以MEMS技术制造的半导体材料的集成三轴磁力计

具体实施方式

本发明三轴磁力计采用了作用在由MEMS技术制造的悬挂物体形成的两个导体上的洛伦兹力。

如已知的，洛伦兹力是作用于在磁场中运动的带电物体上的力，并且其方向总是垂直于运动方向。由此，由于电流是由电荷的运动构成，因此基于洛伦兹定律，长度为l、由电流I流过并且沉浸在磁场B中的导体C(参见图1)所受到的力F为：

F＝I·l×B

进入纸张的平面。

在本发明磁力计中，该力使用这样的至少两个物体来检测，所述至少两个物体悬挂在衬底上(与其电容耦合)，并且由沿两个相互垂直的方向流动的相应电流横贯。两个物体之一连接至面向相应固定电极的移动电极。根据外部磁场的方向，物体移动去往或者远离衬底，从而改变与衬底的耦合电容，或者水平地移动，从而改变移动电极相对于固定电极的耦合电容。由此，对这些电容变化的检测允许计算外部磁场的量值和方向。

采用这一原理，图2中示出了以MEMS技术形成的平面磁力计的一个实施方式，其包括四个悬挂物体1-4，沿两个笛卡尔轴X、Y两两对称地布置，并且每个悬挂物体通过其相应的成对弹簧对6被支撑在悬挂物体1-4共用的锚具7与自身的外围锚具8之间。这里，悬挂物体1-2和3-4具有矩形形状，其长边分别平行于X轴和Y轴。一般而言，悬挂物体1-4相对于平行于X轴和Y轴的相应中轴而言具有对称的形状，并且关于这些轴对称地布置。两个悬挂物体(例如，沿Y轴对准的悬挂物体1和2)承载两个悬挂臂10，其从悬挂物体1、2的长边的中点处延伸。悬挂臂10垂直于悬挂物体1、2的长边并由此平行于X轴而延伸；悬挂臂10转而承载移动电极11，移动电极11垂直于相应的悬挂臂10并由此平行于Y轴而延伸。移动电极面对相应的固定电极12，固定电极12通过相应的固定臂13相互连接。

如图2的放大细节中所示，弹簧6例如可以是折形。在此情况下，结构并非完全对称的，因为弹簧的末端位于对称轴的两个不同侧，并且不是镜面对称的。

图3和图4示出了图2中磁力计的两个剖面，这两个剖面分别是沿X轴的对称平面并由此横贯悬挂物体3和4取得的，以及沿着平行于前一个平面并且穿过从悬挂物体1延伸的悬挂臂10的平面IV-IV取得的。

具体地，磁力计形成在芯片15中，其包括单晶硅的衬底16，其上覆有例如热生长氧化物的绝缘层17；多晶硅的传导区域18，其在绝缘层17上延伸，并且包括接触和偏压区域18a(在锚具7、8以及固定区域12、13之下)，下部电极18b(在悬挂物体1-4之下)以及电连接线(未示出)。

例如，图3示出了布置在悬挂物体3和4之下的两个下部电极18b，而图4示出了在悬挂物体1之下延伸的一个下部电极18b。下部电极18b所具有的面积略大于悬挂物体1-4，使得悬挂物体1-4在平面X-Y中的任何可能移动不会导致悬挂物体1-4与相应下部电极18b之间的电容改变，这将在此后详述。某些接触和偏压区域18a与中央锚具7和外围锚具8接触，从而为悬挂物体1-4提供电流I，电流I从各外围锚具8向中央锚具7流动，如图2所示。而且，气隙19将悬挂区域(悬挂物体1-4，弹簧6，悬挂臂6，以及移动电极11)与下层结构隔开。

此外，图3示意性地示出了电子部件20，其集成在同一芯片15中，并且适于生成磁力计的偏压量以及处理由本发明磁力计提供的信号。

而且，以未示出的方式，固定电极12和固定臂13至少部分地通过传导区域18(未示出)连接至电子部件20，其中该传导区域18类似于图3和图4中可见的传导区域18a、18b。

示出的磁力计的典型尺寸是从0.6×0.6mm到3×3mm，并且由此可以容易地安装在诸如蜂窝电话、PDA等便携式设备中。

图2-图4的磁力计可以使用制造MEMS器件中的常见技术来制造。例如，示出的结构可以这样获得：在多晶硅衬底16上沉积绝缘层17，其中在将要提供电子部件20处(电路区)或者将被用作MOS晶体管的栅极氧化物处，绝缘层17可被移除。沉积并定形多晶硅层，从而获得传导区域18，传导区域18包括接触和偏压区域18a、下部电极18b以及电连接线(未示出)。在电路区可以去除多晶硅层或是形成MOS晶体管的栅极区域。继而，沉积牺牲层，例如氧化硅层，并且在沉积多晶籽晶(seed)层之后，外延生长多晶硅的结构层。在此步骤中，电路区(提供电子部件20处)可以被保护，或者可以在先行移除牺牲层之后外延生长。利用特定的安排，在此区中，结构层可以是单晶体，从而允许电子部件20在没有任何缺陷的情况下集成在形成结构层的相同外延层中。

继而，对结构层进行掩膜和光刻限定，从而获得用于悬挂区域的期望配置。最后，移除牺牲层。

电路可以在限定悬挂结构之前集成。

下面描述图2-图4的磁力计的操作。

假设该磁力计沉浸在磁场B1中，该磁场B1平行定向并且与X轴同向(参见图5和图6，其分别示出了图2的磁力计的剖面图以及平行于先一个平面并且横贯悬挂物体2的剖面)，并且朝向中央锚具7的电流I流过悬挂物体1-4，如图2。

在此情况下(参见图5-图7)，作为洛伦兹力的结果，力F1作用在悬挂物体1上从而使其远离衬底16(在图2的顶视平面图中，朝向观察者)，并且力F2作用于悬挂物体2从而使其朝向衬底16移动(在图2的顶视平面图中，远离观察者)。这使得悬挂物体1与相应下部电极18b之间的电容降低，而悬挂物体2与相应下部电极18b之间的电容增加。

显然，如果磁场B1具有相反的定向，则悬挂物体1靠近衬底16，并且悬挂物体2远离衬底16，从而具有相反的电容变化。

在任一情况中，可以通过利用电子部件20获得的专门提供的读取电路来检测电容变化，并且电子部件20还能够根据检测到的电容变化来计算磁场B1的量值和方向。

悬挂物体3和4则没有受到任何力的影响，因为流过它们的电流I平行于磁场B。

反之，对于平行定向并且与Y轴同向的磁场B2，悬挂物体1和2不会受到任何力(其电流I平行于磁场B)，而物体3和4受到与图5-图7中的悬挂物体1、2的力F1和F2相同方向的相应力。

由此，悬挂物体3远离相应的下部电极18b，从而降低耦合电容，并且悬挂物体4靠近相应的下部电极18b，从而增加耦合电容。

而且，在这种情况下，读取电路20能够根据检测到的电容变化来检测磁场B的方向和量值。

在外部磁场B3平行于X轴(在图8中垂直于纸面)的情况下，悬挂物体1-4受到力F3-F6，其定向在纸面XY中，并且由此在该平面XY中移动。具体地，在图8所示的情况中，磁场B3进入纸面(远离观察者)，悬挂物体1向右移动，悬挂物体2向左移动，悬挂物体3向上移动，悬挂物体4向下移动。

悬挂物体1和2的位移引起悬挂臂10的相应移动；由此，布置于悬挂物体1一侧(图右)的移动电极11靠近相应的固定电极12；反之，布置于悬挂物体1另一侧的移动电极11(图左)远离相应的固定电极12。由此，移动电极11与固定电极12之间的电容在图8的第一象限和第三象限中增加，并且移动电极11与固定电极12之间的电容在第二象限和第四象限中减小。读取电路20可以检测到此电容变化，并可由此确定场的量值和方向。

而悬挂物体3和4的位移不起作用，因为它们与下部电极的距离没有改变，如上所述，下部电极具有较大的面积，并且不会与悬挂电极连接。

存在具有相反方向的磁场B3当然将引起在相反方向上的移动以及相反的电容变化。

在图2-图7的磁力计中，对外部磁场的检测可以仅仅使用由相互垂直的电流流过的两个悬挂物体(例如，悬挂物体1、3)来执行。然而，存在由定向相反的电流I流过的成对悬挂物体1-2以及3-4允许差分读取，例如用以抵消与例如寄生电容以及可能的应力状态有关的共态干扰。

如果磁场B不是垂直于平面XY，而是相对于垂直方向具有角度θ，或者如果由于作用在悬挂物体1-4上的力而使它们旋转了角度θ(参见图9)，则其受到等于Bcosθ的场的分量。在这种情况下，读取电路20必须将场B的量值的数值乘以修正因子k(在图10中示出)。

图11-图16示出了图2的磁力计的变体。为简便起见，并且根据结构关于X轴和Y轴的对称性，这些图仅示出了第二象限，并且可以通过关于X轴和Y轴翻转示出的部分结构而获得完整的结构。而且，为简便起见，图11-图15没有示出固定电极12或者固定臂13。

具体地，在图11中，未与悬挂物体1连接的悬挂臂10的末端连接至成对支撑弹簧25的第一端，其第二端连接至相同的支撑锚具26。这里，两个支撑弹簧25是折形的，并且关于悬挂臂10的长轴对称地延伸。磁力计的第一象限、第三象限和第四象限的悬挂臂10提供有类似的支撑弹簧(未示出)。

以此方式，获得了磁力计的各个部分的共振频率的划分。

在图12中，仍为矩形形状的悬挂物体1和3(以及悬挂物体2和4，未示出)不再中央锚定以及锚定在布置于对称轴上的外围锚具中，而是由四个相应的侧部弹簧28支撑，每个侧部弹簧28从相应的锐边延伸。特别地，从悬挂物体1、3的外部锐边延伸的侧部弹簧28部分地面向相应的悬挂物体1、3，并且部分地在后者上侧突出，并且通过自身的锚具29锚定至末梢端。从每个悬挂物体1、3的内部锐边延伸的侧部弹簧28(其也部分地面向相应的悬挂物体1、3，并且部分地在其上突出)锚定至同一共用锚具30。备选地，取代共用锚具30，可以提供两个独立的锚具。而且，在这里，侧部弹簧28关于分别平行于X轴和Y轴的、横贯悬挂物体1、3的中位面对称布置。

以此方式，悬挂物体1-4的弹性悬挂元件(弹簧)的每一个都被分为两个元件，其偏心地但是对称地锚定，由此获得了各弹簧的长度或者折叠的倍增，并且获得了X轴和Y轴二者上的结构的更大对称性。以此方式，确保了悬挂物体1-4的相同振动模式。

根据另一备选方案，弹簧可以从相应悬挂物体1-4的锐边朝向相应的外围锚具延伸，而不具有面对悬挂物体的长边的任何部分。

在图13的实施方式中，悬挂物体1、3的长度大于前图中的，使得侧部弹簧28不会在悬挂物体1、3的长边上突出。而且，在此情况下，连接至悬挂物体1的侧部弹簧28使两个末梢端连接至布置在悬挂臂10附近的、其自身的锚具32；而连接至悬挂物体3的侧部弹簧28使末梢端锚定至单个中部锚具31。备选地，连接至悬挂物体3的侧部弹簧28也可以具有单个锚具32，或者所有侧部弹簧28可以如图12所示的锚定。

通过图13的配置，在没有增加磁力计的整体尺寸的情况下，由于增长了电流路径(构成图1中导体C的悬挂物体的更大长度l)，灵敏度得以增加。

图14示出了一种实施方式，其中悬挂物体1、3具有与图13中的相同的整体长度但不再具有矩形形状，并且包括近似正方形或矩形的中央部分35a，以及分别沿Y轴(对于悬挂物体1)和X轴(对于悬挂物体3)定向的两个突出部分35b。在这种情况下，侧部弹簧28使第一端连接至突出部分35b的相应锐边，并且使第二端(末梢端)连接至中央部分35a附近的、其自身的锚具33。

而且，在这种情况下，获得了电流路径的增长。

图15示出了高度对称的结构，其中悬挂物体3以及同样的悬挂物体4(未示出)也承载相应的移动电极38，移动电极38在与悬挂物体1、3的悬挂臂10类似的悬挂臂39的任一侧延伸。这里，悬挂物体1、3具有图14中所示的形状，包括中央部分35a以及突出部分35b。悬挂物体1、3二者的突出部分35b的锐边连接至弹簧40a、40b的第一端，而弹簧40a、40b的第二端分别连接至中央锚具41或者外围锚具42。具体地，中央锚具41基本上是十字形，只有其两个半臂可见，每个半臂是U形(由图15中的虚线表示)，并且具有凹陷，用以容纳突出部分35b以及连接至同一突出部分35b两侧的两个弹簧40a。外围锚具42也是U形的(如针对悬挂物体1的锚具而示出的)，具有面对结构中心的腔室，其容纳每个悬挂物体1、3的其他突出部分35b以及连接至同一其他突出部分35b的两个弹簧40b。

在这种情况下，结构关于与X轴和Y轴成45°延伸的轴是对称的，并且移动电极38(面对相应的固定电极一未示出)对于沿Z轴定向的外部磁场也是灵敏的。以此方式，通过适当地选择悬挂物体1-4的尺寸，可以获得磁力计沿三个轴X、Y、Z的统一灵敏度。

图16示出了另一实施方式，其中所有物体(这里是物体1和3)承载成对的悬挂三角形结构45(对于每个悬挂物体1、3，只有一个悬挂结构45在图中是可见的)。每个悬挂结构45包括：横贯臂46，其平行于相应悬挂物体的主方向，并且承载有一系列垂直于相应横贯臂46的悬挂臂47；移动电极48，其从悬挂臂47延伸，并且面对相应的固定电极(未示出)。这里，悬挂物体1、3与图15的实施方式具有相同的形状，并且以相同的方式锚定。

图17示出了图2中实施方式的变体，其中悬挂臂10与关联悬挂物体中的电流I的方向相平行地延伸(这里，对于悬挂物体1而言，是平行于Y轴)，并且由此移动电极11垂直于电流方向定向。连接臂49将悬挂臂10连接至悬挂物体1。以此方式，当存在沿Z轴定向的磁场并且由此存在平行于X轴定向的力F3时，移动电极11平行于固定电极12移动，从而降低(在示出的示例中)或者增加面对表面。以此方式，读取电路(未示出)所检测到的电容变化与位移以线性方式关联，这取决于面对面积A的变化，而不是电极之间的距离d(C∝A/d)。

显然，在此情况中，根据图12-图16示出的任一方案，弹簧以及锚具的数目和布置也可以相对于图17中所示情况进行改变。

而且，移动电极11可以直接从第一悬挂物体1延伸，而无需悬挂臂10和连接臂49。

所描述的磁力计具有多种优点。首先，与具有单个或者两个灵敏度轴的结构相比，它可以使用广泛采用并且易于控制的制造技术、以较低的成本集成在单个管芯中。

此外，它具有高灵活性。实际上，根据形成悬挂结构的外延层的厚度以及弹簧的宽度和长度，可以获得不同的最终规模。

由于结构的高对称度，所描述的磁力计对共态干扰具有良好的抑制，并且由此具有高精确度。

在单个半导体材料管芯中提供三轴磁力计并且由此具有非常小尺寸的这一事实，使其能够集成在即使是掌上大小的便携式装置之中。

例如，所描述的磁力计可以用作蜂窝电话或者具有导航功能的其他电子装置中的电子罗盘。在这种情况下，如图18所示，具有导航功能的装置50可以包括磁力计40和微控制器51，其连接至磁力计40且具有显示器52，并且通过专门提供的接口(未示出)接收外部命令信号。

此外，可能的应用包括位置检测器(线性的或者旋转式，例如，旋钮、光标、操纵杆等、移动部件，诸如活塞等)、水平仪，等等。

最后，很显然，在不脱离所附权利要求限定的发明范围的情况下，可以对在此描述和示出的磁力计进行修改和变形。

例如，用于支撑悬挂物体的弹簧可以是不同的形状，并且可以通过改变折叠数目以及几何参数(宽度、长度以及厚度)来进行优化，从而增加传感器的灵敏度，并且可以按照不同于所示的方式组合。例如，在图17的实施方式中，连接臂49可以行进在支撑臂10之上，并且以类似于图11的方式通过支撑弹簧25连接至支撑锚定区域26。

锚具的位置和形状可以广泛变化，从而优化结构的布局以及弹簧和悬挂物体的参数。

制造工艺可以与上文所述不同。例如，可以使用本申请的申请人于2009年8月5日提交的专利申请号TO2009A000616中描述的工艺，并且包括：形成绝缘层17、传导区域18和牺牲层；外延生长结构层；选择性地移除结构层直到达到牺牲层，从而形成通槽；利用多孔材料层完全地或者以适当方式涂敷通槽的侧壁和底部；通过多孔材料层移除牺牲层；以及可能地填充某些通槽。