本發(fā)明涉及微機電系統(tǒng)，并且特別地涉及一種mems(微機電系統(tǒng))傳感器和一種包括mems傳感器的半導體封裝。

背景技術：

mems技術的一個常見應用是慣性感測裝置的設計和制造。在慣性傳感器(例如mems加速度計)中，可以使用內(nèi)部結構，例如檢測質量塊(proofmass)、懸臂梁和/或交叉梳齒來檢測傳感器運動的改變。

加速度計的測量范圍是傳感器的輸出信號規(guī)格所支持的加速度的等級，其通常以±g來指定。這是部件可以測量并準確地表示為輸出的加速度的最大量。根據(jù)其由滿量程范圍指定的最高輸出值，加速度計被分類為高g、中g或低g加速度計。

可以將各種類型的mems傳感器與通過單獨的工藝步驟制作的集成電路(微電子電路)一起結合在基板上。然而，不斷需要減小封裝在一起的傳感器和電路的組合的尺寸。例如，存在檢測在兩個方向或三個方向上的慣性運動的雙軸加速度計和三軸加速度計。通常，雙軸加速度計和三軸加速度計具有用于檢測沿每個檢測軸(x軸、y軸和/或z軸)的加速度的單獨的mems元件。對于許多應用而言，這樣的多元件加速度計的尺寸和成本可能會過大。

作為另一示例，現(xiàn)代車輛的安全氣囊系統(tǒng)使用加速度傳感器來確定釋放的觸發(fā)點，并且可以通過加速度計觸發(fā)安全帶張緊器。mems裝置(例如加速度計和陀螺儀)也可以用作電子穩(wěn)定控制(esc)技術方面的傳感器，以使車輛中車輛轉向控制的損耗最小化。在將來，esc傳感器日益與安全氣囊系統(tǒng)的控制單元和加速度計集成在同一位置中。因此，需要將用作esc傳感器的低g加速度計和陀螺儀與安全氣囊系統(tǒng)的中g加速度計集成，以減小部件尺寸和成本。

安全氣囊系統(tǒng)的中g加速度計通常是對車輛的縱向加速度方向和橫向加速度方向兩者均敏感的2軸mems傳感器。通常，已經(jīng)通過將整個中g加速度計以45°角安裝在其上裝配有傳感器的印刷電路板上來實現(xiàn)這樣的靈敏性。然而，在集成系統(tǒng)中，封裝尺寸必須是緊湊的，因此將中g加速度計以相對于esc傳感器45°角安裝不再可行。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施方式公開了一種新型傳感器配置，其測量縱向方向上的加速度和橫向方向上的加速度，并且同時使得能夠與具有在縱向和橫向方向上的邊的矩形形狀的其他部件緊湊集成。

本發(fā)明的實施方式包括在獨立權利要求1中限定的微機電系統(tǒng)(mems)傳感器以及根據(jù)獨立權利要求20的半導體封裝。

通過在從屬權利要求和下面的詳細描述中限定的實施方式來更詳細地討論本發(fā)明可實現(xiàn)的另外的優(yōu)點。

附圖說明

圖1是mems加速度傳感器的示意性橫截面圖；

圖2是包括圖1的mems加速度傳感器的半導體封裝的示意性橫截面圖。

具體實施方式

下面的實施方式是示例性的。盡管說明書可以引用“一(an)”、“一個(one)”或“一些”實施方式，但這并不一定意味著每個這樣的引用均是針對(一個或多個)相同的實施方式的或者該特征僅適用于單個實施方式。不同實施方式的各個特征可以組合以提供另外的實施方式。

在下文中，將通過可以實現(xiàn)本發(fā)明的各種實施方式的裝置架構的簡單示例來描述本發(fā)明的特征。僅詳細描述與說明實施方式有關的元件。在本文中可以不具體描述本領域的技術人員通常已知的微機電傳感器的各種實現(xiàn)方式。

圖1是mems加速度傳感器的簡化示意性橫截面圖。mems加速度傳感器包括被配置成測量加速度的可移動部件和固定部件。加速度感測的原理簡單可靠：根據(jù)牛頓第二定律，將運動體的慣量(inertia)轉換成力。加速度計的基本元件為彈簧、檢測質量塊和周圍的支承結構。彈簧將質量塊連接至支承件。當傳感器的速度發(fā)生改變時，經(jīng)由彈簧耦接件(coupling)迫使檢測質量塊跟著改變。需要力來改變檢測質量塊的運動。由于該力，彈簧彎曲(deflect)并且檢測質量塊的位置與加速度成比例地改變。在電容式傳感器中，支承件和檢測質量塊彼此絕緣并且測量支承件和檢測質量塊的電容或電荷存儲容量。傳感器將運動體的加速度轉換成電流、電荷或電壓。在壓電檢測時，可以通過彈簧上的壓電層來感測彈簧的撓曲(flexure)。

圖1中的mems傳感器的部件包括基板7、元件框架1、彈簧錨固件11、檢測質量塊2和撓性(flexural)彈簧5。

基板7在文中是指mems器件的底層并且在圖1中作為用于器件層的圖案化部件的空白背景而示出。通常，基板包括通過絕緣層與器件層分開的硅層。例如，許多mems器件可以由分層的固體結構(例如，絕緣體上硅(soi)晶片或帶有腔體的絕緣體上硅(腔體-soi)晶片)制造。soi晶片通常包括處理晶片層、掩埋氧化物(box)層和器件層。處理晶片層通常是最厚的部分，幾百微米厚，而器件層通常為幾十微米厚。box層通常為零點幾微米到幾微米厚。box層可以淀積在處理晶片層或器件層上，并且兩片硅彼此可以結合，使得box層位于兩片硅之間，并且能夠使器件層部件與處理晶片電隔離。

元件框架1在文中表示剛性地固定至基板7的固體機械元件。元件框架1的作用是形成圍繞器件層中的部件的側壁，由此氣密地包圍內(nèi)部腔體并且機械地支撐元件層結構。考慮將橫截面的平面，即穿過圖1中的器件層的圖案化部件的平面作為公共平面。元件框架1可以具有矩形形狀，使得在公共平面中，元件框架的外表面形成四個邊，其中，在橫向方向垂直于縱向方向的情況下，兩個縱邊20、21在縱向方向上平行延伸，并且兩個橫邊22、23在橫向方向上平行延伸。應當注意，術語橫向和縱向在文中用于簡單參照附圖和潛在應用中可測量的加速度的可能方向。在該范圍內(nèi)，mems結構的任何兩個正交的平面內(nèi)方向可以用作橫向方向和縱向方向。

這些邊可以與基板7和芯片的其他可能的層的外側對準，使得在所呈現(xiàn)的視圖中mems傳感器的外圍尺寸與元件框架1的外圍尺寸很好地對準或由元件框架1的外圍尺寸限定。因此，考慮到要將mems傳感器與其他矩形形狀的芯片集成到同一芯片上，限定由mems傳感器占據(jù)的芯片面積的尺寸可以完全取決于元件框架1的縱邊和橫邊的尺寸。

彈簧錨固件11在文中表示元件層與基板7之間的連接點。彈簧錨固件11剛性地固定至基板7并且向撓性彈簧5提供固定的起點。在圖1的示例中，示出了梁式彈簧(beamspring)。在該范圍內(nèi)，也可以應用其他撓性彈簧類型，例如曲折(meandering)彈簧或折疊彈簧。彈簧5的一端連接至彈簧錨固件11，并且彈簧5的另一端耦接至檢測質量塊2，使得彈簧5提供撓性耦接件，該撓性耦接件通過彈簧錨固件11將檢測質量塊2撓性地懸掛到基板7。檢測質量塊2和彈簧5沿公共平面延伸。圖1示出了在彈簧的非撓曲狀態(tài)下，即在mems傳感器被制造并準備好進行操作但未經(jīng)歷被測量的加速度的狀態(tài)下的結構。在所述非撓曲狀態(tài)下，mems傳感器的彈簧軸線25在彈簧的相對端之間延伸。彈簧有利地是撓性的，并且當受到在平面內(nèi)的方向上(平行于公共平面)施加的并垂直于彈簧軸線(感測方向)的力時，彈簧彎曲。彈簧5有利地在任何其他方向上盡可能剛性。

在元件框架中，將最靠近彈簧錨固件11的頂點30指示為第一頂點。那么在元件框架1的矩形形狀中，第一縱邊21和第一橫邊23是元件框架1的矩形形狀的、通過第一頂點30連接的邊。器件層元件的取向現(xiàn)已被布置成使得彈簧軸線25與第一縱邊21和第一橫邊23兩者均形成銳角。因此，當檢測質量塊2由于被測量的加速度而移位時，彈簧的形變將檢測質量塊2的移位轉變成公共平面中的旋轉運動模式。旋轉運動模式的旋轉軸線垂直于公共平面(平面外方向)。由于元件的特定取向，所以旋轉運動模式可以由縱向方向上的加速度和橫向方向上的加速度引起，只要縱向方向上的加速度和橫向方向上的加速度在與彈簧軸線25垂直的方向上具有分量即可。然而，明顯的是，對于總加速度矢量而言，僅在感測方向上的分量被該結構測量到。部件的布置引起對于測量在覆蓋縱向方向的加速度和橫向方向上的加速度的范圍內(nèi)的加速度的固有靈敏性。然而，在縱向方向上和橫向方向上延伸的外部尺寸使得mems傳感器能夠與具有在縱向方向和橫向方向上延伸的邊的其他矩形部件緊湊并排地放置在同一封裝中。

在圖1的示例性配置中，加速度的測量基于電容檢測，而不將范圍限制為僅電容檢測。對于電容感測而言，mems傳感器可以包括被配置用于測量加速度的一個或更多個梳狀電容器。每個梳狀電容器9a、9b可以包括：轉子梳齒組4a、4b，該轉子梳齒組被耦接成與檢測質量塊2一起運動；以及定子梳齒組6a、6b，該定子梳齒組剛性地固定至基板7。在梳狀電容器9a、9b中的每個中，轉子梳齒組4a、4b可以從可移動的檢測質量塊2延伸，并且定子梳齒組6a、6b可以從剛性定子線棒(bar)3a、3b延伸。定子線棒3a、3b可以被錨固至基板7并且彼此電絕緣。因此，由轉子梳齒組4a、4b中的轉子梳齒和定子梳齒組6a、6b中的相鄰的定子梳齒形成的每對梳齒形成單獨的平行板電容器。

在圖1的配置中，該結構包括兩個梳狀電容器9a、9b。梳狀電容器9a的輸出與由轉子梳齒組4a和定子梳齒組6a形成的平行板電容器的總和對應，并且梳狀電容器9b的輸出與由轉子梳齒組4b和定子梳齒組6b形成的平行板電容器的總和對應。因此，梳狀電容器9a、9b形成兩個電容，這兩個電容同時隨著檢測質量塊的旋轉運動模式而變化。這對電容可以用于提供與檢測質量塊在公共平面中的移位對應的差分輸出信號sx：

sx＝s(9a)–s(9b)

其中，s(9a)表示從梳狀電容器9a輸出的信號，并且s(9b)表示從梳狀電容器9b輸出的信號。差分檢測有效地消除了梳狀電容器的電容的潛在共同誤差偏移。

在圖1的示例性配置中，彈簧軸線5是對角的，使得彈簧軸線5與元件框架1的第一縱邊21和第一橫邊23形成45°的銳角。根據(jù)圖1容易理解，不在彈簧軸線的方向上或與彈簧軸線垂直的外部加速度在縱向方向上和橫向方向上具有分量，因此能夠引起檢測質量塊進入旋轉運動模式。因此，該配置使得外部形狀為矩形的mems傳感器對在其兩個垂直外邊(peripheralside)的方向上的加速度敏感。彈簧軸線的對角取向是有利的，因為其通過對稱性和長撓曲的使用來實現(xiàn)平衡，其優(yōu)點將在稍后更詳細地討論。然而，也可以應用其他銳角，例如40°至50°之間的角度或甚至在35°至55°之間的角度。

因此，在圖1的配置中，定子梳齒6a、6b與元件框架1的第一縱邊21和第一橫邊23形成第一銳角，并且轉子梳齒4a、4b與元件框架1的第一縱邊21和第一橫邊23形成第二銳角。如圖1所示，第一銳角和第二銳角可以相等，其中，第一銳角和第二銳角為45°的銳角，并且彈簧軸線也與元件框架1的第一縱邊21和第一橫邊23形成45°的銳角。

另一方面，第一銳角和第二銳角可以不相同。檢測質量塊的旋轉模式與其常規(guī)的平面內(nèi)線性模式相比，一個可能的缺陷是，當線性轉子梳齒以平面內(nèi)旋轉模式運動時，傾向于在轉子梳齒與定子梳齒之間形成微小的角。mems傳感器可以被設計成具有斜(slanted)(或傾斜(tilted))的梳齒，使得在初始非撓曲狀態(tài)下，定子梳齒和轉子梳齒不平行，而是相對于彼此輕微傾斜，以便使?jié)撛诘木€性誤差最小化。定子梳齒和轉子梳齒可以被布置成在最大位移(最大滿量程)處或例如在最大位移的一半(滿量程的1/2)處變得平行，以使非線性得到補償。初始狀態(tài)下齒之間的角度可以基于給定的滿量程或半量程要求以及相關的最大位移來逐個確定。因此，鑒于圖1，第一銳角與第二銳角之間可能存在初始差異。在檢測質量塊2的旋轉運動模式下，當轉子梳齒4a、4b在最大位移或最大位移的一半處變得平行于定子梳齒6a、6b時，可以調節(jié)該差異。

mems型慣性傳感器中的一個誤差源由檢測質量塊在與期望的感測模式不同的振動模式下的振蕩引起。在理想情況下，電容式慣性mems傳感器的行為如同具有單個阻尼諧振頻率的質量阻尼彈簧系統(tǒng)。然而，實際上，mems傳感器是復雜的元件，其傾向于還在非期望的方向上具有額外的寄生諧振模式。這些寄生模式可能導致傳感器不穩(wěn)定。所期望的測量模式稱為第一模式。其他模式，即第二(2^nd)模式、第三(3^rd)模式等是寄生模式，并且應該優(yōu)選地具有比第一模式的頻率更高的頻率，以便不干擾測量。

第一模式、第二模式和第三模式的彈簧常數(shù)可以分別根據(jù)式(1)至(3)來確定：

k1＝ew³h/4/³，(1)

k＝gw³h/3/，(2)

k2＝ewh³/4/³，(3)

其中，

k1是測量模式(第一模式)下的彈簧常數(shù)，

k是非期望諧振模式(第二模式)下的彈簧常數(shù)，

k2是另一非期望諧振模式(第三模式)下的彈簧常數(shù)，

h是彈簧的高度(平面外方向)，

l是在與彈簧錨固件的連接點和與檢測質量塊的連接點之間進行測量的情況下彈簧的長度，

w是彈簧的寬度(平面內(nèi)方向)，以及

e和g是楊氏模量和剪切模量。

可以通過配置彈簧尺寸以使式(4)和(5)最大化來優(yōu)化傳感器的設計。這意味著k1的值應盡可能小，而k和k2應該較大。

k/k1＝4g|²|3e(4)

k2/k1＝h²/w²(5)

因此，在根據(jù)式(4)和(5)進行優(yōu)化的設計中，在測量模式(第一模式)的期望頻率和制造工藝的限制內(nèi)，彈簧長度(l)應盡可能大，彈簧寬度(w)盡可能小，并且彈簧高度(h)盡可能大。

在圖1的配置中，已經(jīng)通過以下方式使彈簧的長度最大化：將彈簧設計成沿矩形的最長對角線方向延伸，甚至部分地在被定位成靠近元件框架的一個角的三角形狀的檢測質量塊中，而彈簧的另一端被錨固至元件框架的相對角。三角形狀的檢測質量塊意味著檢測質量塊包括可以與元件框架的角對準的角區(qū)域。更具體地，檢測質量塊2可以具有多邊形形狀，其中，兩個相鄰邊區(qū)段40、41形成直角。相鄰邊區(qū)段中的一個邊區(qū)段40可以平行于縱向方向，并且相鄰邊區(qū)段中的另一個邊區(qū)段41平行于橫向方向。當檢測質量塊被定位成靠近元件框架的角時，這些相鄰邊區(qū)段40、41之間的角頂點42最靠近元件框架的第二頂點31。第二頂點31是元件框架1的矩形形狀中與第一頂點30相對的頂點。當彈簧5在檢測質量塊2中伸縮時，檢測質量塊的側面的至少一部分相比于彈簧與檢測質量塊的連接點更靠近第一頂點30。這可以例如通過包括切口28的檢測質量塊來實現(xiàn)，在該切口中，彈簧50延伸至與檢測質量塊的連接點，但通過窄的間隙與檢測質量塊分開。

考慮到式(4)和(5)，在圖1的配置中，可以通過例如允許彈簧5采用器件層的最大高度和元件框架的矩形形狀中的最大長度來將寄生振動模式保持為盡可能高，同時以檢測質量塊尺寸來設計彈簧寬度以將系統(tǒng)配置到期望的測量范圍。

即使可以將寄生諧振模式設計成具有高彈簧常數(shù)，所有模式，即中g傳感器的測量模式和寄生模式仍應該是高度阻尼的，以避免振動問題。在本發(fā)明中，這可以通過高氣壓和與封蓋(capping)晶片的淺的平面外間隙來實現(xiàn)。轉子齒與定子齒之間的間隙也可以保持為小的。利用這些措施，除了沿對角彈簧軸線25的平面內(nèi)模式以外，所有其他模式通常是高度阻尼的。然而，該非阻尼模式是與測量模式相比具有固有的很高的彈簧常數(shù)的體(bulk)模式：

k3＝ewh/l，(6)

k3/k1＝4/²/w²(7)

其中，

k1是測量模式(第一模式)下的彈簧常數(shù)，

k3是另一個非期望的諧振模式(第四模式)下的彈簧常數(shù)。

在平行板電容器中，電容與交疊面積成比例，并且與兩個電容器板之間的間隔成反比。可以使用平行板電容器來創(chuàng)建限制的(closing)間隙結構或面積調節(jié)的結構或兩者的混合。在限制的間隙結構中，電容器板朝向和遠離彼此移動。通常，這些板中的一個是固定的(定子)，而另一板(轉子)移動靠近固定板以及遠離固定板。然后，可以利用式(1)近似地對電容行為進行建模：

其中，c是電容，ε是介電常數(shù)，a是板之間的交疊面積，d是板之間的初始間隙，x是距離初始間隙位置的位移，并且cf是靜態(tài)雜散電容。

在圖1的示例性配置中，平行板電容器可以被認為是限制的間隙結構。這意味著電容器的測量電容主要根據(jù)梳齒之間的間隙寬度而變化。一個或更多個梳狀電容器的平行板電容器可以被配置成使得從梳狀電容器延伸的每個定子梳齒的長度相等，這是所期望的，使得其是同樣剛性的并且具有相同的(寄生)諧振頻率。這可以借助于檢測質量塊的特定形狀和相應形成的定子線棒3a、3b來實現(xiàn)。有利地，梳狀電容器的梳齒至少在彈簧的非撓曲狀態(tài)下具有相同的交疊面積。圖1示出如何構造具有相同長度的齒的一個示例。在該范圍內(nèi)，可以應用其他可能的設計。

在圖1的配置中，檢測質量塊2具有交錯的多邊形形狀，并且轉子梳齒4a、4b從檢測質量塊2的至少三個邊區(qū)段朝向定子梳齒6a、6b延伸。另外，定子線棒3a、3b具有與檢測質量塊2的邊區(qū)段匹配的多邊形形狀，使得一個或更多個梳狀電容器的平行板電容器具有相同的交疊面積，并且每個梳狀電容器9a、9b的梳齒具有相同的長度。

第一剛性定子線棒3a通過定子錨固件8a錨固至基板7，并且第二剛性定子線棒3b通過另一定子錨固件8b錨固至基板7。定子錨固件8a、8b到彈簧錨固件11的距離可以被調節(jié)為小于第一縱邊21和第一橫邊23中較小者的一半。通過這種方式，轉子梳齒4a、4b與基板7的錨固點和定子梳齒6a、6b與基板7的錨固點彼此靠近，這提高了傳感器抵抗外部應力的魯棒性。

圖2是包括至少一個如上所述的mems傳感器的半導體封裝的示意性橫截面圖。在現(xiàn)有技術的解決方案中，通常針對每個測量軸均存在單獨的mems元件。例如，安全氣囊電子系統(tǒng)測量各種傳感器信號并控制若干不同的致動器，以致力于防止乘客在發(fā)生事故時受傷。在這些系統(tǒng)中，使用加速度計和陀螺儀來提供測量任意運動和位置的能力。通常需要將用作esc傳感器的低g加速度計和陀螺儀與安全氣囊系統(tǒng)的中g加速度計集成，以減小尺寸和成本。

圖2的封裝12示出了包括針對安全氣囊系統(tǒng)構造的專用集成電路(asic)13和用于測量旋轉運動的mems陀螺儀14的半導體封裝。本發(fā)明的兩個中g加速度計16和17以及一個3軸低g加速度計18可以緊湊并排地裝配在單個管芯15上并且被包括在封裝12中。管芯15可以連接至asic13。

對于本領域技術人員明顯的是，隨著技術的進步，本發(fā)明的基本思想可以以各種方式來實現(xiàn)。因此，本發(fā)明及其實施方式不限于上述示例，而是可以在權利要求的范圍內(nèi)變化。