具有彎曲接觸表面的質(zhì)量塊定位結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)包括襯底、位于襯底表面上方位置的第一曲面和沿著平行于襯底的表面的第一軸線與第一曲面大致相對的第二曲面，其中所述第一曲面能夠沿著第一軸線在朝向第二曲面的方向上移動(dòng)。
【專利說明】具有彎曲接觸表面的質(zhì)量塊定位結(jié)構(gòu)
[0001] 本申請要求2011年11月9日提交的美國臨時(shí)申請?zhí)?1/557, 767的權(quán)益，其整個(gè) 內(nèi)容在本文中通過參考合并。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，并且更具體地涉及包含傳感器的半導(dǎo)體器件。

【背景技術(shù)】
[0003] 在本文中稱為"MEMS"或者"MEMS器件"的微機(jī)電系統(tǒng)使用微型裝配技術(shù)將電氣和 機(jī)械部件集成在相同的硅襯底上。電氣部件使用集成電路方法裝配，而機(jī)械部件使用與集 成電路方法相兼容的微型加工方法裝配。這個(gè)結(jié)合使得使用標(biāo)準(zhǔn)制造方法在硅襯底上裝配 整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)成為可能。
[0004] MEMS器件的常見應(yīng)用是傳感器的設(shè)計(jì)和制造。由于MEMS所表現(xiàn)的敏感度、空間和 時(shí)間分辨率和較低的電力需求，這些傳感器已證實(shí)在各種應(yīng)用中是有效的解決方案。因此， MEMS傳感器（比如慣性傳感器、陀螺儀和壓力傳感器）已經(jīng)被研發(fā)在各種廣泛的應(yīng)用中使 用。
[0005] MEMS慣性傳感器對于測量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加速度都是有用的。特別地，MEMS慣性傳感 器可以用于感測器件的方位和位置。一種類型的MEMS慣性傳感器包括由彈簧支撐在襯底 固定架上方的質(zhì)量塊。襯底固定架限定腔，質(zhì)量塊可移動(dòng)地定位在所述腔內(nèi)。彈簧將質(zhì)量 塊定位在腔內(nèi)的中性位置。當(dāng)襯底固定架加速時(shí)，質(zhì)量塊相對于襯底固定架從中性位置移 動(dòng)，但是仍然在腔內(nèi)。響應(yīng)于襯底固定架的加速度，在眾多因素中，彈簧的彈簧常數(shù)確定由 質(zhì)量塊展現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)量。質(zhì)量塊在腔內(nèi)的行進(jìn)跨距稱為位移范圍。電氣引線可以連接到襯底 固定架和質(zhì)量塊。襯底固定架的加速度能夠通過測量襯底固定架和質(zhì)量塊之間的電容而感 測。
[0006] -些已知的MEMS慣性傳感器合并一個(gè)或者多個(gè)定位結(jié)構(gòu)以便限制并限定質(zhì)量塊 在腔內(nèi)的位移范圍。如果傳感器受到超過閾值力的力，質(zhì)量塊可以移動(dòng)到最大位移的位置。 即使質(zhì)量塊已經(jīng)移動(dòng)到最大位移的位置，定位結(jié)構(gòu)確保質(zhì)量塊保持合適地定位在腔內(nèi)。而 且，定位結(jié)構(gòu)防止質(zhì)量塊移動(dòng)到使彈簧折斷、斷裂或以其他方式破壞的位置。
[0007] 在過去，定位結(jié)構(gòu)是用襯底固定架上的平的表面和質(zhì)量塊上相應(yīng)的平的表面來實(shí) 現(xiàn)。當(dāng)質(zhì)量塊移動(dòng)到最大位移的位置時(shí)，這些平的表面彼此接觸。盡管具有平的表面的定 位結(jié)構(gòu)有效地限制并限定質(zhì)量塊的最大位移，但靜摩擦力可能由于平的表面之間的接觸而 出現(xiàn)。
[0008] 如本文中所使用的，詞語"靜摩擦力"指的是將與第二物體物理接觸的第一物體移 動(dòng)必須克服的力。通常，靜摩擦力關(guān)于第一和第二物體之間的接觸區(qū)域的表面積而增加。隨 著靜摩擦力施加到具有帶平的接觸表面的定位結(jié)構(gòu)的MEMS，靜摩擦力可以由于大的外部物 理沖擊比如跌落試驗(yàn)、彈簧-質(zhì)量共振頻率激勵(lì)等而出現(xiàn)。如G. J. 0' Brian，D. J. Monk和 L.lin，美國機(jī)械工程學(xué)會(huì)MEMS，第一卷，275-280頁（1999)"通過電容-電壓（C-V)曲線靜 電激勵(lì)/鎖存的靜摩擦力研究"報(bào)道的，MEMS慣性傳感器的靜電自檢測試激勵(lì)也是可能導(dǎo) 致靜摩擦力的事件。
[0009] 靜摩擦力可能導(dǎo)致MEMS慣性傳感器產(chǎn)生錯(cuò)誤的測量值或者變得無法操作。特別 地，一些導(dǎo)致靜摩擦力的事件可能導(dǎo)致質(zhì)量塊永久地粘附到襯底固定架上，從而導(dǎo)致MEMS 終止感測加速度。其他的導(dǎo)致靜摩擦力的事件可以導(dǎo)致質(zhì)量塊暫時(shí)粘附到襯底固定架，這 可以導(dǎo)致MEMS不準(zhǔn)確地感測加速度。因此，質(zhì)量塊由于靜摩擦力暫時(shí)和永久的粘附到襯底 固定架可能導(dǎo)致MEMS慣性傳感器產(chǎn)生錯(cuò)誤的測量值。
[0010] 因此，MEMS慣性傳感器在襯底固定架和質(zhì)量塊之間受到較小的靜摩擦力是有利 的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 在一個(gè)實(shí)施例中，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)包括襯底、位于襯底的表面上方位置的第一 曲面以及沿著平行于襯底表面的第一軸線與第一曲面大致相對的第二曲面，其中第一曲面 可以沿著第一軸線以朝向第二曲面的方向移動(dòng)。
[0012] 根據(jù)另一實(shí)施例，用于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)的加速計(jì)包括襯底、在襯底表面上方位 置并且具有位于質(zhì)量塊第一側(cè)的第一曲面的質(zhì)量塊，以及行進(jìn)擋塊，其具有與第一曲面大 致相對的第二曲面，其中第一曲面可以沿朝向第二曲面的方向移動(dòng)。
[0013] 根據(jù)另一實(shí)施例，一種形成用于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)的加速計(jì)的方法包括：形成襯 底；在襯底表面上方的位置形成質(zhì)量塊，其具有位于質(zhì)量塊的第一側(cè)的第一曲面；以及形 成第一行進(jìn)擋塊，其相對于襯底固定到位置，并且所述第一行進(jìn)擋塊包括與第一曲面大致 相對的第二曲面，其中質(zhì)量塊可以沿朝向第一行進(jìn)擋塊的方向移動(dòng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 從下面的參照附圖的描述，本文所公開的器件的特征將對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說 變得明顯，在附圖中：
[0015] 圖1描繪具有質(zhì)量塊定位結(jié)構(gòu)的微機(jī)電系統(tǒng)（"MEMS"）的透視圖，所述質(zhì)量塊定 位結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊上的凹隨動(dòng)件和固定架上的凸行進(jìn)擋塊；
[0016] 圖2描繪沿著圖1的線2-2的MEMS的橫截面圖；
[0017] 圖3描繪圖1的MEMS的俯視圖；
[0018] 圖4描繪圖1的MEMS的定位結(jié)構(gòu)的局部俯視圖，其中質(zhì)量塊處于中性位置；
[0019] 圖5描繪圖1的MEMS的定位結(jié)構(gòu)的局部俯視圖，其中質(zhì)量塊處于沿X軸的最大負(fù) 向位移位置；
[0020] 圖6描繪圖1的MEMS的定位結(jié)構(gòu)的局部俯視圖，其中質(zhì)量塊處于沿y軸的最大負(fù) 向位移位置；
[0021] 圖7描繪具有質(zhì)量塊定位結(jié)構(gòu)的MEMS的實(shí)施例的俯視圖，所述質(zhì)量塊定位結(jié)構(gòu)包 括質(zhì)量塊上的凹隨動(dòng)件和固定架上的凸行進(jìn)擋塊；
[0022] 圖8描繪具有質(zhì)量塊定位結(jié)構(gòu)的MEMS的實(shí)施例的俯視圖，所述質(zhì)量塊定位結(jié)構(gòu)包 括固定架上的凹隨動(dòng)件和質(zhì)量塊上的凸行進(jìn)擋塊；
[0023] 圖9描繪具有質(zhì)量塊定位結(jié)構(gòu)的MEMS的實(shí)施例的俯視圖，所述質(zhì)量塊定位結(jié)構(gòu)包 括質(zhì)量塊上的矩形隨動(dòng)件和固定架上的凸行進(jìn)擋塊；
[0024] 圖10描繪用于形成具有質(zhì)量塊定位結(jié)構(gòu)的MEMS的掩膜的俯視圖，所述質(zhì)量塊定 位結(jié)構(gòu)包括由亞微米間隙隔開的第一元件和第二元件；
[0025] 圖11描繪形成有圖10的掩膜的MEMS的俯視圖；
[0026] 圖12描繪用于形成具有質(zhì)量塊定位結(jié)構(gòu)的MEMS的掩膜的俯視圖，所述質(zhì)量塊定 位結(jié)構(gòu)包括由亞微米間隙隔開的第一元件和第二元件；
[0027] 圖13描繪形成有圖12的掩膜的MEMS的俯視圖；
[0028] 圖14描繪MEMS隧穿尖端加速計(jì)的示意性視圖；和
[0029] 圖15描繪用于形成圖14的隧穿尖端加速器的第一和第二尖端的掩膜的局部俯視 圖。

【具體實(shí)施方式】
[0030] 為了促進(jìn)理解本文中所描述的器件和方法的原理的目的，現(xiàn)在將參照附圖中示出 并且在下面的書面說明書中描述的實(shí)施例。應(yīng)理解，并不旨在由此限制器件和方法的范圍。 進(jìn)一步應(yīng)理解，器件和方法包括示出的實(shí)施例的任何變體和改進(jìn)，并且包括如屬于該器件 和方法領(lǐng)域的技術(shù)人員通常想到的器件和方法的原理的進(jìn)一步應(yīng)用。
[0031] 圖1描繪微機(jī)電系統(tǒng)（"MEMS"）100的示例性實(shí)施例。MEMS100配置為感測加速 度。特別地，當(dāng)MEMS100在具有沿z軸分量的方向加速時(shí)，MEMS100產(chǎn)生與加速度有關(guān)的電 輸出。
[0032] MEMS100包括襯底108、壁112和質(zhì)量塊116。襯底108限定大致正交于（S卩，垂直 于）z軸的x-y平面內(nèi)的表面120。壁112連接到襯底108并且在表面120上方沿著z軸延 伸。壁112可以由與襯底108相同的材料形成，并且，在一些實(shí)施例中，壁112可以與襯底 108成為一體?？商娲?，壁112可以是不同于襯底108的材料，其沉積在表面120上并且 結(jié)合到襯底108。如圖1所示，壁112作為單一的材料部分圍繞質(zhì)量塊116形成；然而，壁 112還可以作為由一個(gè)或多個(gè)空間間隔開的材料部分圍繞質(zhì)量塊116形成。壁112和表面 120限定腔124。腔124具有沿y軸的長度、沿X軸的寬度和沿z軸的深度。
[0033] 質(zhì)量塊116定位在腔124內(nèi)以便響應(yīng)于MEMS100在具有沿z軸分量的方向加速而 相對于襯底108移動(dòng)。質(zhì)量塊116可以由不同于襯底108的材料形成。如下面所描述的， 彈簧126 (圖2)使質(zhì)量塊116懸在襯底108上方。質(zhì)量塊116具有沿著y軸的長度、沿著 X軸的寬度和沿著z軸的高度。質(zhì)量塊116的長度和寬度小于腔124的長度和高度以便允 許質(zhì)量塊116在腔124內(nèi)沿著X軸、y軸和z軸移動(dòng)。
[0034] 參照圖2和圖3更加詳細(xì)地描述MEMS100。如圖2的橫截面圖所示出的，MEMS100 包括彈簧126和保持元件128。彈簧126使質(zhì)量塊116在中性位置懸在表面120上方。在 圖1_圖4中，質(zhì)量塊116被示出在中性位置。彈簧126的彈簧常數(shù)與響應(yīng)于MEMS100的力口 速度由質(zhì)量塊116顯示的位移的程度有關(guān)。特別地，具有低振幅彈簧常數(shù)彈簧的MEMS100 可以具有低于具有較高振幅彈簧常數(shù)彈簧126的MEMS100的加速度閾值。如本文中所使用 的，"加速度閾值"指的是MEMS100配置為感測的最小加速度。當(dāng)MEMS100終止加速時(shí)以及 當(dāng)MEMS100的加速度降到低于加速度閾值時(shí)，彈簧126使質(zhì)量塊116返回到中性位置。保 持元件128 (在圖1和圖3中未示出）形成腔124的上邊界并且大致平行于表面120。保 持元件128防止質(zhì)量塊116由于MEMS100在具有沿著負(fù)z軸方向分量的方向加速而離開腔 124。
[0035] MEMS100包括定位結(jié)構(gòu)132以便限制質(zhì)量塊116相對于襯底108沿著X軸和y軸 方向的移動(dòng)。定位結(jié)構(gòu)132包括行進(jìn)擋塊134和隨動(dòng)件136。如圖1和圖3所示，隨動(dòng)件 136在質(zhì)量塊116上形成并且行進(jìn)擋塊134在壁112上形成；然而，在其他實(shí)施例中，隨動(dòng) 件136在壁112上形成并且行進(jìn)擋塊134在質(zhì)量塊116上形成。在每個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)質(zhì)量 塊116移動(dòng)到沿著X軸和/或y軸的最大位移位置時(shí)，隨動(dòng)件136接觸行進(jìn)擋塊134。
[0036] 定位結(jié)構(gòu)132參照圖4-圖6進(jìn)一步詳細(xì)描述。隨動(dòng)件136包括凹陷138和口 140。 凹陷138限定具有半徑142的曲面。凹陷138的曲面定位在襯底108的表面120上方并且 在x-y平面內(nèi)大致是凹面?？?140限定凹陷138的外邊緣?？?140具有從凹陷138的下邊 緣延伸到凹陷138的上邊緣的長度150。行進(jìn)擋塊134包括具有頭部146和頸部147的柱 144。頭部146連接到頸部147的端部。頭部146限定曲面，其在x-y平面內(nèi)大致是凸面。 頭部146的曲面具有半徑148。半徑142和半徑148是不相等的，特別地，半徑142大于半 徑 148。
[0037] 如圖4所示，當(dāng)質(zhì)量塊116在中性位置時(shí)，行進(jìn)擋塊134定位在凹陷138內(nèi)。如圖 5所示，當(dāng)質(zhì)量塊116被移動(dòng)到沿著X軸的最大位移點(diǎn)時(shí)，頭部146的頂點(diǎn)151接觸凹陷138 的頂點(diǎn)152。如本文所使用的，詞語"頂點(diǎn)"指的是凹陷138的最深點(diǎn)和頭部146的最高點(diǎn)。 由于半徑142大于半徑148,頂點(diǎn)151和頂點(diǎn)152之間的接觸是點(diǎn)接觸。當(dāng)質(zhì)量塊116移動(dòng) 到沿著y軸的最大位移點(diǎn)時(shí)，如圖6所示，頸部147以點(diǎn)接觸接觸口 140。當(dāng)質(zhì)量塊116移 動(dòng)到沿著X軸的最大位移點(diǎn)和沿著y軸的最大位移點(diǎn)之間的位置時(shí)，頭部146在頂點(diǎn)152 與口 140之間以點(diǎn)接觸接觸凹陷138。
[0038] 定位結(jié)構(gòu)132將質(zhì)量塊116沿著X軸和y軸的運(yùn)動(dòng)限制到固定的距離。具體地， MEMS100左側(cè)和右側(cè)的定位結(jié)構(gòu)132將質(zhì)量塊116沿y軸的運(yùn)動(dòng)限制到距離154 (圖6)。特 別地，距離154等于長度150減去頸部147的厚度156。而且，MEMS100左側(cè)和右側(cè)的定位 結(jié)構(gòu)132將質(zhì)量塊116沿X軸的運(yùn)動(dòng)限制到距離160。具體地，當(dāng)質(zhì)量塊116在中性位置 時(shí)，間隙162使頭部146與凹陷138分離。距離160等于間隙162的長度的兩倍。MEMS100 的上側(cè)和下側(cè)的定位結(jié)構(gòu)132將質(zhì)量塊116沿X軸的運(yùn)動(dòng)限制到距離154并將質(zhì)量塊116 沿y軸的運(yùn)動(dòng)限制到距離160。
[0039] MEMS100可以形成有減少數(shù)量的定位結(jié)構(gòu)132。再次參照圖3, MEMS100左側(cè)的定 位結(jié)構(gòu)132解決負(fù)X軸方向和正負(fù)y軸方向的超行程，而MEMS100右側(cè)的定位結(jié)構(gòu)132解決 正X軸方向和正負(fù)y軸方向的超行程。因此，MEMS100可以用MEMS100左側(cè)的一個(gè)定位結(jié)構(gòu) 132和MEMS100右側(cè)的一個(gè)定位結(jié)構(gòu)132來解決質(zhì)量塊116在x-y平面內(nèi)的每個(gè)方向的超 行程。而且，MEMS100的頂側(cè)的定位結(jié)構(gòu)132解決正負(fù)X軸方向和正y軸方向的超行程，而 MEMS100的底側(cè)的定位結(jié)構(gòu)132解決正負(fù)X軸方向和負(fù)y軸方向的超行程。因此，MEMS100 也可以用MEMS100頂側(cè)的一個(gè)定位結(jié)構(gòu)132和MEMS100底側(cè)的一個(gè)定位結(jié)構(gòu)132來解決質(zhì) 量塊116在x-y平面內(nèi)的每個(gè)方向的超行程。
[0040] 因?yàn)榫哂行∮诘诙姘霃降牡谝磺姹囟ㄔ谂c兩個(gè)曲面都相切的單個(gè)點(diǎn)與第 二曲面接觸，定位結(jié)構(gòu)132配置為減小行進(jìn)擋塊134與隨動(dòng)件136之間的靜摩擦力。特別 地，如圖5所示，當(dāng)質(zhì)量塊116已經(jīng)移動(dòng)到沿X軸的最大負(fù)位移位置時(shí)，頭部146的頂點(diǎn)151 接觸凹陷138的頂點(diǎn)152。相似地，如圖6所示，當(dāng)質(zhì)量塊116已經(jīng)移動(dòng)到沿y軸的最大正 位移位置時(shí)，頭部146接觸口 140。為了滿足相切點(diǎn)接觸區(qū)域，半徑142和半徑148是不相 等的。與已知的平的行進(jìn)擋塊相比，接觸區(qū)域的減小表面積減小隨動(dòng)件136與行進(jìn)擋塊134 之間的靜摩擦力。因此，MEMS100具有減小的靜摩擦力閾值，并且，因此可以配置為測量非 常小的加速度。
[0041] 現(xiàn)在參照圖7，MEMS200的另一實(shí)施例被示出。MEMS200包括襯底204、壁208和質(zhì) 量塊212。襯底204限定x-y平面內(nèi)的表面216,其大致正交于（即，垂直于）z軸。壁208 連接到襯底204并且沿z軸在表面216上方延伸。壁208和表面216限定腔220,其具有沿 著y軸的長度、沿著X軸的寬度和沿著z軸的深度。質(zhì)量塊212定位在腔220內(nèi)以便響應(yīng) 于MEMS200在具有沿著z軸分量的方向加速而相對于襯底204移動(dòng)。
[0042] MEMS200包括定位結(jié)構(gòu)224以便限制質(zhì)量塊212相對于襯底204在沿著X軸和y 軸的方向的運(yùn)動(dòng)。特別地，與MEMS100相比，MEMS200包括四個(gè)附加的定位結(jié)構(gòu)224。附加 的定位結(jié)構(gòu)224減小在外部物理沖擊（比如但不局限于跌落試驗(yàn)）、靜電自測試致動(dòng)、彈 簧-質(zhì)量共振頻率激勵(lì)期間施加到任何一個(gè)定位結(jié)構(gòu)224上的力。
[0043] MEMS300的另一實(shí)施例在圖8中示出。MEMS300包括襯底304、壁308和質(zhì)量塊 312。襯底304限定x-y平面內(nèi)的表面316,其大致正交于（即，垂直于）z軸。壁308連接 到襯底304并且在表面316上方沿著z軸延伸。壁308和表面316限定腔320,其具有沿 著y軸的長度、沿著X軸的寬度和沿著z軸的深度。質(zhì)量塊312定位在腔320內(nèi)以便響應(yīng) 于MEMS300沿著具有z軸分量的方向加速而相對于襯底304移動(dòng)。
[0044] MEMS300包括定位結(jié)構(gòu)324以便限制質(zhì)量塊312相對于襯底304在沿著X軸和y 軸方向的移動(dòng)。定位結(jié)構(gòu)324包括隨動(dòng)件328和柱332。隨動(dòng)件328中的一些在壁308上 形成，并且隨動(dòng)件328中的一些在質(zhì)量塊312上形成。相似地，柱332中的一些在壁308上 形成，并且柱332中的一些在質(zhì)量塊312上形成。MEMS300具有如參照MEMS100所描述的相 同的靜摩擦力閾值減小的優(yōu)點(diǎn)。
[0045] 參照圖9，MEMS400的另一實(shí)施例被示出。MEMS400包括襯底404、壁408和質(zhì)量塊 412。襯底404限定x-y平面內(nèi)的表面416,其大致正交于（即，垂直于）z軸。壁408連接 到襯底404并且在表面416的上方沿著z軸延伸。壁408和表面416限定腔420,其具有沿 著y軸的長度、沿著X軸的寬度和沿著z軸的深度。質(zhì)量塊412定位在腔420內(nèi)以便響應(yīng) 于MEMS400在具有沿著z軸分量的方向加速而相對于襯底404移動(dòng)。
[0046] MEMS400包括定位結(jié)構(gòu)424以便限制質(zhì)量塊412相對于襯底404在沿著X軸和y 軸方向的運(yùn)動(dòng)。定位結(jié)構(gòu)424包括隨動(dòng)件428和行進(jìn)擋塊432。行進(jìn)擋塊432包括具有曲 面的頭部436。隨動(dòng)件428包括矩形區(qū)域440而不是凹陷138。定位結(jié)構(gòu)424限制質(zhì)量塊 412在沿著X軸和y軸方向的超行程。額外地，當(dāng)質(zhì)量塊412已經(jīng)移動(dòng)到最大位移位置時(shí)， 定位結(jié)構(gòu)424減小壁408和質(zhì)量塊412之間的接觸面積。例如，當(dāng)質(zhì)量塊412已經(jīng)移動(dòng)到 沿著X軸的最大位移位置時(shí)，頭部436的頂點(diǎn)接觸矩形區(qū)域440的單個(gè)點(diǎn)。然而，當(dāng)質(zhì)量塊 412已經(jīng)移動(dòng)到沿著X軸和y軸的最大位移位置時(shí)，頭部336在離散的接觸點(diǎn)接觸矩形區(qū)域 440。因此，與已知的平的定位結(jié)構(gòu)相比，靜摩擦力閾值減小。在另一實(shí)施例（未示出）中， 行進(jìn)擋塊432在質(zhì)量塊412上而具有矩形區(qū)域440的隨動(dòng)件428在壁408上。
[0047] MEMS100可以根據(jù)下面的方法形成。首先，形成襯底108。在一個(gè)實(shí)施例中，襯底 108在硅晶片上形成。然后，表面120在襯底108上刻蝕，或者以其他方式微加工。本文中 所使用的詞語"刻蝕"包括濕化學(xué)刻蝕、汽相刻蝕和干刻蝕以及其他形式的刻蝕和微加工。 雖然表面120示出為與襯底108的剩余部分在相同的x-y平面內(nèi)，表面120還可以在井內(nèi) 在襯底108的剩余部分下面形成。
[0048] 然后，形成彈簧126的材料沉積在表面120上。氧化物的犧牲層可以圍繞彈簧126 在表面120上形成。此后，形成壁112和質(zhì)量塊116的材料沉積在表面120上，以使得形成 質(zhì)量塊116的材料沉積在犧牲層上并且懸在表面120上方。形成質(zhì)量塊116的材料結(jié)合到 彈簧126。形成壁112的材料結(jié)合到表面120。然后，掩膜沉積在材料上方。掩膜至少輪廓 出并且限定壁112、質(zhì)量塊116和定位結(jié)構(gòu)132。
[0049] 接著，不受掩膜阻礙的材料被刻蝕以便形成壁112、質(zhì)量塊116和定位結(jié)構(gòu)132。額 外地，如果存在一個(gè)犧牲層，犧牲層也被刻蝕以便將質(zhì)量塊116與表面120分離以便允許彈 簧將質(zhì)量塊116支撐在中性位置。該方法還可以包括，形成保持元件128以便將質(zhì)量塊116 密封在腔124內(nèi)。而且，第一電引線可以連接到表面120,并且第二電引線可以連接到質(zhì)量 塊116。在一些實(shí)施例中，彈簧126可以用作第二電引線。
[0050] 在操作中，MEMS100感測具有沿z軸分量的方向的加速度。在一個(gè)實(shí)施例中，加速 度通過用連接到第一和第二電引線的電容測量器件測量表面120與質(zhì)量塊116之間的電容 而感測。特別地，質(zhì)量塊116被示出在與表面120輕微分離的中性位置，其導(dǎo)致質(zhì)量塊116 與表面120之間的電容。如果MEMS100要沿著z軸向下加速，質(zhì)量塊116將相對于表面120 向上移動(dòng)。質(zhì)量塊116和表面120之間測量的電容隨著質(zhì)量塊116和表面120之間的距離 增加而減小。電容的改變與MEMS100的加速度有關(guān)。
[0051] 圖10示出用于形成MEMS的示例的掩膜500。掩膜500配置為形成圖11的 MEMS502。圖11的MEMS502包括襯底530、壁534和質(zhì)量塊538。襯底530限定x-y平面內(nèi) 的表面542,其大致正交于（S卩，垂直于）z軸。壁534連接到襯底530并且在表面542上方 沿z軸延伸。壁534和表面542限定腔546,其具有沿著y軸的長度、沿著X軸的寬度和沿 著z軸的深度。質(zhì)量塊538定位在腔546內(nèi)以便響應(yīng)于MEMS502在具有沿著z軸分量的方 向加速而相對于襯底530移動(dòng)。MEMS502包括多個(gè)定位結(jié)構(gòu)550,每個(gè)定位結(jié)構(gòu)具有壁元件 554和質(zhì)量塊元件558。
[0052] 掩膜500(圖10)使用橫向硅蝕刻方法以便形成壁元件554和質(zhì)量塊元件558之間 的亞微米間隙562 (圖11)。如圖10所示，掩膜500配置為形成許多類型的定位結(jié)構(gòu)550。 特別地，掩膜500包括壁元件掩膜部分560和質(zhì)量塊元件掩膜部分564。部分560和部分 564在點(diǎn)568處橋接到一起以使得部分560接觸部分564。然而，在橫向硅蝕刻過程期間， 在部分560、564下面和點(diǎn)568下面延伸的某些材料被蝕刻，從而形成壁元件554和質(zhì)量塊 元件558并且將壁元件554與質(zhì)量塊元件558分離。在部分560、564下面和點(diǎn)568下面發(fā) 生的橫向蝕刻的程度由點(diǎn)568的面積控制，如所示由圖11的亞微米間隙562控制。亞微米 間隙562從最小（頂部）到最大（底部）布置。圖12的掩膜600也被配置為利用橫向娃 蝕刻方法形成MEMS604 (圖13)。掩膜600包括定位結(jié)構(gòu)掩膜部分608,其產(chǎn)生如圖13的 MEMS604的定位結(jié)構(gòu)612所示的各種寬度的亞微米間隙616。亞微米間隙616從最?。?部）到最大（底部）布置。
[0053] 橫向硅蝕刻可以用于形成如圖14所示的MEMS隧穿尖端加速計(jì)700。隧穿尖端 部加速計(jì)在包括c. H. Liu和T. W. Kenny，"高精度、寬帶寬微加工隧穿加速計(jì)"，微機(jī)電系統(tǒng) 期刊，第十卷，3 號，425-433 頁（2001)以及 P.G. Hartwell, F.M.Bertsch，K. L. Turner,和 N.C. MacDonald，"單個(gè)掩膜橫向隧穿加速計(jì)"，微機(jī)電系統(tǒng)會(huì)議（1998)的文獻(xiàn)中討論。在 圖14的加速計(jì)700中，質(zhì)量塊704由彈簧708支撐。加速計(jì)700包括x-y平面內(nèi)的第一凸 面，其被稱為尖端712,以及x-y平面內(nèi)的第二凸面，其被稱為尖端716。隧穿電流從尖端 712流到尖端716。隧穿電流在焊盤720和724之間測量。靜電力反饋施加到焊盤728和 732上以便維持隧穿尖端間隙736并且也確保用于寬范圍的外部加速輸入激勵(lì)幅值的隧穿 電流穩(wěn)定。加速計(jì)700的場濃度在如圖14所示的尖端位置最大。在一些實(shí)施例中，局部熱 氧化可以施加到尖端712、716。
[0054] 加速計(jì)700的尖端712、716由下面的方法形成。首先，圖15的掩膜部分750施加 到沉積在襯底上的半導(dǎo)體材料區(qū)域的上方。掩膜部分750包括橋接到一起的尖端掩膜754、 758。然后，橫向蝕刻方法將在掩膜部分750下面延伸的半導(dǎo)體材料的一部分去除。特別地， 在橫向蝕刻方法之后，即使尖端掩膜754、758橋接到一起，亞微米間隙736也在尖端712、 716之間形成。
[0055] 本文中所描述的器件和方法已經(jīng)在附圖和前面的描述中詳細(xì)示出和描述，其被認(rèn) 為是示例性的并且本質(zhì)上不受限制。應(yīng)理解，僅僅已呈現(xiàn)優(yōu)選的實(shí)施例，并且期望保護(hù)在本 文中所描述的器件和方法的精神范圍內(nèi)的所有的改變、變體和進(jìn)一步的應(yīng)用。
【權(quán)利要求】
1. 一種微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)，所述MEMS包括： 襯底； 第一曲面，其位于襯底表面上方的位置；和 第二曲面，其沿著平行于襯底表面的第一軸線與第一曲面大致相對，其中所述第一曲 面能夠沿著第一軸線在朝向第二曲面的方向上移動(dòng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS，其中所述第一曲面在大致平行于所述表面的平面內(nèi)是 大致的凸面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的MEMS，其中所述第二曲面在大致平行于所述表面的平面內(nèi)是 大致的凸面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的MEMS，其中所述第二曲面位于突起內(nèi)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的MEMS，其中： 所述第一曲面沿著第一軸線的移動(dòng)被限制到第一距離； 所述大致的凸面具有從大致凸面的口到大致凸面的頂點(diǎn)的第二距離；和 所述第一距離的長度小于所述第二距離的長度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS，其還包括： 第三曲面，其位于襯底表面上方的位置；和 第四曲面，其沿著平行于襯底表面并且垂直于第一軸線的第二軸線與第三曲面大致相 對，其中所述第三曲面能夠沿著第二軸線在朝向第四曲面的方向上移動(dòng)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的MEMS，其還包括： 第五曲面，其位于襯底表面上方的位置；和 第六曲面，其沿著第一軸線與第五曲面大致相對，其中所述第五曲面能夠沿著第一軸 線在朝向第六曲面的方向上移動(dòng)。
8. 一種用于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)的加速計(jì)，其包括： 襯底； 質(zhì)量塊，其位于襯底表面上方的位置并且具有位于質(zhì)量塊第一側(cè)的第一曲面；和 行進(jìn)擋塊，其具有與第一曲面大致相對的第二曲面，其中所述第一曲面能夠沿著朝向 第二曲面的方向移動(dòng)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的加速計(jì)，其中第一曲面和第二曲面中的至少一個(gè)在大致平行 于所述表面的平面內(nèi)是大致的凸面。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的加速計(jì)，其中所述第二曲面在大致平行于所述表面的平面 內(nèi)是大致的凸面。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的加速計(jì)，其中所述第二曲面位于突起內(nèi)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的加速計(jì)，其中： 所述質(zhì)量塊具有沿著平行于襯底表面的第一軸線的跨度，質(zhì)量塊被允許在該跨度內(nèi)移 動(dòng)； 所述第二曲面定位成沿著第一軸線與第一曲面大致相對；和 所述第一曲面的至少一部分貫穿所述跨度被定位在第二曲面的口內(nèi)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的加速計(jì)，其還包括： 質(zhì)量塊的具有第三曲面的第二側(cè)；和 具有與第三曲面大致相對的第四曲面的第二行進(jìn)擋塊，其中所述質(zhì)量塊能夠沿著第二 軸線在朝向第四曲面的方向上移動(dòng)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的加速計(jì)，其中所述第一側(cè)與所述第二側(cè)相鄰。
15. -種形成用于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)的加速計(jì)的方法，所述方法包括： 形成襯底； 在襯底表面上方的位置形成質(zhì)量塊，在質(zhì)量塊的第一側(cè)具有第一曲面； 形成第一行進(jìn)擋塊，其相對于襯底固定到位并且包括與第一曲面大致相對的第二曲 面，其中所述質(zhì)量塊能夠沿著朝向第一行進(jìn)擋塊的方向移動(dòng)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中形成質(zhì)量塊包括： 形成所述第一曲面以具有大致的凸面，其具有第一曲率半徑。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中形成第一行進(jìn)擋塊包括： 形成所述第二曲面以具有大致的凸面，其具有第二曲率半徑，并且所述第一曲率半徑 小于所述第二曲率半徑。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中形成第一行進(jìn)擋塊還包括： 在面向所述第一曲面的壁上形成突起；和 在所述突起內(nèi)形成所述第二曲面。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其還包括： 在質(zhì)量塊的第二側(cè)上形成第三曲面；和 形成第二行進(jìn)擋塊，其相對于襯底固定到位并且包括與第三曲面大致相對的第四曲 面。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述第一側(cè)與所述第二側(cè)相鄰。
【文檔編號】G01P15/125GK104145185SQ201280060813
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月9日
【發(fā)明者】G·奧布賴恩 申請人:羅伯特·博世有限公司, G·奧布賴恩