元件的潛在碰撞部分在可移動塊520中的的投影、第二止擋元件的底部部分540以及第二止擋元件的頂部部分542。可以看出，第二止擋元件的部分540、542至少與可移動塊的設計碰撞區域重合。示例性剛性元件的剛度可以根據元件的類型而變化。如圖7中所示的，剛性限制器可以是具有高的撓曲強度的柔性元件，或者剛性限制器可以是剛性元件。圖7的剛性元件的運動限制的強度取決于第二止擋元件的接觸面積，更具體地，取決于構成與可移動塊的首次接觸的部分的接觸面積。
[0041]—個或者更多個柔性限制器與一個或者更多個剛性限制器的組合可以用來創建具有不同運動限制強度的多級段運動限制器。例如，多級段運動限制器可以包括第一級段和第二級段，對于第一級段，調節柔性限制器以限制可移動塊在正常操作的超負荷情形下或在測試期間的運動;對于第二級段，調節剛性(剛硬)限制器以限制可移動塊在機械沖擊期間的運動。可以在范圍內應用更多級段組合。可以將柔性限制器的運動限制器結構的撓曲強度調節成足夠高以提供在接觸之后拉動可移動塊離開第二止擋元件的回復力。
[0042]圖8圖示圖5A和圖5B的止擋元件和兩級段運動限制器結構的示例性配置。圖8示出了包括兩個可移動塊800、802的結構層的頂視圖。可移動塊可以被懸掛以進行圍繞軸804的反相主旋轉運動。如圖8中所示，可移動塊800、802的兩端可以包括柔性限制器810、812、814、816。
[0043]該配置還可以包括一個或者更多個剛性限制器820、822、824、826。在圖8的示例性配置中，為了確保正確的接觸順序，已經將從剛性限制器到旋轉軸的距離調節為小于從柔性限制器到旋轉軸的距離。然而，注意，限制器之間的接觸順序取決于主運動的類型和接觸點之間的間隙的尺寸。
[0044]對本領域技術人員而言明顯的是，隨著技術進步，可以以各種方式實現本發明的基本思想。因此，本發明及其實施方式并不限于上述示例，而是它們可以在所附權利要求書的范圍內變化。
【主權項】
1.一種微機電器件，包括: 第一結構層； 可移動塊，所述可移動塊被懸掛以進行相對于所述第一結構層的主離面運動； 懸臂式運動限制器結構，所述懸臂式運動限制器結構被蝕刻在所述可移動塊中， 在所述第一結構層上的第一止擋元件，所述第一止擋元件與所述懸臂式運動限制器結構相對。2.根據權利要求1所述的微機電器件，其特征在于:所述懸臂式運動限制器結構包括細長元件，所述細長元件的一端耦接至所述可移動塊。3.根據權利要求2所述的微機電器件，其特征在于:所述細長元件在所述可移動塊的兩個內側壁之間延伸。4.根據權利要求3所述的微機電器件，其特征在于:所述細長元件的外側端形成碰撞元件。5.根據權利要求2所述的微機電器件，其特征在于:所述細長元件通過扭力元件耦接至所述可移動塊，所述扭力元件提供面內扭力彈簧，所述扭力彈簧的每一端耦接至所述可移動塊。6.根據權利要求5所述的微機電器件，其特征在于，所述細長元件包括: 碰撞元件， 耦接梁，所述耦接梁將所述扭力元件耦接至所述碰撞元件。7.根據權利要求6所述的微機電器件，其特征在于:在碰撞時，所述碰撞元件適于經受圍繞面內旋轉軸的彈性旋轉運動。8.根據權利要求6或7所述的微機電器件，其特征在于:所述扭力元件是耦接至所述可移動塊內的兩個耦接點的扭力桿。9.根據前述權利要求中的任一項所述的微機電器件，其特征在于:所述第一止擋元件是從所述第一結構層局部升起的突出物。10.根據前述權利要求中的任一項所述的微機電器件，其特征在于:所述主離面運動是圍繞旋轉軸的旋轉運動。11.根據前述權利要求中的任一項所述的微機電器件，其特征在于:所述碰撞元件在所述第一結構層上的投影與所述第一止擋元件在所述第一結構層上的投影至少部分重合。12.根據權利要求6所述的微機電器件，其特征在于:所述碰撞元件的最大寬度至少是所述耦接梁的寬度的三倍。13.根據權利要求4至12所述的微機電器件，其特征在于:所述碰撞元件的一個側面與所述可移動塊的側面重合。14.根據權利要求9所述的微機電器件，其特征在于:所述第一止擋元件延伸超過所述可移動塊在所述第一結構層上的投影。15.根據權利要求1至14中的任一項所述的微機電器件，其特征在于:包括懸臂式運動限制器結構和第一止擋元件的元件對形成柔性限制器。16.根據權利要求15所述的微機電器件，其特征在于剛性限制器，所述剛性限制器適于提供比由所述柔性限制器提供的運動限制器級段更晚變成被激活的運動限制器級段。17.根據權利要求16所述的微機電器件，其特征在于包括從所述第一結構層突起的第二止擋元件的所述剛性限制器被定位成使得柔性限制器的運動限制器結構和第一止擋元件之間的間隙在第二止擋元件與所述可移動塊之間的間隙閉合之前閉合。18.根據權利要求16或17所述的微機電器件，其特征在于:所述主離面運動是圍繞旋轉軸的旋轉運動，并且從所述剛性限制器到所述旋轉軸的距離小于從所述柔性限制器到所述旋轉軸的距離。19.根據權利要求17或18所述的微機電器件，其特征在于:所述第二止擋元件的至少一部分延伸超過所述可移動塊在所述第一結構層上的投影。20.根據前述權利要求中的任一項所述的微機電器件，其特征在于第二結構層，所述第二結構層使得所述可移動塊適于在所述第一結構層與所述第二結構層之間以主旋轉運動方式移動。21.根據權利要求20所述的微機電器件，其特征在于:所述第二結構層包括至少一個第一止擋元件。22.根據權利要求20或21所述的微機電器件，其特征在于:所述第二結構層包括至少一個第二止擋元件。23.根據權利要求22所述的微機電器件，其特征在于:與所述第一結構層相比，所述第二結構層包括相應組的第一止擋元件和第二止擋元件。24.根據權利要求20至23中的任一項所述的微機電器件，其特征在于:所述第一結構層是襯底并且所述第二結構層是具有MEMS晶粒的帽晶圓。25.根據權利要求24所述的微機電器件，其特征在于:運動限制器結構的碰撞元件與所述第一結構層的第一止擋元件之間的間隙大于運動限制器結構的碰撞元件與所述第二結構層的所述第一止擋元件之間的間隙。
【文檔編號】G01P15/125GK106062566SQ201580010996
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2015年2月26日
【發明人】維爾·阿赫泰, 維爾-佩卡·呂特克寧
【申請人】株式會社村田制作所