具有通过保护帽进行信号路由的微机电设备及控制微机电设备的方法与流程

分案申请说明

本申请是于2013年6月20日提交的申请号为201310259186.8、名称为“具有通过保护帽进行信号路由的微机电设备及控制微机电设备的方法”的中国发明专利申请的分案申请。

本发明涉及具有通过保护帽进行信号路由的微机电设备以及控制微机电设备的方法。

背景技术：

众所周知，对微机电系统(mems)的使用在各行各业的技术中遇到了不断增长的扩展，并且已经在大范围的应用中产生了令人振奋的结果，尤其是在惯性传感器、微集成陀螺仪以及机电振荡器的生产中。

在对高性能和使用的灵活性的要求不断增加的推动之下，技术已经迅速地发展并且导致了能够检测不同的独立的量的微型化的微机电传感器的生产。例如，关于使用集成在单个裸片中的微结构的多轴运动传感器(加速器和陀螺仪)已经提出了众多解决方案。

然而，趋向微型化和集成的趋势，在对集成在裸片中的传感器与外部环境，尤其是与通常在分开的裸片(dice)上获得的控制设备进行通信的需求方面已经遇到了限制。事实上，集成微结构的裸片的一个重要部分是排他性地专用于容纳与外界连接的接触焊盘。自相矛盾的是，尽管从机电的立场来看，成熟的解决方案提供了极紧凑的微结构设计，但是焊盘和相应的连接线需要的面积却不能够被减小到超过一定的限度。

能够检测若干独立的量的集成的传感器因此需要考虑在面积方面的相当大的支出。

针对连接的设计，除了要解决技术上的困难以外，单位面积产量也很低，并且设备的成本较高。

技术实现要素：

本发明的目标在于提供使得能够克服上述限制的微机电设备以及控制微机电设备的方法。

根据本发明，提供分别在权利要求1至权利要求14中限定的微机电设备以及控制微机电设备的方法。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在将描述一些本发明的实施例，仅通过非限制性的示例并且参考附图的方式，其中：

图1是根据本发明的实施例的微机电设备的简化俯视图；

图2是图1的微机电设备的简化框图；

图3是穿过图1的微机电设备的部分的截面；

图4是图1的微机电设备的细节的简化的电路图；

图5是图4的细节的变体的简化的电路图；

图6示出根据图5的变体的关于在微机电设备中使用的量的图；

图7示出根据图5的变体的关于在微机电设备中使用的相关逻辑函数的表格；

图8是根据本发明的不同的实施例的微机电设备的简化框图；

图9是根据本发明的另一实施例的微机电设备的俯视图；

图10是根据本发明的另一实施例的穿过微机电设备的一部分的截面；

图11是根据本发明的另一实施例的穿过微机电设备的一部分的截面；

图12是具有部分被移除的图11的微机电设备的简化俯视图；以及

图13是合并了根据本发明实施例的微机电设备的电子系统的简化框图。

具体实施方式

参考图1和图2，示意性地图示了多轴微机电传感器，并且整体由1标示。微机电传感器1包括结构部件2和控制电路或asic(专用集成电路)3。

结构部件2继而包括微结构裸片4和保护帽5，通过导电键合区域7彼此键合。

根据一个实施例，微结构裸片4容纳第一微机电结构8和第二微机电结构10，其分别形成多轴加速器和电容型多轴陀螺仪的结构部分。在下文中，为了简明起见，这些微机电结构将被称为“微结构8”和“微结构10”。

第一微结构8和第二微结构10具有通过相应导电键合区域7耦合至保护帽5的相应端子组8a、10a(图3)。

保护帽5不仅通过导电键合区域7也通过键合环(未示出)键合至微结构裸片4，并且保护帽5被布置成保护微结构8、10。键合环和导电键合区域7优选地由单个导电键合层制成，并且由相同的导电材料组成。然而，导电键合区域7与导电环电绝缘，以实现适当的信号路由。

保护帽5包括选择模块13、驱动模块14、路由结构15和通孔17，例如是tsv(硅通孔技术)型。

选择模块13和驱动模块14被制作在保护帽5的一部分之中，为了简便起见，其将在下文中称为“基底”。然而，将理解，根据制作选择模块13和驱动模块14所需要求，保护帽5的该部分除了包括适当的半导体基底还可以包括多晶半导体层和单晶半导体层以及介电层或部分层。

选择模块13和驱动模块14被容纳在基底18的与路由结构15相邻的面18a的附近。

路由结构15包括多个连接线16，多个连接线16被布置在若干水平面上并且被嵌入在介电材料层19中。路由结构15因此使得能够在微结构8、10和选择模块13之间、在选择模块13和驱动模块14之间、以及在选择模块13和驱动模块14和被布置在与基底18的面18a相对的面18b上的并且耦合至控制设备3的相应信号端子3a的接触焊盘20之间提供多个固定的且非共面的连接(图1和图2)。

如图2中示意性示出的那样，选择模块13具有多个第一选择端子13a、第二选择端子13b以及控制端子13c。如下文所释，选择模块13的第一选择端子13a通过路由结构15和键合区域7耦合至第一微结构8和第二微结构10的端子8a和10a。第二选择端子远少于第一选择端子13a，并且耦合至相应接触焊盘20。通过路由结构15以及相应通孔17获得第二选择端子13b至焊盘20的连接，该通孔17从与路由结构15相邻的面18a穿过基底18至相对面18b。

在此处图示的实施例中，控制端子13c耦合至驱动模块14的相应输出。备选地，在没有驱动模块14的情况下，控制端子13c可以直接地耦合至控制设备3的相应时钟端子3b。

选择模块13包括多个被控制设备3控制的开关21(此处通过驱动模块14)，以便根据多个耦合配置的、与相应运行状况对应的选择配置，将第二选择端子13b耦合至第一选择端子13a。

如图4中以示例方式示出的那样，开关21具有耦合至相应第一选择端子13a的第一导电端子和耦合至相应第二选择端子13b的第二导电端子。此外，开关21的控制端子控制选择模块13的相应控制端子13c。更具体而言，在一个实施例中，开关21的第一导电端子耦合至相应的单独(distinct)第一选择端子13a。开关21的群组21a反而具有耦合至同一选择端子13b的相应第二导电端子。

开关21以此种方式被控制，从而在每个群组21a中，每次只有一个开关21闭合，而所有其它的开关都打开。

在一个实施例中(图5)，微结构8、10向相应第一端子13a’、13a"提供加速信号ax、ay、az和角速度信号ωx、ωy、ωz。为了简明起见，此处图示了单极信号的情况，但是已说明的内容一般也适用于差分信号的情况，除了以下事实之外：还要求不同数目的第一端子13a、第二端子13b和开关21。接收加速信号ax、ay、az的第一端子13a’选择性地通过开关21’的第一群组21a’与同一第二端子13b’可连接，而接收角速度信号ωx、ωy、ωz的第一端子13a"选择性地通过开关21"的第二群组21a"与同一第二端子13b"可连接。第一群组21a’的开关21’和第二群组21"的开关21"在微机电传感器1的操作期间轮流地一次一个地选择性地闭合。

再次参考图1至图3，驱动模块14具有通过路由结构15、通孔17以及在基底18的面18b上的焊盘20耦合至控制设备3的相应时钟端子3b的输入。驱动模块14从控制设备3接收时钟信号ck1,…,ckm，并且产生用于开关21的控制信号sc1,…,scn。可以被单独的群组21a的开关21共享的控制信号sc1,…,scn被提供给选择模块13的控制端子13c，用以确定每个开关20的状态(打开或闭合)。以此方式，驱动模块14确定选择模块13的配置以及微机电传感器1的运行状态。

在图5的示例中，两个时钟信号ck1、ck2被并行地提供给驱动模块14的相应输入。备选地，时钟信号可以通过单个端子或少量端子被串行地提供。诸如在加电或进入或退出节能(省电)配置的步骤的期间，时钟信号ck1、ck2依次采取在读取来自微结构8、10的信号的步骤期间的图6中图示的值，并且在微机电传感器1不在读取步骤中时同时采取零值。驱动模块14包括实现相应逻辑函数f1、f2、f3以根据时钟信号ck1、ck2生成三个控制信号sc1、sc2、sc3的逻辑块24。控制信号sc1、sc2、sc3分别被提供给第一群组21a’的相应开关21’的和第二群组21a"的相应开关21"的控制端子。

按图7中图示的表格的方式定义逻辑函数f1、f2、f3，从而在每个群组21a’、21a"中，所有的开关21’、21"将在读取微机电传感器1的步骤中轮流地一次一个地选择性地闭合。

根据图8中示意性地图示的变体，微机电传感器1包括具有存储器和自动处理能力的选择模块13*，并且选择模块13*生成从由控制设备3提供的单个时钟信号ck开始的适当操作所必须的控制信号sc1,…,scn的序列。

在这种情况下，除了耦合至信号端子3a所必须的焊盘20之外，在控制设备3上单个时钟端子3b是足够的，并且在保护帽上单个焊盘20是足够的。

根据图9中图示的实施例，微机电传感器的结构部件102包括微结构芯片104以及保护帽105，微结构芯片104容纳第一微结构108和第二微结构110。保护帽105集成了基本上已经描述的选择模块113、驱动模块114和路由结构(未示出)。在保护帽105上，接触焊盘120被制作用于容纳在微结构芯片104中的微结构。微结构裸片104被规划到关于保护帽的至少一侧上，并且在自由部分上还容纳接触焊盘120’。

图10示出了根据本发明的另一实施例的微机电传感器的结构部件202。并未完整地图示微机电传感器，并且除了包括结构部件202之外，微机电传感器还包括基本上已经描述的控制设备或asic。

结构部件202包括微结构裸片204和保护帽205，通过导电键合区域207彼此键合。

微结构裸片204容纳分别形成双轴加速器(具有平面内检测)和单轴加速器(具有平面外检测)的结构部分的第一微结构208和第二微结构210。

具体而言，第一微结构208包括由半导体材料制成的第一检测质量体230，其通过弹性的连接元件(此处未示出)被约束到微结构芯片204的基底231。第一检测质量体204根据两个独立的平移自由度关于基底231可移动，并且可以在均衡位置附近振荡。第一检测质量体230具有平面可移动电极232(由虚线表示)，电容性地耦合至相应固定电极235(也是平面的)，固定电极235锚定至基底231。未示出的其它的可移动电极和固定电极被布置在与可移动电极232垂直的平面中并且与固定电极235耦合。

第二微结构210包括第二检测质量体240，其也是由半导体材料制成并且也通过又一弹性连接元件(未示出)被约束到至基底231，以便关于与基底231的面231a平行的轴a振荡。第二检测质量体240限定可移动电极，并且电容性地耦合至在基底231上形成的固定电极243。

第一微结构208的可移动电极232和固定电极235通过相应键合区域207被电耦合至保护帽205(可移动电极232的连接还利用了弹性连接元件并且在图10中不可见)。

第二检测质量体240通过弹性连接元件和相应键合区域电耦合至保护帽205(第二检测质量体240的连接在图10中不可见)。

第二微结构210的固定电极243通过在基底231上形成的连接线245、导电插塞246和相应键合区域207被电耦合至保护帽205。

保护帽205通过键合区域207和键合环(未示出)键合至微结构芯片204，并且被布置成保护微结构208、210。键合环和导电键合区域207优选地由同一导电键合层组成，并且由同一导电材料制成。然而，导电键合区域207与键合环电绝缘，以实现适当信号路由。

保护帽205包括容纳于基底218中的选择模块213、路由结构215以及通孔217。在这种情况下，保护帽205没有独立的驱动模块，并且可能的逻辑函数被合并在选择模块213中(由数字214示意性地标示)。

路由结构215包括嵌入在介电层219中并且被布置在若干单独水平面上的金属连接线216。金属连接线216例如由铜制成，并且使用“大马士革”技术获得。

选择模块213被容纳在基底218的与路由结构215相邻的面218a附近，并且具有多个第一选择端子213a和第二选择端子213b。第一选择端子213a通过路由结构215和键合区域207耦合至第一微结构208和至第二微结构210。第二选择端子213b远少于第一选择端子213a，并且耦合至设置在基底218的与面218a相对的面218b上的相应接触焊盘220。通过路由结构215和相应通孔217获得第二选择端子213b至焊盘220的连接，该通孔217从面218a穿过基底218至相对面218b。

选择模块213基本上按照已经描述的那样被制成，并且包括多个开关(此处未示出)，控制该开关，以便选择性地根据与相应运行状况对应的多个耦合配置之一，将第二选择端子213b耦合至第一选择端子213a。在这种情况下，选择模块213具有存储器以及自动处理能力，并且接收用于配置第二选择端子213b至第一选择端子213a的连接的时钟信号ck。

图11示出了根据本发明的另一实施例的微机电传感器的结构部件302。并未完整地图示微机电传感器，并且除了包括结构部件302之外，微机电传感器还包括基本上已经描述的控制设备或asic。

结构部件302包括通过导电键合区域307彼此键合的微结构芯片304和保护帽205。

微结构芯片304容纳形成双轴加速器的结构部分的微结构308。

更具体而言，微结构308包括由半导体材料制成的检测质量体330，检测质量体330机械地耦合至微结构裸片304的基底331以便具有两个自由度(在此处描述的实施例中，平移自由度和关于非质心轴的转动自由度)。

检测质量体330具有平面板形式的两组可移动电极332、333，该两组可移动电极332、333在彼此平行并且与基底331的面331a垂直的平面中以梳状形式延伸。此外，两组可移动电极332、333基本上是对称的。

微结构308还包括两组固定电极335、336，固定至基底331并且分别电容性地耦合至可移动电极332、333的组。

固定电极335的组包括形式同样是平面板的电极结构337，电极结构337朝向检测质量体330以梳状形式延伸。可移动电极332和电极结构337朝向彼此延伸并且形成为梳指状。

每个电极结构337包括相应第一固定电极337a和相应第二固定电极337b，第一固定电极337a和第二固定电极337b都由多晶硅制成并且通过介电区域338彼此绝缘。第一固定电极337a、介电区域338和第二固定电极337b在与基底331的面331a垂直的方向上按顺序形成堆叠。第一固定电极337a占据固定电极结构337的、在介电区域338和面向基底331的边缘(margin)337c之间延伸的部分。第二固定电极337b反而占据电极结构337的、在介电区域338和与边缘337c相对并且面对保护帽305的边缘337d之间延伸的部分。

固定电极336的组在关于可移动的质量体330与固定电极335的组相对的位置刚性地固定至基底331。固定电极336的组包括形式也是平面板的电极结构340，电极结构340在彼此平行并且与衬底331的面331a的平面中朝向检测质量体330以梳状方式延伸。可移动电极333和电极结构340朝向彼此延伸并且形成为梳指状。

每个电极结构340包括相应第一固定电极340a和相应第二固定电极340b，二者都由多晶硅制成并且通过介电区域341彼此绝缘。第一固定电极340a、介电区域341和第二固定电极340b在与基底331的面331a垂直的方向上按顺序形成堆叠。第一固定电极340b(对相应的电极结构337的第一固定电极337a共面)占据固定电极结构340的在介电区域341和面向基底331的边缘340c之间延伸的部分。第四固定电极340b(对相应的电极结构337的第一固定电极337b共面)反而占据电极结构340的在介电区域341和与边缘340c相对并且面向保护帽305的边缘340d之间延伸的部分。

电极结构337、340的第一固定电极337a、340a耦合至相应电连接线345，电连接线345在基底331上形成并且通过导电插塞346和相应键合区域307耦合至保护帽305。

电极结构337、340的第二固定电极337b、340b通过相应键合区域307键合至保护帽305。

如图12中以简化方式示出的那样，电极结构337的第一固定电极337a和第二固定电极337b电容性地耦合至检测质量体3的相应可移动电极332a，并且用后者定义具有整体电容ca、cb的相应电容器。固定电极结构340的第三固定电极340a和第四固定电极340b电容性地耦合至检测质量体3的相应可移动电极332b并且用后者定义具有整体电容cc、cd的相应电容器。

再次参考图11，保护帽305包括被容纳在基底318中的选择模块313、路由结构315和通孔317。

路由结构315包括嵌入在介电层319中并且被布置在若干单独水平面上的金属连接线316。

选择模块313被容纳在基底318的、与路由结构315相邻的面318a附近，并且具有多个第一选择端子313a和第二选择端子313b。第一选择端子313a通过路由结构315和键合区域307耦合至微结构308。第二选择端子313b远少于第一选择端子313a并且耦合至设置在基底318的与面318a相对的面318b上的相应接触焊盘320。通过路由结构315和相应通孔317获得第二选择端子313b至焊盘320的连接，通孔317从面318a穿过基底318至相对的面318b。

基本上按照已经描述的那样制成选择模块313，并且选择模块313包括多个开关(此处未示出)，控制该开关以便选择性地根据与相应运行状况对应的多个耦合配置的之一，将第二选择端子313b耦合至第一选择端子313a。在这种情况下，选择模块313具有用以实现逻辑控制函数的存储器以及自动处理能力(整体由数字314标示)，并且接收用于配置第二选择端子313b至第一选择端子313a的连接的时钟信号ck。

在保护帽上使用选择模块和接触焊盘有利地使得能够释放微结构芯片上的空间并且实现可用于微结构的较大区域。事实上应该考虑没有必要将焊盘排他地布置在微结构周围。可以在帽的、覆盖微结构、选择模块以及驱动模块的区域中提供焊盘(参见在图1中的该连接中的关于微结构8、10、选择模块13和驱动模块14的焊盘20)。

用于朝向外界，尤其朝向控制设备的连接所需的焊盘的数目较少，对开关进行控制所需的焊盘的数目也较少。因此，简化了设计，还因为连接线形成过程中的较大灵活性，所以提供较大尺寸的焊盘成为可能，从而有利于后续提供接触。

图13图示了根据本发明的一个实施例的电子系统400的部分。系统400合并了微机电设备1并且可以在如下设备中使用，诸如掌上计算机(个人数字助手、pda)、可能具有无线能力的膝上型或便携式计算机、蜂窝电话、消息传输设备、数字音乐播放器、数字摄像机或被设计成处理、存储、发送或接收信息的其它设备。例如，微机电设备1可以在数字摄像机中用于检测移动并执行图像稳定。在另一实施例中，在计算机或视频游戏控制台的动作激活的用户接口中包括微机电设备1。在另一实施例中，微机电设备1被并入卫星导航设备并且用于在失去卫星定位信号的情况下临时地跟踪位置。

电子系统400可以包括控制器410、输入/输出(i/o)设备420(例如，键盘或显示器)、微机电设备1、无线接口440和易失性或非易失性的存储器460，其通过总线450彼此耦合。在一个实施例中，可以使用电池480提供系统480。应该注意，本发明的范围不限于必然地具有一个或全部的列出的设备的实施例。

控制器410可以例如包括一个或多个微处理器、微控制器等等。

i/o设备420可以用于产生消息。系统400可以使用无线接口440向无线通信网络发送并从无线通信网络接收具有无线电频率(rf)信号的消息。无线接口的示例可以包括天线、无线收发器，诸如偶极天线，尽管如此，但是本发明的范围从这个立场上不受限制。另外，i/o设备420可以提供或者以数字输出(如果存储了数字信息)或者以模拟输出(如果存储了模拟信息)的形式表示存储的内容的电压。

可以对描述的微机电设备和方法进行修改和变更，而不会脱离所附权利要求限定的本发明的范围。

尤其地，微机电设备可以合并一个或多个任何类型的微机电传感器，以及微电动机和微致动器。

对选择模块的开关的分组和驱动可以明显地变化并且基本上由合并在设备中的传感器、微电动机和微致动器的操作的模式确定。

另外，选择模块的开关还可以被布置在不同的选择水平面上，例如根据树结构。