[发明专利]用于移动传感器的屈曲耦合块

说明书

发明领域

本发明一般涉及半导体芯片的结构。更具体的说，它涉及一微机电系统(MEMS)(microelectromechanical system)装置的位置传感系统。

背景

在微机电系统(MEMS)装置的领域内，半导体晶片的一些部分，如象计算机系统的存储器，可相对于该晶片的其它部分移动。例如，计算机芯片的存储器部分可利用读/写头将数据写进该存储器和从该存储器读出该数据。MEMS装置可利用静止的读/写头访问可移动的存储器部分。可利用一驱动电机(actuator motor)来使该存储器部分相对于该读/写头移动。在这里，该可移动的结构被叫做“动子(mover)”。

在一种应用中，MEMS装置可使用一在二维，即X和Y方向移动的动子。例如，该动子可以是三层晶片系统的动子层的一部分。动子通过一弹性装置或屈曲部分(flexure)与该动子层的其它部分相连。屈曲部分能使该动子进行二维移动，同时将该动子悬在上述层间，并促使该动子回到静止位置或力学平衡态上。屈曲部分可包含耦合块(coupling block)来控制该动子的移动。一电动机使该动子在上述层内移动。

允许动子进行二维移动的MEMS装置已为大家所知晓。为了有效地使用MEMS装置，最好知道用其坐标X，Y表示的动子的位置。在带有读/写头的存储器的例子中，该MEMS装置必须知道该动子所在的位置，以便知道访问的是存储器的哪一部分。现存的系统使用了一些安置在动子上的电容器板来测定其位置。例如，可将一板安置在动子上，而将另一板安置在与该动子分开的固定部分上。板的重叠就形成一电容器，根据公式其电容的变化与动子的位置有关，其中，C是电容，ε₀是介电常数，A是电容器板之间的重叠面积，而d是电容器板之间的距离。很多方法都可用来产生与该动子位置有关的电容。可通过移动该动子的方法来使重叠的面积或电容器板之间的距离发生改变，从而使相对电容器板之间的电容发生改变。现存方法的问题在于，它们将该电容器板安置在动子上，因而要消耗一部分动子，否则这一部分总可有效地用作，例如，存储器。所需要的就是一种能测定该动子位置而又不消耗该动子的宝贵空间的方法。

发明概述

本发明公开了一测定动子位置的微机电系统(MEMS)装置。该MEMS装置具有一与动子层相连的底层。该动子层通过屈曲部分与动子相连。该动子相对于该动子层和该底层移动。该屈曲部分促使动子回到力学平衡的初始位置。该屈曲部分包括一些控制动子移动的耦合块。该动子主要是进行二维运动，基本上是与该动子层处于同一平面上，因而当动子移动时该动子到底层的距离基本保持恒定。MEMS装置是通过测定安置在屈曲部分耦合块上的动子电极(mover electrode)与安置在相邻层相反电极(counter electrode)之间的电容来测定该动子的位置。耦合块按与该动子的一可测定的关系移动。例如，耦合块的移动可直接与该动子的移动成比例。当该耦合块移动时，该动子电极与相反电极之间的电容就会发生变化。一电容检测器可对该电极之间的检测到的电容进行分析，并由此测定出该动子的位置。在一个实施例中，该动子可以被用作一存储器来存储由安置在顶层或底层的读/写头写入和读出的信息。使用一驱动电机来移动动子，以便能在希望的位置上写入或读取数据。在一个实施例中，该动子层和底层都是一单个的半导体晶片的一部分。

本发明还公开了一种三晶片半导体装置的MEMS装置，它具有一与顶层和底层相连的动子层，其中每一层都是一独立的晶片。该动子层通过一屈曲部分与动子相连。该屈曲部分包括一耦合块用来控制该动子的移动。该耦合块具有一动子电极，而该顶层或底层具有，或两者都具有一个相反电极。在该动子电极和相反电极之间就形成一电容器，其电容随该动子的移动而变化。电容检测器就根据该电容来确定该动子的位置。

本发明还公开了一种用来将动子和层连接起来的屈曲部分。该屈曲部分允许该动子相对于相邻层移动，并利用一耦合块来控制这种移动。耦合块相对于该动子的移动是已知的。该动子的耦合块具有一动子电极，以便根据在该动子上所检测到的电容测定该动子的位置。由动子测得的电容可与在其它屈曲部分的其它耦合块上的其它动子电极测得的电容联合用于确定该动子的位置。

附图简介

图1表示一种三晶片MEMS装置的透视图。

图2表示一种沿2-2’线截取的图1所示的MEMS装置的横截面图。

图3表示一种单晶片的MEMS装置的透视图。

图4表示一沿4-4’线截取的图3所示的MEMS装置的横截面图。