[发明专利]三轴移动传感器

说明书

发明领域

本发明一般涉及用来检测由外力在设备上所引起的移动的传感系统。更具体地说，它涉及一用来检测半导体晶片系统一部分的移动的微机电系统(MEMS)移动传感器，它是通过检测电容随设备移动而变化的电容来实现的。

发明背景

在电子学测量装置和其它装置的领域中，需要测定作用在装置上的一外力，或其它的力在何时使一设备发生物理上的移动。还需要测定该力的性质，包括利用安置在该设备上的小型的廉价移动检测装置来测定如该力的方向和强度这样的性质。各种各样的系统都可用来检测施加在物体上的力。例如，需要测量由地震、星体之间的引力、运载工具(vehicle)的移动、人对物体的作用、或者任意数目的其它力的来源所引起的力。现存有一些系统用来检测这样的一维或二维移动的，但这些系统却不能有效地检测三维移动。

现行的移动传感系统包括在运载工具中所使用的系统和在计算机或视频游戏输入装置中所使用的系统，如操纵杆。这样的一些系统利用基于电容的移动传感器来检测二维移动，它们根据电容的变化来识别移动的变化。将一些相反电极安置在该装置的静止部分和装置的可移动的部分上，并检测这些电极之间的电容。电容随该可移动部分的移动而变化。现行的系统可利用一单个的移动块来检测一维或二维的移动，但却不能利用同样的移动块来检测三维移动。现行系统利用多个移动块形成一些一维或二维移动传感器的组合来检测三维移动。这就使检测移动的硬件设计变得很复杂，而且还会消耗该电子装置半导体晶片上的宝贵空间。

对于检测设备的三维移动来说，所需要的是一小巧而廉价的系统。具体来说，需要的是MEMS器件，以便利用最小的空间和利用最少的移动部件来检测设备的三维移动。

发明概述

本发明公开了一种用来检测半导体晶片结构的三维移动的微机电系统(MEMS)的移动传感器。MEMS器件具有顶、中、底层，和一通过一屈曲部分附连在该中层上的动子，这屈曲部分能使该动子相对于这些层作三维移动。系统可以是一半导体芯片，如电子器件中的处理器的一部分。动子具有一些动子电极，这些动子电极与安置在相邻层上的一些相反电极一起产生电容。这些电极之间的电容随动子的移动而变化。一电容检测器接收来自每一电极的信号，并根据该电容变化来检测该动子的移动。MEMS器件处理该检测的电容来确定该动子的移动特性。

动子电极和相反电极包括：X-Y动子电极与X-Y相反电极和Z动子电极与Z相反电极，前两X-Y电极用来检测平行于该中间层的X-Y平面中的移动，而后两Z电极则用来检测在与该X-Y平面垂直的方向上的移动。在一个实施例中，该动子是通过一些屈曲部分与该中间层相连的，其控制该动子的移动，使动子沿三维方向移动而且还能促使该动子回到静态位置。每一层都可是一独立的半导体晶片。

本发明还公开了一种用来检测在该器件上的作用力的三晶片的MEMS器件。在该三晶片器件中，每一层都可是一独立的半导体晶片，而该动子就附连在该中间的晶片上。该MEMS器件可具有一些相反电极和相应的动子电极，该相反电极既可安置在顶层晶片上，又可安置在底层晶片上。

附图简介

图1画出一个三层半导体晶片的MEMS器件的透视图。

图2画出沿2-2’线截取的图1所示MEMS器件的横截面，它表示一动子的顶视图。

图3画出图1所示MEMS器件的一沿3-3’线截取的横截面。

图4画出该动子的顶视图，它表示在初始状态时的电极之间的关系。

图5画出在动子移动后图4所示的该动子的顶视图。

图6画出在电极和电容检测器之间的连接框图。

图7画出使用该MEMS器件的设备的方框图。

发明详述

图1画出一检测移动用的微机电系统MEMS器件10，它利用一些电容器板或电极来检测一悬浮动子的移动。该MEMS器件10可封装在一保护壳(未画出)中，作为集成电路芯片的一部分。一中间层40安放在上层30和下层20之间，并用连接材料60与各层相连起来。该层20、30、40可以是，例如，半导体晶片。在一个实施例中，该层20、30、40中的每一层都是一独立的半导体晶片，而且该连接材料就是晶片粘结材料60。在其它实施例中，层20、30、40中的每一层可以是一单个半导体晶片的一部分，也可是两或多个晶片的一部分。

该中间层40具有一动子50，它可以安置在下层20和上层30之间，能相对于该下层20和上层30进行三维移动的任何质量。为了给该动子50提供一较大的质量可以利用三晶片实施例。当该MEMS器件10，例如被一外力移动时，动子50就相对于下层20和上层30移动。