[发明专利]抗静摩擦的MEMS器件及其操作方法

说明书

技术领域

本发明通常涉及微机电系统（MEMS）器件。更具体地说，本发明涉及对静摩擦有增强抵抗力的MEMS器件。

背景技术

微加工和其它微制作技术及工艺方面的进步使得能够制作各种微电子和微机电系统（MEMS）器件。MEMS的常见的应用是传感器器件的设计和制作。微机电系统（MEMS）传感器器件被广泛应用于例如汽车、惯性制导系统、家用电器、各种器件的保护系统、以及许多其它的工业、科学、以及工程系统。这种MEMS器件被用于感测物理状态，例如加速度、角速率、压力、温度等等，并且提供表示感测的物理状态的电信号。

附图说明

结合附图并参阅详细说明书以及权利要求，对本发明可有比较完整的理解。其中在附图中类似的参考符号表示相似的元件，以及：

图1根据一个实施例，示出微机电系统（MEMS）器件的侧视图；

图2示出图1的MEMS器件的顶视图；

图3示出可能包括图2的MEMS器件的半导体封装的侧视图；

图4示出图1的MEMS器件的方框图；

图5示出与MEMS器件的操作模式不同的弹簧刚度的变化的图表；

图6示出经历正常操作的MEMS器件的方框图；

图7示出经历静摩擦条件的MEMS器件的方框图；

图8示出在静摩擦条件之后经历恢复事件的MEMS器件的方框图。

具体实施方式

悬挂式可移动微结构，例如板和梁，通常用于各种微机电系统（MEMS）器件的制作中。悬挂式微结构通常有带有高刚度的大表面积。然而，这种用于悬挂式微结构的悬挂弹簧可能具有相对低的刚度，这取决于应用。此外，微结构通常被制作成远离其支撑衬底几微米。这些特性的结合使得MEMS器件容易受到力的影响，该力可以使悬挂式可移动微结构垂直地朝向支撑衬底偏转和/或横向地朝向周围结构或横挡块偏转。如果偏转力足够强，可移动元件可以接触并暂时或永久地附着于底层衬底或横向结构，这就导致错误输出信号和/或器件故障。可移动结构的意外粘附被称为静摩擦。

静摩擦既可以在MEMS器件制作期间发生，也可以在正常使用期间发生。在正常使用期间，如果悬挂式可移动微结构通过外力，例如机械冲击被置于暂时或永久地接触其衬底，将会发生静摩擦。机械或物理冲击是例如由碰撞、下降、反弹等等引起的突然加速或减速。此外，或可替代地，机械冲击将导致MEMS器件内的各种元件的破损或断裂，这就永久地降低MEMS器件的长期可靠性。因此，机械冲击将对MEMS器件结构的可靠性造成严重的问题。

微电子器件行业逐渐朝向将多个传感器集成到单一的器件封装以降低成本和形成因素。在一个这样多传感器器件封装中，单一的MEMS半导体管芯可能包括加速计和角速率传感器。角速率传感器，也被称为陀螺仪，需要在真空中操作以为低压操作和高信号响应实现高品质因数Q。相反，加速计需要在阻尼模式，即在非真空环境中操作，以避免欠阻尼反应，其中器件的可移动元件可以经受多个振荡以响应于单一的干扰。

有不同压力要求的两种类型的器件对于将其集成到单一的器件封装造成重大问题。例如，在包括角速率传感器和加速计的多传感器封装中，所需的实现角速率传感器的高Q值的真空环境可能导致加速计在欠阻尼模式下操作。由于振动或机械冲击，加速计的欠阻尼操作模式可能加强可移动元件中的振荡响应，从而增加静摩擦故障的可能性。

实施例详细描述对未上电阶段和上电阶段的静摩擦有增强抵抗力的微机电系统（MEMS）器件。特别是，实施例详细描述带有可移动元件的MEMS器件，该元件通过弹簧构件悬挂在衬底之上，其中弹簧构件被设计带有比MEMS器件的灵敏度规范要求的标称弹簧常数高的机械弹簧常数。实施例还详细描述操作MEMS器件的方法，其中相对高偏压在上电阶段期间被施加于感测电极以通过弹簧软化作用增加可移动元件的灵敏度。由于可移动元件在上电阶段的欠阻尼响应，闭合回路反馈控制可以被利用以大大消除共振峰。当检测到静摩擦条件时，高偏压可以被移除以使可移动元件从静摩擦条件恢复。较高的机械弹簧常数在未上电阶段产生带有较大恢复力的较硬的弹簧以使得从静摩擦恢复。此外，由于弹簧相对硬，可移动元件有较高的自然频率，这使得它不太容易受到来自环境振动的干扰，否则将导致可移动元件的共振。因此，MEMS器件的可移动元件可以有效地在真空或低压环境中操作，其中在该环境中，欠阻尼响应将可能导致另一器件无效地操作。