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CN106062566A - 具有运动限制器的微机电器件 - Google Patents

具有运动限制器的微机电器件 Download PDF

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CN106062566A CN201580010996.7A CN201580010996A CN106062566A CN 106062566 A CN106062566 A CN 106062566A CN 201580010996 A CN201580010996 A CN 201580010996A CN 106062566 A CN106062566 A CN 106062566A
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Abstract

一种微机电器件，包括第一结构层和可移动块，该可移动块被悬挂以进行相对于第一结构层的主离面运动。在可移动块中蚀刻有悬臂式运动限制器结构，并且在第一结构层上布置有与悬臂式运动限制器结构相对的第一止挡元件。利用元件间距的优化使用来实现改进的机械鲁棒性。

Description

具有运动限制器的微机电器件
技术领域
本发明涉及微机电器件，尤其涉及在独立权利要求的前序中所限定的微机电器件。
背景技术
可以将微机电系统或MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)定义为其中至少一些元件具有机械功能的微型化机械和机电系统。MEMS器件可以适用于快速且准确地检测物理特性的非常小的变化。
通常，在MEMS器件中使用运动限制器以控制器件内的可移动结构可以位移的最大距离。运动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导致可移动结构与器件内的锚固结构碰撞。这样的事件例如在器件意外跌落至生产线的地板上时可能发生。在元件测试期间设计限制也有风险。
在碰撞时，运动限制器的主要目的是通过防止结构的例如尖角或窄梁的易碎点接触其它表面来保护器件免受损坏。然而，如果运动限制器自身不够鲁棒，则它也可能损坏。例如，可以通过增大接触表面之间的接触面积来增强运动限制器的鲁棒性。然而，这增大了接触表面之间的粘滞(stiction)的风险。另一常规方法是增加碰撞的柔性使得移动块的动能被转变成运动限制器结构内的势能。
有效的运动限制在以下结构中特别复杂：在所述结构中，可移动块被设计成经受另外的结构层之上或之间的离面线性或旋转运动。在没有显著增大配置的尺寸或复杂性的情况下，难以创建真正鲁棒的结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于微机电器件的紧凑型鲁棒运动限制器配置，该微机电器件包括被设计成向其结构层的面外移动的可移动块。利用根据独立权利要求的特征部分的微机电器件来实现本发明的目的。
权利要求限定了一种微机电器件，该微机电器件包括：第一结构层；以及可移动块，可移动块悬挂以进行相对于第一结构层的主离面运动。在可移动块中蚀刻有悬臂式运动限制器结构，并且在第一结构层上布置有第一止挡元件，第一止挡元件与悬臂式运动限制器结构相对。
从属权利要求中公开了本发明的有益实施方式。解决方案利用元件间距的优化使用提供了改进的机械鲁棒性。
利用下面的实施方式来更加详细地论述本发明的另外的益处。
附图说明
下面将参照附图结合优选实施方式来更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了应用离面运动的微机电结构；
图1A和图1B图示微机电器件的示例性结构；
图2图示微机电器件中适用的示例性运动限制器结构；
图3图示另一示例性运动限制器结构；
图4图示又一示例性运动限制器结构；
图5A图示包括运动限制器的示例性微机电器件的侧视图；
图5B图示包括运动限制器的示例性微机电器件的顶视图；
图6图示运动限制器结构和第一止挡元件的定位的示例；
图7图示第二止挡元件的定位的示例；
图8图示示例性两级段运动限制配置。
具体实施方式
下面的实施方式是示例性的。虽然说明书可能涉及“一(an)”、“一个(one)”或“一些(some)”实施方式，但这不一定意指每个这样的引用针对的是相同的实施方式或者特征仅适用于单个实施方式。不同实施方式的单个特征可以被组合以提供另外的实施方式。
在下面，将利用可以在其中实现本发明的各个实施方式的器件架构的简单示例来描述本发明的特征。仅详细描述与图示实施方式有关的元件。本文中可以不具体描述本领域技术人员通常知道的微机电器件的各种实现方式。
图1A和图1B图示根据本发明的微机电器件的示例性结构。在这里，微机电器件指的是由平面的、固体的或图案化的层构成的分层结构。因此在这里，术语面内和离面分别指的是与结构层的平面对准或与结构层的平面非对准的方向。
微机电器件100包括至少一个结构层和悬挂于至少一个结构层的可移动块。图1B示出了包括第一结构层102、第二结构层104以及第三结构层106的配置。第一结构层102可以是例如衬底或处理晶圆(handle wafer)。第二结构层104可以例如是微机电器件晶粒(die)的覆盖帽晶圆(covering cap wafer)。注意，这里所使用的结构划分(例如处理晶圆、帽晶圆(cap wafer)等)仅是概念上的。对于本领域技术人员而言清楚的是，结构层可以从例如绝缘体上硅(silicon-on-insulator)衬底被单独或组合地图案化。
可以将第三结构层106用作可移动块120。可移动块120可以被悬挂在第一结构层102上使得可移动块120可以经受相对于至少第一结构层102的离面运动。在图1A和图1B的配置中，离面运动是围绕第一结构层102与第二结构层104之间的面内旋转轴110的旋转运动。然而，本发明并非仅限于旋转运动。本发明的特征还可以适用于关于底层和覆盖层的离面线性运动。
图1A和图1B图示当没有偏置电荷或外部加速力施加给元件时处于中间位置的该元件。在操作时，可移动块120可以例如响应于外部z方向加速度而围绕面内旋转轴110按照上下式或跷跷板式的旋转运动来移动。可移动块120可以从旋转轴向相反方向在平面上延伸。在所述旋转运动中，可移动块120可以围绕旋转轴转动使得可移动块的一端移动离开悬挂结构层而可移动块的另一端靠近悬挂结构层。可以利用布置至底层或覆盖层的电极108来诱导和/或检测可移动块的运动。图1A和图1B图示具有一个可移动块的示例性配置的实施方式。然而，本发明相应地适用于具有一个或更多个可移动块的配置，而且适用于其中运动包括振荡旋转运动或线性离面运动的配置。
有益地，微机电器件的运动限制器中的至少一个是柔性运动限制器，该柔性运动限制器响应于在接触时施加给它的机械力而有助于某形式的弹性位移。图2图示在图1A和图1B的微机电器件中适用的示例性运动限制器结构200。图2的微机电器件包括至少一个运动限制器结构，其中，在可移动块120中通过局部地移除可移动块的许多材料来蚀刻出至少一个运动限制器结构。因此，运动限制器结构的元件部分至少部分地与可移动块分开，但是在处在中间位置与可移动块共用同一空间体积。如图2所示，通过蚀刻线的适当选择，可以在可移动块内提供维持与可移动块的机械连接的悬臂式运动限制器结构。
图2的悬臂式运动限制器结构包括简单的细长元件202。本上下文中的细长意指元件的面上长度至少是该元件的最大面上宽度的两倍。细长元件的一端固定至可移动块120而另一端不受约束。固定端可以锚固至支持体或者经由如稍后将论述的中间结构耦接至支持体，在可移动块中蚀刻的开口206在可移动块的平面内延伸，但未在平面内贯穿可移动块的平面，而是形成至可移动块的内侧壁。图2中的细长元件202在可移动块的两个内侧壁之间延伸，并且细长元件202的一端204机械地耦接至可移动块120。在微机电器件中，细长元件随着可移动块而移动，并且细长元件的外侧端被定位成当需要控制可移动块的运动时该外侧端变成与另一元件相接触。因此，可以认为细长梁的外侧端形成了碰撞元件208。当与碰撞元件发生接触时，细长元件将力移转至可移动块中的支持体，可移动块中的支持体被相反地强加力矩(moment)和剪应力。在碰撞时，碰撞元件适于经受围绕面内旋转轴的弹性旋转运动，该面内旋转轴与细长元件耦接至可移动块的点重合。
图3图示替选运动限制器结构300。图3的运动限制器结构也包括在可移动块的两个内侧壁之间延伸的细长元件302。细长元件302的一端304机械地耦接至可移动块。细长元件302的外侧端包括碰撞元件308。在图3的配置中，碰撞元件308是具有与细长元件302不同的面内宽度的形成部分。应当理解的是，当可移动块层的厚度为常数时，细长元件的弹簧常数或弹簧刚度非常依赖于细长元件的面上长度宽度。图3图示可以通过调节细长元件的面上尺寸来调节细长元件的弹簧应变率并且从而调节细长元件的弹性。另外，在微机电器件的寿命期间，结构层之间的尺寸或相互定位可以例如因为温度变化而改变。如图3中所示，为了允许对该定位的公差，可以将碰撞元件的最大面内宽度调节成比细长元件的剩余部分的宽度要大(例如，3倍或更多倍)。
图4图示又一替选运动限制器结构400。图4的运动限制器结构也包括在可移动块的两个内侧壁之间延伸的细长元件402。细长元件402的一端机械地耦接至可移动块。细长元件402包括碰撞元件408、扭力元件410以及耦接梁412。在这里，碰撞元件408也表示运动限制器结构中的适于在需要限制可移动块的运动时提供接触点的部分。在图4的配置中，碰撞元件408是具有与耦接梁412不同的面内宽度的形成部分。碰撞元件是运动限制器结构400中的要被定位成与第一结构层中的设计接触点相对的部分。图4图示了矩形碰撞元件，但是碰撞元件可以具有任何形状。碰撞元件408可以位于可移动块中的任何点处，但是有益地是运动限制器结构的侧面中的一个与可移动块的侧面重合。
在碰撞时，碰撞元件408适于经受围绕面内旋转轴的弹性旋转运动。由耦接梁412将运动传递至根据该运动而扭转的面内扭力元件410。当被扭转时，扭力元件410存储运动的机械能并且朝相反方向施加渐增的力；与扭力元件被扭转的量成比例。扭力元件410耦接至可移动块，因此提供用于碰撞元件的旋转运动的面内扭力弹簧。
通过可移动块内的两个耦接点416、418的轴414限定第一方向，碰撞元件的面内旋转轴的方向。如图4所示，在简单并且因此有益的实施方式中，可以将扭力元件实现为沿第一方向在可移动块中的两个耦接点416、418之间延伸的扭力杆、线性细长元件，。可以在扭力元件中应用其它相应弹簧形式，如弯曲型弹簧。扭力元件因施加在其端部和其端部之间的与耦接梁连接的点处的扭矩而经受围绕面内旋转轴的扭转。有益地，第一方向与可移动块的侧面或端面对准。在可移动块适于旋转运动的情况下，有益地，第一方向对准为平行或垂直于可移动块的旋转轴。
在这里，耦接梁412指作为针对机械力的杠杆臂的元件，该机械力因碰撞元件的离面碰撞而产生。虽然耦接梁412可以是线性杆，但是可以在范围内应用与碰撞元件408和扭力元件410轴向耦接的其他结构形式。有益地，与扭力元件410的接触点404在耦接点416、418之间，更具体地，接触点404在扭力元件410的中间。
所公开的配置提供了平衡的且有效的扭转力来限制离面运动。利用扭力弹簧，可以通过扭力元件410的弹簧刚度和耦接梁412的杠杆臂长度来优化离面方向上的弹性。另一方面，在其他方向上，结构非常刚硬，因此是稳定的。此外，已经检测到在MEMS器件尺寸下，扭力弹簧允许紧凑型弹簧设计甚至具有非常合理的弹簧宽度。
微机电器件还包括第一结构层上的与运动限制器结构的碰撞元件相对的至少一个第一止挡元件。图5A示出了示例性微机电器件的侧视图，图5B为示例性微机电器件的顶视图，该示例性微机电器件包括图2至图4的运动限制器结构中的任一个。像图1B中那样，图5A示出了包括第一结构层502、第二结构层504以及可移动块520的微机电器件，其中，可移动块520适于围绕面内旋转轴510的主旋转。在示例中，第一结构层502是衬底，第二结构层504是帽晶圆，并且可移动块520是第一结构层502与第二结构层504之间的结构晶圆中的元件。
基本上，可以将第一止挡元件设置在运动限制器结构下面的第一结构层502的区域，或者设置在运动限制器结构上的第二结构层的区域。然而，有益地，第一止挡元件包括至少一个突出物530，突出物530从其结构层局部升起，因此与结构层的表面相比朝可移动块520延伸较远。至少，第一止挡元件可以包括在一个结构表面上的一个突出物，但是在该示例中，可移动块在两个结构层之间移动，并且第一止挡元件包括两个突出物：第一结构层502上的一个突出物530和第二结构层504上的另一突出物532。图5B图示第二结构层上的突出物532、542的位置。
可以将运动限制器结构的碰撞元件和第一止挡元件的相对定位解释为碰撞元件在第一结构层上的投影和第一止挡元件在第一结构层上的投影至少部分重合。图6图示图4的运动限制器结构400的定位的示例以及图5A和图5B中的结构层上的第一止挡元件530、532。图6以顶视图示出了运动限制器结构的投影、第一止挡元件的底部部分530以及第一止挡元件的顶部部分532。可以看出，第一止挡元件的部件530、532可以彼此重合，并且它们与运动限制器结构400的碰撞元件408也重合。有益地，元件是轴对称的并且元件的对称轴与运动限制器结构的耦接梁对准。有益地，第一止挡元件的至少一个部分延伸超过可移动块在第一结构层上的投影。这使得布置对小的对准误差较不敏感。
因为扭力元件提供的弹性，可以将包括运动限制器结构和至少一个止挡元件的元件对看作为柔性限制器。微机电器件可以在其结构的不同部分中包括这样的柔性限制器中的一个或者更多个。可以利用细长元件的刚度来容易地调节柔性限制器的弹性。例如，在图4的运动限制器结构中，可以利用扭力元件的扭力弹簧和由耦接梁提供的杠杆臂长度来进行调节。调节可以适于提供挠曲强度以克服接触时运动限制器结构与第一止挡元件之间的可能的粘附。
返回至图5A和图5B，微机电器件还可以包括一个或者更多个刚性限制器。刚性限制器的作用是提供较强的运动限制级段，该较强的运动限制级段比由柔性限制器提供的运动限制级段更晚变成被激活。在简单配置中，刚性限制器可能需要一个第二止挡元件。第二止挡元件可以包括至少一个突出物540，突出物540从其结构层局部升起，因此与结构层的表面相比朝可移动块延伸较远。至少，第二止挡元件可以包括在一个结构表面上的一个突出物，但是在该示例中，第二止挡元件同样包括两个突出物：第一结构层502上的一个突出物540和第二结构层504上的另一突出物542。为了实现正确的接触顺序，柔性限制器的运动限制器结构和第一止挡元件530之间的间隙适于在第二止挡元件540与可移动块520之间的间隙闭合之前闭合。
第二止挡元件可以在可移动块的投影内延伸，或第二止挡元件的至少一部分可以延伸超过可移动块的投影。图7图示图5A的结构层上的第二止挡元件的定位的示例。图7以顶视图示出了第二止挡元件的潜在碰撞部分在可移动块520中的的投影、第二止挡元件的底部部分540以及第二止挡元件的顶部部分542。可以看出，第二止挡元件的部分540、542至少与可移动块的设计碰撞区域重合。示例性刚性元件的刚度可以根据元件的类型而变化。如图7中所示的，刚性限制器可以是具有高的挠曲强度的柔性元件，或者刚性限制器可以是刚性元件。图7的刚性元件的运动限制的强度取决于第二止挡元件的接触面积，更具体地，取决于构成与可移动块的首次接触的部分的接触面积。
一个或者更多个柔性限制器与一个或者更多个刚性限制器的组合可以用来创建具有不同运动限制强度的多级段运动限制器。例如，多级段运动限制器可以包括第一级段和第二级段，对于第一级段，调节柔性限制器以限制可移动块在正常操作的超负荷情形下或在测试期间的运动；对于第二级段，调节刚性(刚硬)限制器以限制可移动块在机械冲击期间的运动。可以在范围内应用更多级段组合。可以将柔性限制器的运动限制器结构的挠曲强度调节成足够高以提供在接触之后拉动可移动块离开第二止挡元件的回复力。
图8图示图5A和图5B的止挡元件和两级段运动限制器结构的示例性配置。图8示出了包括两个可移动块800、802的结构层的顶视图。可移动块可以被悬挂以进行围绕轴804的反相主旋转运动。如图8中所示，可移动块800、802的两端可以包括柔性限制器810、812、814、816。
该配置还可以包括一个或者更多个刚性限制器820、822、824、826。在图8的示例性配置中，为了确保正确的接触顺序，已经将从刚性限制器到旋转轴的距离调节为小于从柔性限制器到旋转轴的距离。然而，注意，限制器之间的接触顺序取决于主运动的类型和接触点之间的间隙的尺寸。
对本领域技术人员而言明显的是，随着技术进步，可以以各种方式实现本发明的基本思想。因此，本发明及其实施方式并不限于上述示例，而是它们可以在所附权利要求书的范围内变化。

Claims (25)

1.一种微机电器件，包括：
第一结构层；
可移动块，所述可移动块被悬挂以进行相对于所述第一结构层的主离面运动；
悬臂式运动限制器结构，所述悬臂式运动限制器结构被蚀刻在所述可移动块中，
在所述第一结构层上的第一止挡元件，所述第一止挡元件与所述悬臂式运动限制器结构相对。
2.根据权利要求1所述的微机电器件，其特征在于：所述悬臂式运动限制器结构包括细长元件，所述细长元件的一端耦接至所述可移动块。
3.根据权利要求2所述的微机电器件，其特征在于：所述细长元件在所述可移动块的两个内侧壁之间延伸。
4.根据权利要求3所述的微机电器件，其特征在于：所述细长元件的外侧端形成碰撞元件。
5.根据权利要求2所述的微机电器件，其特征在于：所述细长元件通过扭力元件耦接至所述可移动块，所述扭力元件提供面内扭力弹簧，所述扭力弹簧的每一端耦接至所述可移动块。
6.根据权利要求5所述的微机电器件，其特征在于，所述细长元件包括：
碰撞元件，
耦接梁，所述耦接梁将所述扭力元件耦接至所述碰撞元件。
7.根据权利要求6所述的微机电器件，其特征在于：在碰撞时，所述碰撞元件适于经受围绕面内旋转轴的弹性旋转运动。
8.根据权利要求6或7所述的微机电器件，其特征在于：所述扭力元件是耦接至所述可移动块内的两个耦接点的扭力杆。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的微机电器件，其特征在于：所述第一止挡元件是从所述第一结构层局部升起的突出物。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的微机电器件，其特征在于：所述主离面运动是围绕旋转轴的旋转运动。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的微机电器件，其特征在于：所述碰撞元件在所述第一结构层上的投影与所述第一止挡元件在所述第一结构层上的投影至少部分重合。
12.根据权利要求6所述的微机电器件，其特征在于：所述碰撞元件的最大宽度至少是所述耦接梁的宽度的三倍。
13.根据权利要求4至12所述的微机电器件，其特征在于：所述碰撞元件的一个侧面与所述可移动块的侧面重合。
14.根据权利要求9所述的微机电器件，其特征在于：所述第一止挡元件延伸超过所述可移动块在所述第一结构层上的投影。
15.根据权利要求1至14中的任一项所述的微机电器件，其特征在于：包括悬臂式运动限制器结构和第一止挡元件的元件对形成柔性限制器。
16.根据权利要求15所述的微机电器件，其特征在于刚性限制器，所述刚性限制器适于提供比由所述柔性限制器提供的运动限制器级段更晚变成被激活的运动限制器级段。
17.根据权利要求16所述的微机电器件，其特征在于包括从所述第一结构层突起的第二止挡元件的所述刚性限制器被定位成使得柔性限制器的运动限制器结构和第一止挡元件之间的间隙在第二止挡元件与所述可移动块之间的间隙闭合之前闭合。
18.根据权利要求16或17所述的微机电器件，其特征在于：所述主离面运动是围绕旋转轴的旋转运动，并且从所述刚性限制器到所述旋转轴的距离小于从所述柔性限制器到所述旋转轴的距离。
19.根据权利要求17或18所述的微机电器件，其特征在于：所述第二止挡元件的至少一部分延伸超过所述可移动块在所述第一结构层上的投影。
20.根据前述权利要求中的任一项所述的微机电器件，其特征在于第二结构层，所述第二结构层使得所述可移动块适于在所述第一结构层与所述第二结构层之间以主旋转运动方式移动。
21.根据权利要求20所述的微机电器件，其特征在于：所述第二结构层包括至少一个第一止挡元件。
22.根据权利要求20或21所述的微机电器件，其特征在于：所述第二结构层包括至少一个第二止挡元件。
23.根据权利要求22所述的微机电器件，其特征在于：与所述第一结构层相比，所述第二结构层包括相应组的第一止挡元件和第二止挡元件。
24.根据权利要求20至23中的任一项所述的微机电器件，其特征在于：所述第一结构层是衬底并且所述第二结构层是具有MEMS晶粒的帽晶圆。
25.根据权利要求24所述的微机电器件，其特征在于：运动限制器结构的碰撞元件与所述第一结构层的第一止挡元件之间的间隙大于运动限制器结构的碰撞元件与所述第二结构层的所述第一止挡元件之间的间隙。
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